УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ИЗДЕЛИЙ ИЗ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
APPARATUS FOR MICRO-ARC OXIDATION OF PRODUCTS MADE OF METALS AND ALLOYS

Изобретение относится к оборудованию для электролитической обработки поверхности изделий из металлов и сплавов путем оксидирования для повышения износостойкости, теплостойкости, коррозионной защиты, получения декоративных и электроизоляционных покрытий и может быть использовано в машиностроении, медицине, авиационной, аэрокосмической, радиоэлектронной, химической и военной промышленности.
Из существующего уровня техники известно устройство для микродугового оксидирования металлических изделий, содержащее источник питания, электролитную ванну, токоподвод для оксидируемой детали, два регулируемых выпрямителя, четыре электронных ключа и четыре диода, снабженное двумя клеммами для подключения источника питания, соединенных с выводами подключения переменного тока регулируемых выпрямителей, и системой управления, а в качестве электронных ключей используются полностью управляемые полупроводниковые ключи, причем отрицательные электроды первого и третьего ключей подключены к токоподводу для оксидируемой детали и электролитной ванне соответственно, отрицательные электроды второго и четвертого ключей соединены с отрицательным выводом первого регулируемого выпрямителя, а электроды управления всех четырех ключей соединены с четырьмя выходами системы управления, пятый и шестой выходы которой подключены к входам задания напряжения регулируемых выпрямителей, причем, положительный вывод первого регулируемого выпрямителя соединен с положительным электродом первого ключа и катодом первого диода, анод которого соединен с отрицательным электродом первого ключа, положительным электродом второго ключа и катодом второго диода, анод которого подключен к отрицательным выводам регулируемых выпрямителей и аноду четвертого диода, катод которого соединен с положительным электродом четвертого ключа, отрицательным электродом третьего ключа и анодом третьего диода, катод которого соединен с положительным электродом третьего ключа и положительным выводом второго регулируемого выпрямителя (патент на полезную модель RU №102619, опубл. 10.03.2011).
Устройство позволяет осуществлять независимое управление параметрами анодных и катодных прямоугольных импульсов напряжения и пауз между ними при микродуговом оксидировании. К недостаткам данного устройства можно отнести импульсные токи в ключах и большие потери энергии в электролите, т.к. именно сопротивление электролита ограничивает импульсные токи при заряде и разряде паразитного конденсатора металл-оксид-электролит.
Известен регулятор тока для устройств микроплазменного оксидирования, содержащий независимые регуляторы анодного и катодного напряжений, которые представляют собой импульсные понижающие преобразователи с конденсаторными накопителями на выходе, и транзисторный инвертор анодного и катодного напряжений, в диагональ которого включена ванна с электролитом и обрабатываемым изделием (Большенко А.В., Павленко А.В., Гринченков В.П., Пузин В.С. Регуляторы тока для устройств микроплазменного оксидирования. // Электротехника, 2012, №5, С. 27-33).
Устройство позволяет осуществлять независимое управление параметрами анодных и катодных прямоугольных импульсов напряжения и пауз между ними при микроплазменном оксидировании, а также в нем реализован анодно-разрядный режим для разряда конденсатора металл-оксид-электролит после окончания анодного импульса. К недостаткам данного устройства можно отнести большие импульсные токи в транзисторах инвертора и потери энергии в электролите, неравномерную нагрузку на транзисторы инвертора напряжения из-за анодно-разрядного режима.
Известно устройство для плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов, содержащее ванну с электролитом для оксидирования изделия, две раздельные схемы формирования анодного и катодного напряжений, переключатель режимов работы, дополнительно содержащее управляемый электронный разрядник, выполненный с возможностью параллельного подключения к оксидируемому изделию при выключенном переключателе режимов работы (патент RU №2441108, опубл. 27.01.2012).
Сразу после завершения анодного или катодного импульса включается электронный разрядник, разряжая накопившийся на конденсаторе металл-оксид-электролит заряд. Этим обеспечивается возможность формирования более коротких (с более коротким задним фронтом) импульсов напряжения или тока и подачи их с большей частотой на оксидируемое изделие, повышая так называемое быстродействие устройства. Недостатком такого решения является низкий КПД, т.к. энергия конденсатора выделяется в виде тепла в электролите и в электронном разряднике.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению по технической сущности и достигаемому результату является устройство 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 ко второму цифроаналоговому преобразователю, выход которого подключен к третьему входу второго импульсного преобразователя напряжений, третий выход микроконтроллера подключен к входу драйвера, выход которого подключен к третьему входу коммутационного блока, при этом вход микроконтроллера подключен к выходу персональной электронно-вычислительной машины (патент RU №2584058, опубл. 20.05.2016).
