УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ВЕНТИЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И ИХ СПЛАВОВ
DEVICE FOR PLASMA-ELECTROLYTIC OXIDATION OF VALVE METALS AND ALLOYS THEREOF

Изобретение относится к оборудованию для электролитической обработки поверхности вентильных металлов и их сплавов с целью формирования оксидно-керамических покрытий. МПК C25D 11/02, 19/00, 21/12.
Из уровня техники известно устройство (патент RU №2395631, МПК C25D 11/00, C25D 21/12, 2008) для микродугового оксидирования изделий из металлов и металлических сплавов, содержащее источник питания, ванну с электролитом для оксидирования изделия, силовой повышающий трансформатор, управляющую электронно-вычислительную машину на базе микропроцессора с периферийными аналого-цифровыми преобразователями, датчик тока и датчик напряжения, входы которых соединены с оксидируемым изделием, микроконтроллер управления, вторичный источник питания, импульсные преобразователи напряжения.
Недостатками известного устройства являются наличие низкочастотного силового повышающего преобразователя, работа высокочастотных преобразователей напряжения при повышенных входных напряжениях, отсутствие выходных высокочастотных фильтров, использование одного силового трансформатора для работы обоих каналов анодного и катодного напряжений.
Также известно устройство (патент RU №2422560, МПК C25D 11/00, 2009) для микродугового оксидирования металлов и их сплавов, содержащее источник питания, соединенный с вторичным источником питания, ванну для электролита, корпус которой соединен через последовательно соединенные датчик напряжения и датчик тока с оксидируемой деталью, управляющую машину на базе персонального компьютера, повышающий трансформатор. Известное устройство обеспечивает независимости частоты следования импульсов напряжения, подаваемого на оксидируемую деталь, и частоты смены режимов от частоты напряжения питающей сети, независимое формирование анодного и катодного напряжений.
Однако известное устройство содержит тиристорный регулятор напряжения и низкочастотный повышающий трансформатор, не удовлетворяющий современному уровню требований по массо-габаритным показателям. Кроме того, в известном устройстве используется двухступенчатая система преобразования напряжений как в анодном, так и в катодном плече (низкочастотный повышающий тиристорно-трансформаторный преобразователь и высокочастотный импульсный преобразователь), что увеличивает количество радиоэлектронных элементов и приводит к снижению общей надежности прибора и технологичности его производства. Кроме того, в известном устройстве выходы высокочастотных преобразователей подключаются к переключателю режимов работы без высокочастотных фильтров, что приводит к появлению высокочастотной составляющей тока в цепи обрабатываемой детали, носящей преимущественно емкостный характер, что вызывает шунтирование подаваемого тока и снижение выхода покрытия по току.
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов (патент RU 2441108, МПК C25D 11/00, C25D 19/00, 2011), которое содержит источник питания, ванну с электролитом для оксидирования изделия, два выпрямителя, два фильтра, два импульсных преобразователя напряжения, блок драйверов, переключатель режимов работы, датчик тока и датчик напряжения, аналого-цифровой преобразователь тока, аналого-цифровой преобразователь напряжения, микроконтроллер управления, управляющую электронно-вычислительную машину. Известное устройство позволяет формировать чередующиеся положительные и отрицательные импульсы напряжения на гальванической ячейке, а также поддерживать напряжение на ячейки на постоянном уровне, при этом известное устройство имеет две раздельные схемы формирования анодного и катодного напряжений. Описанное устройство принято за прототип изобретения.
Недостатками существующих устройств являются:
- низкая воспроизводимость покрытий, возникающая из-за необходимости изменения режимов обработки при изменении числа деталей, смене геометрии детали или электрохимической ячейки, и обуславливаемая тем, что управление процессом производится в терминах, подаваемых на ванну напряжений;
- ограниченная возможность увеличения выходного тока устройства из-за невозможности параллельного включения нескольких устройств для повышения выходной мощности.
Задачей изобретения является создание нового устройства для плазменно-электролитического оксидирования вентильных металлов и их сплавов, формирующего положительные и отрицательные токовые импульсы заданной амплитуды и длительности, обеспечивающего обратную связь по выходному току независимо в положительный и отрицательный полупериоды, позволяющего наращивать выходную мощность путем совместного включения нескольких однотипных устройств к общей нагрузке.
