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

Изобретение относится к оборудованию для электролитической обработки поверхностей металлов и сплавов с целью получения оксидных покрытий.
Известно устройство для микродугового оксидирования металлов и сплавов (пат. РФ №2083731, опубл. 1997.07.10), содержащее две клеммы для подключения к сети электропитания, ванну для электролита, корпус которой подключен к первой клемме, токоподвод для оксидируемой детали, блок циклирования режимов, несколько анодных и катодных силовых модулей, объединенных в анодную и катодную группы, соответственно, и систему управления, входы которой подсоединены к выходу блока циклирования режимов. Известное устройство позволяет формировать и подавать на оксидируемую деталь катодные и анодные импульсы напряжения, превышающие по величине входное напряжение. Однако импульсы напряжения могут подаваться на оксидируемую деталь только с частотой входной питающей сети, причем они не могут одновременно регулироваться по амплитуде, по длительности, по форме (регулирование по форме импульса отсутствует), поскольку разряд конденсаторов происходит по экспоненте, а длительность разряда зависит от сопротивления нагрузки (параметров оксидируемой детали), которое может меняться в широких пределах, в том числе во время процесса оксидирования. Кроме того, известное устройство не обеспечивает формирования постоянного напряжения. Используемая в известном устройстве схема во избежание короткого замыкания фазы входной питающей сети при заземлении корпуса ванны требует строгого соответствия подключения одной клеммы к «нулю» входной питающей сети, а второй - к фазе входной питающей сети.
Известно устройство для микродугового оксидирования металлов и их сплавов (пат. РФ №2181392, опубл. 2001.04.20), снабженное управляющей машиной на базе персонального компьютера с периферийными цифроаналоговыми устройствами и содержащее ванну для электролита, три вентиля, токоподвод для оксидируемой детали, источник питания (с двумя клеммами), который содержит два повышающих трансформатора, микроконтроллер управления вентилями, датчик тока, датчик напряжения и датчик импульсов, блок питания периферийных устройств, при этом первая клемма источника питания заземлена и соединена через датчик импульсов с двумя повышающими трансформаторами, а вторая клемма источника питания соединена через датчик тока, три управляемых вентиля с двумя повышающими трансформаторами. Известное устройство обеспечивает формирование импульсов, превышающих по амплитуде входное напряжение. Однако известное устройство обеспечивает подачу на оксидируемую деталь импульсов только с частотой входного питающего напряжения, при этом оно не обеспечивает подачи постоянного напряжения, а только импульсное либо пульсирующее, в зависимости от угла открытия тиристоров, и не может устанавливать форму импульсов (или части импульсов), отличающуюся от формы сигнала, приходящего с вторичных обмоток трансформаторов. Кроме того, к недостаткам известного устройства следует отнести большие потери электрической мощности за счет использования низкочастотных повышающих трансформаторов вследствие их низкого коэффициента полезного действия (КПД); эти трансформаторы имеют также большие габариты и вес.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для микродугового оксидирования изделий из металлов и металлических сплавов (пат. РФ №2395631, опубл. 2010.07.27), содержащее источник питания, ванну с электролитом, в который помещается оксидируемое изделие, датчики тока и напряжения, входы которых соединены с оксидируемым изделием, два аналого-цифровых преобразователя напряжения и тока, тиристорный преобразователь напряжения, систему импульсно-фазового управления, силовой повышающий трансформатор, два выпрямителя, два фильтра, два импульсных преобразователя напряжения, блок драйверов, переключатель режимов работы, управляющую электронно-вычислительную машину на базе микропроцессора с периферийными аналого-цифровыми преобразователями, микроконтроллер управления, вторичный источник питания, пульты дистанционного и ручного управления. Известное устройство позволяет регулировать изменение частоты и напряжения технологических импульсов, подаваемых на оксидируемую деталь в анодном и катодном режимах, при этом амплитуда оксидирующих импульсов для анодного и катодного режимов задается единым контуром управления, включающим все блоки устройства от источника питания до оксидируемого изделия, частота импульсов оксидирования задается частотой переключения импульсных преобразователей напряжения, а тип режима (анодный или катодный) - положением переключателя режимов работы.