В данном устройстве импульсные преобразователи напряжения включаются только при необходимости формирования соответствующего импульса тока в нагрузке и охвачены обратной связью по току, что обеспечивает их работу в режиме программно-управляемых источников тока. К недостаткам данного устройства можно отнести наличие двух импульсных преобразователей напряжения, а также наличие фильтров на выходе импульсных преобразователей напряжения, что приводит к импульсным токам в силовых ключах коммутационного блока и потерям энергии в электролите.
В основу настоящего изобретения положена задача создания простого и надежного устройства для микродугового оксидирования изделий из металлов и сплавов, формирующего анодные и катодные токовые импульсы заданной амплитуды, формы и длительности, в котором отсутствуют импульсные токи в инверторе тока при заряде и разряде конденсатора металл-оксид-электролит и уменьшены потери в электролите.
Технический результат изобретения заключается в повышении воспроизводимости и КПД технологического процесса, увеличении единичной мощности устройства, расширении номенклатуры оксидируемых металлов и сплавов, в том числе имеющих высокие значения удельной емкости конденсатора металл-оксид-электролит, например титана.
Поставленная задача решена следующим образом. В предлагаемом устройстве, содержащем источник питания, датчик тока, датчик напряжения, инвертор тока, состоящий из четырех транзисторов, зашунтированных обратными диодами, ванну с электролитом и токоподводом для изделия, включенных в одну из диагоналей инвертора тока, блок программируемого контроллера, дополнительно введены первый и второй транзисторы, первый и второй обратные диоды, дроссель, причем первый транзистор коллектором подключен к плюсовому выводу источника питания и катоду первого обратного диода, эмиттером соединен с коллектором второго транзистора, анодом первого обратного диода, катодом второго обратного диода и первым выводом дросселя, эмиттер второго транзистора подключен к минусовому выводу источника питания, аноду второго обратного диода и эмиттерам транзисторов инвертора тока, свободные коллекторы транзисторов инвертора тока через датчик тока соединены со вторым выводом дросселя. Первый транзистор, второй обратный диод совместно с дросселем образуют импульсный понижающий регулятор напряжения, работающий в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока, который формирует анодный и катодный токовые импульсы. Для рекуперации энергии конденсатора металл-оксид-электролит в источник питания по окончании анодного или катодного импульса второй транзистор, первый обратный диод совместно с дросселем образуют импульсный повышающий регулятор напряжения, работающий в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока обратной (реверсной) полярности по входу. Кратко оба импульсных генератора тока можно назвать реверсивным импульсным генератором тока. Таким образом, упрощение устройства обеспечивается использованием одного источника питания и одного генератора тока для формирования как анодного, так и катодного токовых импульсов, повышение надежности устройства связано с отсутствием импульсных токов и соответственно динамических потерь в инверторе тока, паразитный конденсатор металл-оксид-электролит заряжается и разряжается с высоким КПД реверсивным импульсным генератором тока, а сопротивление электролита и соответственно потери в нем могут быть уменьшены в несколько раз, т.к. теперь сопротивление электролита не является фактором, ограничивающим импульсные токи в транзисторах инвертора тока. Повышение воспроизводимости технологического процесса формирования оксидно-керамического покрытия на поверхности изделия достигается за счет управления процессом в терминах величины общего тока, однозначно связанного с плотностью тока на поверхности изделия, в любой момент времени процесса. Из-за уменьшения падения напряжения на электролите при максимальном токе по сравнению с аналогами напряжение источника питания может быть уменьшено.
На фиг. 1 представлена принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг. 2 представлены расчетные кривые тока дросселя и напряжения на конденсаторе металл-оксид-электролит в анодном режиме, на фиг. 3 представлен упрощенный вариант устройства, в котором полный мост инвертора тока заменен на стойку полумоста, на фиг. 4 представлен упрощенный вариант устройства с дополнительными защитными диодами.
Сокращения, используемые в чертежах фиг. 1 - фиг. 4:
ИП - источник питания;
ДТ - датчик тока;
ДН - датчик напряжения;
A
I - анодный ток;
C
U - напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит.