Технический результат изобретения заключается в повышении воспроизводимости процесса при формировании оксидно-керамических покрытий при изменении числа обрабатываемых деталей, геометрии обрабатываемых деталей и электролитической ванны за счет управления процессом в терминах величины общего тока процесса (однозначно связанного с плотностью тока на поверхности деталей), а не прикладываемого к ванне напряжения, величина которого содержит в себе трудно контролируемые составляющие и зависит от общего тока в цепи; в гибком наращивании мощности путем совместной работы нескольких устройств на общую нагрузку; в повышении уровня автоматизации технологии плазменно-электролитического оксидирования вентильных металлов.
Поставленная техническая задача решена в устройстве для плазменно-электролитического оксидирования вентильных металлов и их сплавов, которое состоит из источника питания, двух импульсных преобразователей напряжения, двух выходных фильтров, двух токовых датчиков, коммутационного блока, электрохимической ванны с электролитом и обрабатываемой деталью, микроконтроллера, двух цифроаналоговых преобразователей, персональной электронно-вычислительной машины, причем источник питания подключен к первому входу первого импульсного преобразователя напряжения и к первому входу второго импульсного преобразователя напряжения, выход первого импульсного преобразователя напряжения подключен к входу первого фильтра, а его выход к входу первого токового датчика, первый выход которого подключен ко второму входу первого импульсного преобразователя напряжения и обеспечивает отрицательную обратную связь по току, второй выход первого токового датчика подключен к первому входу коммутационного блока, при этом выход второго импульсного преобразователя напряжения подключен к входу второго фильтра, а его выход подключен к входу второго токового датчика, первый выход которого подключен ко второму входу второго импульсного преобразователя напряжения, обеспечивая отрицательную обратную связь по току, а второй выход второго токового датчика подключен ко второму входу коммутационного блока, при этом первый выход коммутационного блока подключен к обрабатываемой детали, а второй выход подключен к электролитической ванне с электролитом, кроме того, первый выход микроконтроллера подключен к входу первого цифроаналогового преобразователя, выход которого подключен к третьему входу первого импульсного преобразователя напряжения, а второй выход микроконтроллера подключен к второму цифроаналоговому преобразователю, выход которого подключен к третьему входу второго импульсного преобразователя напряжений, третий выход микроконтроллера подключен к входу драйвера, выход которого подключены к третьему входу коммутационного блока, при этом вход микроконтроллера подключен к выходу персональной электронно-вычислительной машины (ПЭВМ), кроме того, микроконтроллер подключен к цифровой шине синхронизации через соединитель D. Таким образом, совокупность признаков заявленного решения позволяет достичь указанный технический результат.
Сущность изобретения поясняется функциональной схемой устройства (Фиг. 1.) и схемой соединений, демонстрирующей возможности подключения нескольких изобретений к общей нагрузке (Фиг. 2.), где введены следующие обозначения:
1 - источник питания;
2 - ванна электрохимическая;
3 - электролит;
4 - изделие, на которое наносится покрытие;
5 - первый импульсный преобразователь напряжения;
6 - второй импульсный преобразователь напряжения;
7 - первый выходной;
8 - второй выходной фильтр;
9 - первый токовый датчик;
10 - второй токовый датчик;
11 - коммутационный блок;
12 - драйвер;
13 - микроконтроллер;
14 - первый цифроаналоговый преобразователь;
15 - второй цифроаналоговый преобразователь;
16 - персональная электронно-вычислительная машина;
G - устройство (единичный модуль);
GA - источник анодного тока;
GC - источник катодного тока;
CU - коммутационный блок с драйвером;
МК - управляющий микроконтроллер вместе с первым и вторым аналого-цифровыми преобразователями;
S1, S2 - силовые шины;
SD - шина синхронизации;
А, В, С, D, Е - соединители;
N - общее число устройств, работающих совместно,
при этом нижний индекс при буквенном обозначении символизирует номер устройства среди устройств, работающих на общую нагрузку.
Устройство содержит источник питания 1, электролитическую ванну 2 с электролитом 3 и помещенное в него обрабатываемое изделие 4, импульсные преобразователи напряжений 5, 6, выходные фильтры 7, 8, токовые датчики 9, 10, коммутационный блок 11, блок драйверов 12, микроконтроллер 13, цифроаналоговые преобразователи 14, 15, соединители А, В, С, D, Е и персональную электронно-вычислительную машину (ПЭВМ) 16.
Назначение входов для каждого импульсного преобразователя напряжения следующее: первый - входное питание от источника питания, второй - вход сигнала обратной связи по току, третий - вход сигнала величины амплитуды выходного токового импульса. Необходимо отметить, что для формирования формы импульса с точностью 1% рабочая частота преобразователей должна, как минимум, в 100 раз превышать максимальную рабочую частоту выходного тока.