Известное устройство имеет следующие недостатки:
1) обеспечивается низкая частота импульсов напряжения, подаваемых на оксидируемое изделие, вследствие того, что на формируемой оксидной пленке при подаче напряжения накапливается электрический заряд, который при снятии напряжения уменьшается по экспоненте. Если в это время приложить к оксидируемому изделию напряжение другой полярности, то это приведет к появлению сквозных токов большой величины, что нарушает процесс формирования оксидной пленки, ухудшая ее свойства, а также может привести в неисправное состояние аппаратуру. Поэтому в режиме подачи серий одиночных или разнополярных импульсов необходимо увеличивать длительность периода следования оксидирующих импульсов;
2) большая длительность времени установки анодного и катодного напряжений, а также времени изменения формы и амплитуды импульсов напряжения, подаваемых на оксидируемое изделие в анодно-катодном режиме, вследствие того, что силовой повышающий трансформатор, тиристорный преобразователь со схемой импульсно-фазового управления, относящиеся к силовой части устройства, являются общими при формировании анодного и катодного напряжений, что не обеспечивает быстрого перехода от установленных значений напряжения одного режима к требуемым значениям напряжения другого режима (например, от минимального значения анодного напряжения к максимальному значению катодного напряжения);
3) низкий коэффициент полезного действия, значительные габариты и вес устройства, что обусловлено использованием низкочастотного силового повышающего трансформатора в случае использования устройства совместно с силовой промышленной электрической сетью, например с 3-фазной сетью 380 В 50 Гц;
4) ограниченная область применения устройства вследствие того, что используется только переменное входное силовое напряжение, поступающее на вход устройства от входного источника питания.
Вышеперечисленные недостатки ограничивают функциональные возможности устройства, обусловливают значительную продолжительность процесса нанесения покрытия, большие энергетические потери во время процесса оксидирования и ограниченную область применения устройства.
Задачей изобретения является создание устройства, обладающего более широкими функциональными возможностями с одновременным уменьшением его габаритов и веса и увеличением коэффициента полезного действия и расширением области применения.
Технический результат изобретения заключается в расширении функциональных возможностей устройства за счет повышения его быстродействия, которое определяется возможностью формирования более коротких импульсов, с большей частотой подаваемых на оксидируемое изделие, за счет сокращения времени установки анодного и катодного напряжений; в увеличении коэффициента полезного действия устройства и уменьшении его габаритов и веса, в снижении общих энергетических потерь в течение процесса оксидирования, а также в расширении области применения за счет возможности работы устройства от источников питания как переменного тока, так и постоянного.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для плазменно-электролитического оксидирования металлов и сплавов, содержащее 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, управляющую электронно-вычислительную машину, микроконтроллер управления, причем выход управляющей электронно-вычислительной машины подключен к первому входу микроконтроллера управления, выход первого выпрямителя подключен к входу первого фильтра, выход второго выпрямителя подключен к входу второго фильтра, первый вход первого импульсного преобразователя напряжения подключен к первому выходу блока драйверов, первый вход второго импульсного преобразователя напряжения подключен ко второму выходу блока драйверов, выход первого импульсного преобразователя напряжения подключен к первому входу переключателя режимов работы, ко второму входу которого подключен выход второго импульсного преобразователя напряжения, третий вход переключателя режимов работы подключен к третьему выходу блока драйверов, а выход переключателя режимов работы подключен к оксидируемому изделию, к входу датчика тока и к входу датчика напряжения, выход датчика напряжения подключен к входу аналого-цифрового преобразователя датчика напряжения, выход которого подключен ко второму входу микроконтроллера управления, выход датчика тока подключен к входу аналого-цифрового преобразователя датчика тока, выход которого подключен к третьему входу микроконтроллера управления, первый выход микроконтроллера управления подключен к входу блока драйверов, дополнительно содержит управляемый электронный разрядник, два измерителя напряжения, два высокочастотных силовых повышающих трансформатора, два регулятора напряжения, два коммутатора, два логических элемента «И», генератор высокочастотных сигналов, причем выход генератора высокочастотных сигналов подключен к первым входам первого и второго логических элементов «И», выходы которых подключены к первым входам соответственно первого и второго коммутаторов, вторые входы коммутаторов соединены вместе и подключены к источнику питания, выходы первого и второго коммутаторов подключены к входам соответственно первого и второго высоковольтных силовых повышающих трансформаторов, выходы которых подключены к входам соответственно первого и второго выпрямителей; при этом выходы первого и второго фильтров подключены к входам первого и второго измерителей напряжения и к первым входам соответственно первого и второго регуляторов напряжения, выходы которых подключены ко вторым входам импульсных преобразователей напряжения; выход переключателя режимов работы подключен к первому контакту электронного разрядника, второй контакт которого подключен к ванне с электролитом, а управляющий вход разрядника подключен ко второму выходу микроконтроллера управления, третий и четвертый выходы которого подключены соответственно ко вторым входам первого и второго регуляторов напряжения; пятый и шестой выходы микроконтроллера управления подключены ко вторым входам соответственно первого и второго логических элементов «И», четвертый и пятый входы микроконтроллера управления подключены к выходам соответственно первого и второго измерителей напряжения.
Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором показана функциональная схема устройства.
Устройство содержит источник питания 1, ванну 2 с электролитом 3 и оксидируемым изделием 4, выпрямители 5, 6, фильтры 7, 8, импульсные преобразователи напряжений 9, 10, блок драйверов 11, переключатель режимов работы 12, датчик тока 13 и датчик напряжения 14, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения 15, 16, микроконтроллер управления 17, управляющую электронно-вычислительной машину (ЭВМ) 18, высокочастотные силовые повышающие трансформаторы 19, 20, коммутаторы 21, 22, логические элементы «И» 23, 24, генератор высокочастотных сигналов 25, измерители напряжения 26, 27, регуляторы напряжения 28, 29, управляемый электронный разрядник 30, выполненный с возможностью параллельного подключения к оксидируемому изделию 4 при выключенном переключателе режимов работы 12.
Устройство имеет две раздельные схемы формирования анодного и катодного напряжений: к одной схеме (например, анодной) относятся коммутатор 21, логический элемент «И» 23, высокочастотный силовой повышающий трансформатор 19, выпрямитель 5, фильтр 7, измеритель напряжения 26, регулятор напряжения 28, импульсный преобразователь напряжения 9; к другой схеме (например, катодной) относятся коммутатор 22, логический элемент «И» 24, высокочастотный силовой повышающий трансформатор 20, выпрямитель 6, фильтр 8, измеритель напряжения 27, регулятор напряжения 29, импульсные преобразователь напряжения 10.
Устройство работает следующим образом.
Входное переменное (либо постоянное) напряжение от источника питания 1 поступает на вход схем, преобразующих входное напряжение в высокочастотное, а именно на коммутаторы 21, 22, которые стробируются высокочастотным сигналом, поступающим от логических элементов «И» 23, 24, на одни из входов которых непрерывно поступает высокочастотный сигнал от генератора высокочастотных сигналов 25, а на другие входы - сигналы управления от микроконтроллера управления 17. На выходе коммутаторов 21, 22 формируются пачки импульсов с высокочастотным заполнением и регулируемой длительностью, огибающими которых является входное напряжение. Высокочастотное напряжение поступает на входы высокочастотных силовых повышающих трансформаторов 19, 20, с выходов которых напряжение поступает на выпрямители 5, 6 и далее на фильтры 7, 8, обеспечивая на входах регуляторов напряжения 28, 29 прогнозируемое напряжение на заданный период времени для анодной и катодной составляющих процесса.
Напряжение с выходов фильтров 7, 8, измеренное измерителями напряжения 26, 27, поступает в микроконтроллер управления 17.
Регуляторы напряжения 28, 29, управляемые сигналами, поступающими от микроконтроллера управления 17, задают форму и амплитуду подаваемого на оксидируемое изделие напряжения (при постоянно включенных преобразователях напряжения 9, 10), регулируя форму участков формовочной характеристики, и/или каждого импульса (например, короткий фронт, плоская вершина и последующий спад, или плавно нарастающий фронт и короткий спад, или плавно нарастающий фронт и плавно нисходящий спад и т.п.), и/или пачки импульсов.
Импульсные преобразователи напряжения 9, 10, управляемые через блок драйверов 11 микроконтроллером управления 17, формируют сигналы, подаваемые на оксидируемое изделие 4 в виде отдельных импульсов, пачек импульсов, огибающая которых задается регуляторами напряжения 28, 29, а в постоянно включенном состоянии обеспечивают передачу напряжения, устанавливаемого на выходах регуляторов напряжения 28, 29, в том числе постоянного напряжения.