Схема на фиг. 1 содержит источник питания 1, транзистор 2, коллектором подключенный к плюсовому выводу источника питания 1 и катоду обратного диода 4, эмиттером соединенный с коллектором транзистора 3, анодом обратного диода 4, катодом обратного диода 5 и первым выводом дросселя 6, эмиттер транзистора 3 и анод обратного диода 5 соединены с минусовым выводом источника питания 1. Транзисторы 2, 3, обратные диоды 4, 5, дроссель 6 образуют реверсивный импульсный генератор тока 7. Второй вывод дросселя 6 через датчик 8 тока подключен к транзисторному инвертору тока 10, состоящему из транзисторов 11 - 14, зашунтированных обратными диодами 15 18 соответственно. В диагональ инвертора тока 10 включены токоподвод 19 для крепления оксидируемого изделия и ванна 20 с электролитом, а свободный вывод инвертора тока 10 подключен к минусовому выводу источника питания 1. Информация от датчика 8 тока и датчика 9 напряжения подается в блок 21 программируемого контроллера, который управляет всеми транзисторами устройства.
Работает устройство следующим образом.
Обрабатываемое изделие присоединяют к токоподводу 19 и опускают в ванну 20 с электролитом. С панели блока 21 программируемого контроллера или с внешнего управляющего компьютера загружают программу обработки изделия, которая содержит для каждого технологического интервала времени информацию о величине, форме, длительности анодного и катодного импульсов тока, длительности пауз между ними, о величине тока разряда конденсатора металл-оксид-электролит, величине тока в дросселе 6, при котором на заднем фронте импульса тока нужно включить рекуперацию энергии конденсатора металл-оксид-электролит в источник питания 1, величине напряжения на инверторе тока 10, когда рекуперацию можно завершить выключением транзистора 3.
Рассмотрим формирование анодного импульса тока (фиг. 2) при следующих допущениях (фиг. 1):
напряжение источника питания 1индуктивность дросселя 6анодный ток, регулируемый в течение импульсаемкость конденсатора металл-оксид-электролитнапряжение на конденсаторе металл-оксид-электролитток разряда конденсатора металл-оксид-электролитсопротивление электролитадлительность анодного импульсауровень тока дросселя 6 для включения рекуперацииуровень напряжения на инверторе тока 10, при котором рекуперация завершается
900 В1 мГн500 А, 375 А, 250 А500 мкФ600 В300 А0,1 Ома5 мс20 А0 В
0
1
2
3
Во время паузы перед анодным импульсом ток в дросселе 6 равен нулю, конденсатор металл-оксид-электролит полностью разряжен, транзисторы 11, 14 включены. В момент времени t (фиг. 2) блок 21 программируемого контроллера включает транзистор 2 (фиг. 1), в дросселе 6 начинает нарастать ток по цепи датчик 8 тока - транзистор 11 - токоподвод 19 - изделие - электролит - корпус ванны 20 с электролитом - транзистор 14 - источник питания 1 - транзистор 2. Информация о величине тока дросселя 6 и напряжения на инверторе тока 10 передается датчиком 8 тока и датчиком 9 напряжения соответственно в блок 21 программируемого контроллера. При достижении заданной величины анодного тока (500 А) блок 21 программируемого контроллера выключает транзистор 2, открывается обратный диод 5, ток в дросселе 6 начинает спадать и при определенном уровне тока в дросселе 6 транзистор 2 снова включается, и далее импульсный регулятор напряжения понижающего типа (транзистор 2, обратный диод 5, дроссель 6) начинает работать в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока, управляемого блоком 21 программируемого контроллера. В момент времени t (фиг. 2) напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит достигает напряжения возникновения искровых разрядов и перестает расти дальше, весь ток идет на микродуговое оксидирование изделия. В качестве примера возможности изменять форму тока в течение анодного или катодного импульса в моменты времени t, t анодный ток ступенчато уменьшается.
4
5
6
В момент времени t= 5 мс блок 21 программируемого контроллера (фиг. 1) выключает транзистор 2, ток дросселя 6 замыкается через диод 5 и начинает линейно уменьшаться. В момент времени, когда ток дросселя 6 упадет до 20 А, блок 21 программируемого контроллера включает транзистор 3. В момент времени t(фиг. 2) анодный ток станет равным нулю и далее начнет нарастать обратный (отрицательный) ток дросселя 6 (фиг. 1), разряжающий конденсатор металл-оксид-электролит по цепи: изделие – токоподвод 19 – обратный диод 15 – датчик 8 тока – дроссель 6 – транзистор 3 – обратный диод 18 – корпус ванны 20 с электролитом – электролит. При достижении током в дросселе 6 заданного значения 300 А импульсный регулятор напряжения повышающего типа (транзистор 3, обратный диод 4, дроссель 6) переходит в режим стабилизации отрицательного тока в дросселе 6. В момент времени t (фиг. 2), когда напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит упадет до нуля, блок 21 программируемого контроллера (фиг. 1) выключает транзистор 3 и энергия, накопленная в дросселе 6, через обратные диоды 16, 15, датчик 8 тока, диод 4 возвращается в источник питания 1. На этом формирование анодного импульса завершается.