Устройство имеет два независимых источника тока, которые подключаются и отключаются от нагрузки (электрохимической ячейки с электролитом и деталью) поочередно в последовательности, заданной параметрами токового режима из памяти микроконтроллера: к первому источнику тока (анодного) относятся импульсный преобразователь напряжения 5, выходной фильтр 7, токовый датчик 9, к второму источнику тока (катодного) относятся импульсный преобразователь напряжения 6, выходной фильтр 8, токовый датчик 10, при этом подключение и отключение источников анодного и катодного токов к нагрузке происходит путем включения и выключения ключевых элементов коммутационного блока 11, кроме этого в устройстве предусмотрены режимы работы в качестве «ведущего» и «ведомого», что необходимо для совместной работы нескольких устройств на общую нагрузку.
Устройство функционирует следующим образом.
Работа прибора начинается с наполнения ванны 2 требуемым электролитом 3 и погружением в него обрабатываемой детали 4. Необходимый токовый режим, характеризующийся такими параметрами, как длительность анодного токового импульса, длительностью катодного токового импульса, длительностями пауз, амплитудой анодного токового импульса, амплитудой катодного токового импульса, а также режимом работы «ведущий/ведомый» загружается в память микроконтроллера 13 из ПЭВМ 16 через соединитель Е. Затем напряжение источника питания 1 подают на первый вход первого импульсного преобразователя напряжения 5 и первый вход второго импульсного преобразователя напряжения 6.
Микроконтроллер 13 в соответствии с имеющимися в памяти параметрами токового режима формирует на выходе 1 сигнал, управляющий цифроаналоговым преобразователем 14, на выходе 2 сигнал, управляющий цифроаналоговым преобразователем 15, на выходе 3 сигнал, управляющий драйвером 12, выход которого подключен к третьему входу коммутационного блока 11, кроме того, в зависимости от выбранного режима «ведущий/ведомый» микроконтроллер 13 вырабатывает сигнал на шину синхронизации через соединитель D, либо принимает синхронизирующий сигнал через соединитель D соответственно. Управляющий аналоговый сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 14 поступает на третий вход импульсного преобразователя напряжения 5, обеспечивая регулировку выходного анодного тока, а управляющий аналоговый сигнал с выхода цифроаналогового преобразователя 15 поступает на третий вход импульсного преобразователя напряжения 6, обеспечивая регулировку выходного катодного тока, причем нулевой уровень аналогового сигнала на третьем входе импульсных преобразователей напряжения 5, 6 соответствует нулевому выходному току. Кроме этого, управление цифроаналоговыми преобразователями 14, 15 и коммутационным блоком 11 синхронизировано таким образом, чтобы переключение нагрузки коммутационным блоком 11 происходило только при выключенных импульсных преобразователях напряжений 5, 6.
При появлении отличного от нулевого сигнала на третьем входе первого преобразователя напряжений 5 он запускается и через выходной фильтр 7 анодный ток поступает на вход токового датчика 9, первый выход которого подключен к первому входу коммутационного блока 11, при этом на втором выходе токового датчика 9 формируется сигнал, пропорциональный протекающему анодному току, который подается на второй вход импульсного преобразователя напряжения 5, образуя первую цепь отрицательной обратной связи по току.
При появлении отличного от нулевого сигнала на третьем входе второго преобразователя напряжений 6 он запускается и через выходной фильтр 8 катодный ток поступает на вход токового датчика 10, первый выход которого подключен ко второму входу коммутационного блока 11, при этом на втором выходе токового датчика 10 формируется сигнал, пропорциональный протекающему катодному току, который подается на второй вход импульсного преобразователя напряжения 6, образуя вторую цепь отрицательной обратной связи по току.
Коммутационный блок 11, управляемый микроконтроллером 13 через драйвер 12, в соответствии с записанными параметрами токового режима обработки подключает первый выход к первому входу, а второй выход к общему проводу схемы при формировании анодного токового импульса в нагрузке, либо первый выход к общему проводу схемы, а второй выход к второму входу при формировании катодного токового импульса в нагрузке.
