УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОДУГОВОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Полезная модель используется для формирования на поверхности металлов диэлектрических коррозионно-, износо- и теплостойких защитных и декоративных покрытий, применяемых в машино- и приборостроении, радиоэлектронной, авиационной, и других отраслях промышленности.
Известно устройство, состоящее из источника питания с двумя клеммами, последовательно соединенных батареи электрических конденсаторов, двух встречно-параллельно включенных тиристоров с системой импульсно-фазового управления и электролитной ванны с размещенной в ней обрабатываемой деталью, закрепленной на токоподводе, в котором микродуговое оксидирование вентильных металлов и сплавов осуществляется в электролите под воздействием импульсов переменного напряжения с регулируемыми фронтами, что позволяет управлять процессами зажигания микродугового разряда в ведомом нагрузкой режиме. (И.В.Суминов, А.В.Эпельфельд, В.Б.Людин, Б.Л.Крит, A.M.Борисов. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) - М.: ЭКОМЕТ, 2005, с.156-157).
k
а
Недостатком данного устройства является то, что микродуговое оксидирование может проводиться в анодно-катодном режиме только при равных значениях катодного и анодного токов (I=I) и отсутствует возможность обработки в однополярных анодном или катодном режимах. Это существенно ограничивает технологические возможности устройства, сужая круг обрабатываемых вентильных металлов и сплавов.
Ближайшим техническим решением является устройство для нанесения электролитических покрытий на поверхность металлов или сплавов, содержащее две входные клеммы для подсоединения внешнего источника электропитания, три электрических конденсатора, четыре тиристора, электролитную ванну для размещения в ней обрабатываемой детали четыре узла гальванической развязки цепей управления тиристорами, формирователь импульсов синхронизации и две системы импульсно-фазового управления тиристорами, которое обеспечивает проведение процесса в анодно-катодном режиме с регулируемым соотношением катодного и анодного токов (Патент на полезную модель РФ №90442, кл. C25D 11/02, 2010).
Недостатком известного устройства является то, что отсутствуют возможности микродугового модифицирования металлов и сплавов в анодно-катодном ведомом нагрузкой режиме с регулируемыми фронтами импульсов напряжения при любом соотношении катодного и анодного токов, включая однополярный анодный или катодный режимы. Это может существенно ухудшать качество модифицированных слоев, получаемых методом микродугового оксидирования.
Полезная модель направлена на повышение качества модифицированных слоев и расширение возможностей технологии микродугового оксидирования за счет использования мультирежимной обработки.
Указанный результат достигается тем, что устройство для микродугового модифицирования поверхности металлов и сплавов, содержащее источник питания с двумя клеммами, электролитную ванну, токоподвод для обрабатываемой детали, две батареи электрических конденсаторов, четыре тиристора с четырьмя узлами гальванической развязки цепей управления, снабжено тремя электрическими ключами и программно-аппаратной системой управления, причем первые обкладки батарей электрических конденсаторов подключены к первой клемме источника питания, ко второй обкладке первой батареи электрических конденсаторов подключены катод первого и анод второго тиристоров, а ко второй обкладке второй батареи электрических конденсаторов - катод третьего и анод четвертого тиристоров, анод первого и катод четвертого тиристоров подключены ко второй клемме источника питания и корпусу электролитной ванны, токоподвод для обрабатываемой детали подключен к катоду второго и аноду третьего тиристоров, к управляющим переходам четырех тиристоров подключены выходы четырех узлов гальванической развязки цепей управления, к входам которых подключены выходы программно-аппаратной системы управления, первый вход которой подключен ко второй обкладке первой батареи электрических конденсаторов, а второй вход - ко второй обкладке второй батареи электрических конденсаторов, между этими обкладками подключен первый электрический ключ, второй электрический ключ подключен между анодом и катодом второго тиристора, а третий электрический ключ - между анодом и катодом третьего тиристора.
На чертеже представлена функциональная электрическая схема устройства для микродугового модифицирования поверхности металлов и сплавов.
Устройство состоит из клемм 1 и 2 источника питания; батарей 3 и 17 электрических конденсаторов; тиристоров 4, 6, 13 и 18; программно-аппаратной системы 5 управления; узлов 7, 8, 14 и 16 гальванической развязки цепей управления; электрических ключей 9, 10 и 15; электролитной ванны 11 и токоподвода для обрабатываемой детали 12.
Устройство работает следующим образом.
В электролитную ванну 11 помещается закрепленная на токоподводе обрабатываемая деталь 12. К входным клеммам 1 и 2 подключается источник питания переменного тока промышленной частоты. В зависимости от требуемого режима микродугового модифицирования выполняется необходимая коммутация электрических ключей 9, 10 и 15, а в соответствии с требуемым алгоритмом программно-аппаратная система 5 управления формирует управляющие импульсы, поступающие на входы узлов 7, 8, 14 и 16 гальванической развязки цепей управления, а оттуда - на управляющие переходы тиристоров 4, 6, 13 и 18. Синхронизация программно-аппаратной системы 5 управления в процессе формирования сигналов управления тиристорами осуществляется от напряжений, прикладываемых между анодом и катодом каждого из тиристоров 4 и 18.