В момент паузы между анодным режимом и катодным режимом транзисторы 11, 14 выключаются без тока и напряжения на них и включаются транзисторы 12, 13. Катодный режим начинается с включения транзистора 2 и далее процесс повторяет анодный режим, но с другими заданными значениями параметров (уставок токов, напряжений, длительностей).
Если необходимо иметь минимальный фронт заряда конденсатора металл-оксид-электролит (фиг. 2) или производить измерение емкости этого конденсатора в каждом импульсе, в момент паузы между режимами на время, достаточное для разгона в дросселе 6 (фиг. 1) рабочего тока, включаются транзистор 2 и все транзисторы инвертора тока 10, формируя режим к. з. для реверсивного импульсного генератора тока 7. В момент начала анодного или катодного режима лишние транзисторы выключаются блоком 21 программируемого контроллера.
На фиг. 3 представлен упрощенный вариант устройства, в котором полный мост инвертора тока заменен на стойку полумоста 22, содержащую транзисторы 23, 24 и обратные диоды 25, 26, причем транзистор 23 коллектором подключен к плюсовому выводу источника питания 1, катоду обратного диода 25, эмиттером соединен с коллектором транзистора 24, анодом обратного диода 25, катодом обратного диода 26 и корпусом ванны 20 с электролитом, эмиттер транзистора 24 и анод обратного диода 26 соединены с минусовым выводом источника питания 1, токоподвод 19 для изделия соединен через датчик 8 тока со вторым выводом дросселя 6 реверсивного импульсного генератора тока 7, а датчик 9 напряжения подключен между токоподводом 19 для изделия и корпусом ванны 20 с электролитом.
6
5
Рассмотрим работу данного устройства при условиях и допущениях, принятых для устройства, приведенного на фиг. 1. Во время паузы перед анодным импульсом ток в дросселе 6 (фиг. 3) равен нулю, на конденсаторе металл-оксид-электролит есть небольшое положительное напряжение, транзистор 24 включен. Формирование анодного импульса тока начинается с включения транзистора 2 блоком 21 программируемого контроллера и происходит далее точно так же, как в схеме на фиг. 1. По окончании анодного импульса тока и разрядки конденсатора металл-оксид-электролит до нуля (момент t на фиг. 2) блок 21 программируемого контроллера (фиг. 3) выключает транзисторы 3, 24 и энергия, накопленная в дросселе 6, через обратный диод 26, корпус ванны 20 с электролитом, электролит, изделие, токоподвод 19, датчик 8 тока, обратный диод 4 возвращается в источник питания 1. При этом на конденсаторе металл-оксид-электролит останется небольшое отрицательное напряжение (на фиг. 2 это не показано). Во время бестоковой паузы между анодным и катодным режимом включается транзистор 23 (фиг. 3), подключая корпус ванны 20 с электролитом к плюсовому выводу источника питания 1. Формирование катодного импульса тока начинается с включения транзистора 3 блоком 21 программируемого контроллера. При достижении заданной величины катодного тока импульсный регулятор напряжения понижающего типа (транзистор 3, обратный диод 4, дроссель 6) начнет работать в режиме программно-управляемого импульсного генератора тока. По окончании катодного импульса тока, когда выключится транзистор 3 и ток в дросселе 6 упадет до запрограммированной величины (момент t на фиг. 2), включится транзистор 2 (фиг. 3) и в дросселе 6 начнет нарастать ток обратной полярности, разряжающий конденсатор металл-оксид-электролит. При достижении заданного уровня тока разряда конденсатора (300 А) блок 21 программируемого контроллера так регулирует время открытого состояния транзистора 2, чтобы ток дросселя 6 соответствовал заданному уровню тока разряда. В момент времени, когда измеряемое датчиком 9 напряжение упадет до нуля, блок 21 программируемого контроллера выключит транзисторы 2, 23 и энергия, накопленная в дросселе 6, через обратный диод 5, датчик 8 тока, токоподвод 19, изделие, электролит, корпус ванны 20 с электролитом и обратный диод 25 вернется в источник питания 1. При этом на конденсаторе металл-оксид-электролит останется небольшое положительное напряжение. На этом формирование катодного импульса завершается.