1
N
1
N
1
N
1
N
1
N
1
1
1
2
N
2
N
2
N
1
N
1
1
1
2
N
1
N
1
N
1
N
При необходимости увеличения тока, пропускаемого через обрабатываемую деталь, конструкция изобретения позволяет объединить несколько устройств для работы на общую нагрузку (см. Фиг. 2.). Для этого не менее двух устройств G-G электрически соединятся таким образом, чтобы соединители A-A были параллельно подключены к источнику питания 1, соединители B-B были подключены к силовой шине S2, соединители C-C были подключены к силовой шине S1, а соединители D-D подключены к шине синхронизации SD, при этом одно устройство, например G, переводится в режим «ведущий» путем загрузки соответствующих параметров токового режима в микроконтроллер MK через соединитель E из ПЭВМ 16, а остальные, например, G-G - переводятся в режим «ведомый», путем загрузки соответствующих параметров токового режима в микроконтроллеры МК-МК через соединители Е.. E из ПЭВМ 16. После этого вся совокупность устройств G-G управляется с одной ПЭВМ через соединитель E, при этом микроконтроллер MK ведущего устройства G автоматически распределяет задаваемые параметры токового режима между остальными устройствами G-G с помощью шины синхронизации SD. Кроме этого, шина синхронизации обеспечивает синхронную работу анодных GA-GA и катодных GC-GC источников тока, а также синфазную работу коммутационных блоков CU-CU так, чтобы коммутационные состояния были эквивалентны у всех совместно работающих устройств.
Отличительная от прототипа особенность заключается в том, что в предлагаемом устройстве импульсные преобразователи напряжений охвачены обратной связью по току, что обеспечивает их работу в режиме программно-управляемых источников тока. Устройства в виде программно-управляемых источников токов в режиме синхронизации между микроконтроллерами позволяют объединять несколько устройств для работы на общую нагрузку с целью повышения выходного тока и реализуют модульный принцип масштабирования выходных характеристик.
Импульсные преобразователи напряжений включаются только при необходимости формирования соответствующего импульса тока в нагрузке, в остальное время они выключаются, путем подачи на третий вход сигнала, соответствующего нулевому выходному току, что облегчает тепловой режим работы устройства. Импульсные преобразователи напряжения могут быть как повышающими, так и понижающими в зависимости от напряжения питающей сети при условии обеспечения максимального выходного напряжений в диапазоне от 600 до 1000 В для первого импульсного преобразователя напряжения и от 150 до 300 В для второго импульсного преобразователя напряжений. Максимальное выходное напряжение определяется из технологических потребностей производства. При работе от сетей 220 В или 380 В наиболее оптимальным является функционирование первого источника тока в режиме повышающего преобразователя напряжения, а второго источника тока в режиме понижающего преобразователя напряжения, что обеспечивает наилучший динамический диапазон регулирования и коэффициент полезного действия. При работе от сетей 127 В и менее оба преобразователя должны быть повышающими, а при работе от 660 В и выше оба преобразователя должны быть понижающими.
Предлагаемое устройство может быть осуществлено и изготовлено промышленно с помощью известных радиокомпонентов и устройств радиоэлектронной техники. Например, первый импульсный преобразователь напряжения может быть изготовлен по схеме мостового преобразователя с повышающим трансформатором, выполненного на сердечнике из феррита марки N87/ETD-59 ("EPCOS", Германия), второй импульсный преобразователь напряжения - по схеме понижающего преобразователя напряжения, силовые ключи первого и второго преобразователей напряжения на основе мощных полевых транзисторов марки 2П829Б (ОКБ «Искра», Россия), при необходимости соединенных параллельно, в качестве управляющего контроллера первого и второго импульсного преобразователя можно использовать ШИМ контроллер типа 1114ЕУ3 (ОАО «НПП «ЭлТом», Россия), гальваническую развязку управляющих цепей ключей осуществить с помощью быстродействующих оптических драйвером HCNW3120 ("Avago Technologies", США), в качестве токовых датчиков можно использовать датчик из серии ДТХ (ОАО «НИИЭМ», Россия), коммутационный блок можно изготовить с помощью силовых модулей на основе биполярных транзисторов с изолированным затвором типа М2ТКИ-50-12 (ОАО "Электровыпрямитель", Россия).
Макет устройства обладает следующими ключевыми характеристиками:
1. Входное питание: 220 В-1ф или 380 В-3ф.
2. Максимальное выходное напряжение: +750/-300 В;
3. Максимальный выходной ток: +6,5 А/-10 А;
4. Минимальная длительность токового импульса или паузы: 250 мкс;
5. Максимальная длительность токового импульса или паузы: 10000 с;
6. Частота преобразования источника анодного тока: 200 кГц;
7. Частота преобразования источника катодного тока: 100 кГц;
8. Вес (без ПЭВМ): 7,5 кг;
9. КПД, без учета потерь в электролите: >95%.
10. Габариты (без ПЭВМ): 350×120×250 мм;