При замкнутых электрических ключах 10 и 15, разомкнутом электрическом ключе 9 и запертых тиристорах 4, 6, 13 и 18 обработка осуществляется в анодно-катодном режиме модифицирования при равенстве анодного и катодного токов. В этом режиме параметры электрических импульсов напряжения, прикладываемого между обрабатываемой деталью 12 и электролитной ванной 11, зависят от суммарной емкости батарей 3 и 17 электрических конденсаторов и параметров модифицированного слоя.
В течение первых секунд процесса на поверхности обрабатываемого металла или сплава формируется барьерная анодная оксидная пленка, обладающая униполярной проводимостью в системе металл-оксид-электролит, то есть при приложении положительного потенциала к электролиту, а значит - к анодной оксидной пленке, и отрицательного к металлу подложки - проводимость в системе высокая и наоборот.
Различная проводимость в системе влияет на распределение падений напряжения в последовательной цепи, состоящей из общей емкости батарей 3 и 17 электрических конденсаторов и электролитной ванны 11 с обрабатываемой деталью 12. При высокой проводимости ток, протекающий через эту последовательную цепь, приводит к относительно быстрому заряду батарей 3 и 17 электрических конденсаторов. При низкой проводимости в системе напряжение на батареях 3 и 17 электрических конденсаторов, накопленное в результате предшествующего заряда, складывается с напряжением источника питания, тем самым, повышая напряжение между обрабатываемой деталью 12 и электролитной ванной 11. Это напряжение вызывает электрический пробой анодной оксидной пленки и зажигание разряда в местах пробоя.
Если необходимо модифицировать деталь в ведомом нагрузкой режиме при изменяемом соотношении катодного и анодного токов, то с помощью тиристоров 4 и 18 производится шунтирование нагрузки, состоящей из обрабатываемой детали 12 и электролитной ванны 11. При этом для уменьшения катодного тока через нагрузку программно-аппаратная система 5 управления в заданные моменты действия катодных импульсов напряжения отпирает тиристор 4, а для уменьшения анодного тока - тиристор 18. При обработке в однополярном анодном режиме программно-аппаратная система 5 управления полностью открывает тиристор 4, а в однополярном катодном режиме открывается тиристор 18.
Регулирование напряжений на фронтах приложенных к нагрузке анодных и катодных импульсов осуществляется при полностью открытых тиристорах 4 и 18, замкнутом электрическом ключе 9 и разомкнутых электрических ключах 10 и 15. При превышении заданного значения анодного напряжения на фронте импульса программно-аппаратная система 5 управления отпирает тиристор 6, тем самым прикладывая импульс анодного напряжения к нагрузке. Аналогично, с помощью тиристора 13 осуществляется управление фронтом катодных импульсов напряжения на нагрузке.
Устройство также позволяет обеспечить анодно-катодный режим модифицирования с изменяемыми соотношениями катодного и анодного токов и продолжительности функционирования и отсутствия микродуговых разрядов в течение периода следования импульсов напряжения на нагрузке, то есть регулировать жесткость процесса. При работе в этом режиме электрический ключ 9 разомкнут, электрический ключ 10 или 15 замкнут при обеспечении соотношения катодного и анодного токов больше или меньше единицы соответственно.
Повышение соотношения катодного и анодного токов больше единицы обеспечивается тем, что в анодный (по отношению к обрабатываемой детали) полупериод выходного напряжения программно-аппаратная 5 система управления открывает тиристор 18, через который от источника питания заряжается батарея 17 электрических конденсаторов. При этом тиристор 13 заперт, и анодный ток через обрабатываемую деталь 12 определяется емкостью батареи 3 электрических конденсаторов. В катодный полупериод выходного напряжения ток через обрабатываемую деталь 12 определяется емкостью батареи 3 электрических конденсаторов, а после отпирания в заданный программно-аппаратной системой 5 управления момент времени тиристора 13 - суммой емкостей батарей 3 и 17 электрических конденсаторов. При этом в катодный полупериод электрический ключ 10 замкнут, тиристор 4 заперт, а момент отпирания тиристора 13 позволяет регулировать жесткость процесса модифицирования.
Снижение соотношения катодного и анодного токов меньше единицы обеспечивается тем, что в катодный полупериод выходного напряжения программно-аппаратная 5 система управления открывает тиристор 4, через который от источника питания заряжается батарея 3 электрических конденсаторов. При этом тиристор 6 заперт, и катодный ток через обрабатываемую деталь 12 определяется емкостью батареи 17 электрических конденсаторов. В анодный полупериод выходного напряжения ток через обрабатываемую деталь 12 определяется емкостью батареи 17 электрических конденсаторов, а после отпирания в заданный программно-аппаратной системой 5 управления момент времени тиристора 6 - суммой емкостей батарей 3 и 17 электрических конденсаторов. При этом в анодный полупериод электрический ключ 15 замкнут, тиристор 18 заперт, а момент отпирания тиристора 6 позволяет регулировать жесткость процесса модифицирования.
Таким образом, заявляемое устройство позволяет существенно повысить качество модифицированных слоев и расширить возможности технологии микродугового оксидирования за счет использования мультирежимной обработки, включающей модифицирование металлов и сплавов в анодно-катодном режиме, ведомом нагрузкой, с регулируемой жесткостью при любом соотношении катодного и анодного токов, в том числе в однополярных анодном или катодном режимах.