Технический результат упрощенного варианта устройства - уменьшение в 1,5 раза количества силовых транзисторов и диодов без уменьшения функциональных возможностей устройства, равномерная нагрузка на транзисторы и диоды реверсивного импульсного генератора тока. Недостатком данного устройства является остаточное напряжение на конденсаторе металл-оксид-электролит в конце анодного и катодного импульсов.
Данный недостаток убирается введением в схему устройства дополнительных защитных диодов 27, 28 (фиг. 4), причем защитный диод 27 анодом подключен к токоподводу 19 для изделия, катодом - к положительной клемме источника питания 1, защитный диод 28 катодом подключен к токоподводу 19 для изделия, анодом - к отрицательной клемме источника питания 1.
2
2
Предлагаемое устройство (фиг. 1) может быть разработано и изготовлено промышленно с использованием известных радиокомпонентов и устройств силовой электроники. Примем, что устройство для микродугового оксидирования можно отнести к оборудованию для промышленного применения, если оно позволяет получать качественные покрытия на изделиях из сплавов алюминия площадью не менее 1 м. При плотности тока 10 А/дм на поверхности оксидируемого изделия устройство должно формировать в анодно-катодном режиме импульсы тока до 1 кА при выходном напряжении до 700 В, емкости конденсатора металл-оксид-электролит 1000 мкФ и более при средней мощности 250 ÷ 500 кВт.
В качестве источника питания 1 (фиг. 1) можно использовать оборудование для метрополитена с трансформатором мощностью 630 кВт (например, ТСЗКУ-630/10) и выпрямителем В-МПЕД-1,6к-825 с мостовой параллельной 12-пульсной схемой выпрямления на выходное напряжение 825 В и средний ток 1,6 кА. Выпрямитель необходимо дополнить емкостным фильтром из высоковольтных пленочных конденсаторов, например TC33-407K1000B (Cn = 400 мкФ, Un = 1 кВ, ESR < 2,0 мОм, Irms max = 100 A, Ipeak = 4800 А) производства китайской фирмы TechCap.
В качестве транзисторных ключей можно использовать модули полумоста FF1200R12IE5P фирмы Infineon на ток 1200 А и напряжение 1200 В. Т.к. в инверторе тока 10 нет динамических потерь, максимальный ток анодных и катодных импульсов может быть 1200 А. Для получения тока 1200 А регулятор тока нужно выполнить многоканальным, например, четырехканальным с током в каждом канале до 300 А, работающем на частоте (10 - 25) кГц. Модуль полумоста FF1200R12IE5P имеет в своем составе датчик температуры, поэтому при перегреве модуля полумоста блок 21 программируемого микроконтроллера может понижать частоту переключений транзисторов в этом модуле.
В качестве основного датчика 8 тока можно использовать LF 1005-S, для каналов реверсивного импульсного регулятора тока можно использовать датчики тока LF305-S, в качестве датчика 9 напряжения можно использовать DVL 1000, все датчики производства фирмы LEM (Швейцария).
Дроссели 6 с индуктивностью около 1 мГн на ток 300 А могут быть выполнены на П-образных многозазорных сердечниках из тонкой холоднокатаной стали толщиной 50 - 80 мкм с катушками, включенными параллельно.
2
Таким образом, на основе предлагаемого изобретения можно разработать и изготовить простой и надежный источник питания для микродугового оксидирования изделий из металлов и сплавов с амплитудой анодных и катодных импульсов до 1,2 кА, выходным напряжением до 700 В, со средней мощностью до 550 кВт. Основные отличительные особенности такого источника питания - высокий КПД технологического процесса и возможность работы с металлами и сплавами, имеющими большую удельную емкость паразитного конденсатора металл-оксид-электролит (например, изделия из титана имеют удельную емкость паразитного конденсатора более 50 мкФ/дм).
По сравнению с прототипом мощность единичного устройства может быть увеличена в десятки раз.
Широкие функциональные возможности заявляемого устройства позволяют использовать его для обработки изделий из самых различных металлов и сплавов, а также сократить время процесса оксидирования и повысить качество получаемых оксидных покрытий.