Регуляторы напряжения 28, 29 совместно с импульсными преобразователями напряжения 9, 10 обеспечивают формирование как импульсных, так и медленноменяющихся, в том числе постоянных, напряжений.
Переключатель режимов работы 12 подключает к оксидируемому изделию анодное или катодное напряжение, при этом обеспечивает установку заданных длительностей временных интервалов анодных или катодных напряжений, импульсов, пачек импульсов, подаваемых на оксидируемое изделие 4, или отключает любое напряжение от оксидируемого изделия 4 во время паузы или на время включения разрядника 30.
Датчик тока 13 и датчик напряжения 14 формируют сигналы, соответствующие значениям тока и напряжения, подаваемым на оксидируемое изделие 4, а аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения 15, 16 преобразуют эти сигналы в цифровой код и передают их в микроконтроллер управления 17.
Управляемый микроконтроллером управления 17 электронный разрядник 30 при отключенном переключателе 12 режимов работы подключается параллельно оксидируемому изделию 4, разряжая накопившийся на нем заряд и обеспечивая 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, обеспечивая расширение функциональных возможностей устройства и сокращение общего времени воздействия на оксидируемое изделие.
С помощью управляющей ЭВМ 18 задаются параметры режимов обработки оксидируемого изделия: униполярный или биполярный (анодно-катодный) режимы, значение и скорость изменения напряжения (или тока) для каждого режима в течение процесса оксидирования, форма импульсов и/или пачек импульсов напряжения (или тока), длительность импульсов и/или пачек импульсов оксидирования, продолжительность пауз в течение процесса и другие параметры.
Микроконтроллер управления 17 получает от управляющей ЭВМ 18 программу выполнения каждого конкретного процесса оксидирования, в том числе параметры формовочных характеристик как для анодного, так и для катодного режимов работы, осуществляет управление работой устройства в соответствии с полученной от управляющей ЭВМ 18 программой, выполняет измерение напряжения (тока) на оксидируемом изделии и контроль напряжения на выходах фильтров 7, 8 (на входах регуляторов напряжения 28, 29), передает в управляющую ЭВМ 18 параметры осуществляемого процесса оксидирования, результаты его выполнения и другую информацию.
При формировании как анодного, так и катодного напряжений задействованы два контура управления. К первому контуру управления относятся блоки: для одного режима (например, анодного) - коммутатор 21, логический элемент «И» 23, высокочастотный силовой повышающий трансформатор 19, выпрямитель 5, фильтр 7, измеритель напряжения 26 и микроконтроллер управления 17; для другого режима (например, катодного) - коммутатор 22, логический элемент «И» 24, высокочастотный силовой повышающий трансформатор 20, выпрямитель 6, фильтр 8, измеритель напряжения 27 и микроконтроллер управления 17.
Ко второму контуру управления относятся блоки: для одного режима (например, анодного) - регулятор напряжения 28, импульсный преобразователь напряжения 9, блок драйверов 11, переключатель режимов работы 12, датчик тока 13 и датчик напряжения 14, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения 15, 16, микроконтроллер управления 17 и управляемый электронный разрядник 30; для другого режима (например, катодного) - регулятор напряжения 29, импульсный преобразователь напряжения 10, блок драйверов 11, переключатель режимов работы 12, датчик тока 13, датчик напряжения 14, аналого-цифровые преобразователи тока и напряжения 15, 16, микроконтроллер управления 17 и управляемый электронный разрядник 30
При работе устройства каждая формовочная характеристика процесса плазменно-электролитического оксидирования разделяется на отдельные участки, например участок подъема напряжения до заданного значения, пауза, в течение которой напряжение, подаваемое на оксидируемое изделие, равно нулю, участок стабилизации тока в течение заданного времени и т.д. В свою очередь, каждый участок процесса оксидирования условно разбивается на миниучастки, для каждого из которых определяется максимальное напряжение, устанавливаемое на выходе фильтров 7, 8 первыми контурами управления. Напряжение на выходах указанных фильтров 7, 8 поддерживается первыми контурами управления таким, чтобы для данного миниучастка процесса оксидирования обеспечить подачу напряжения заданной величины на оксидируемое изделие с учетом падения напряжения на последующих элементах: регуляторе напряжения 28, импульсном преобразователе напряжения 9 и переключателе режима работы 12 - для одного режима (например, анодного); регуляторе напряжения 29, импульсном преобразователе напряжения 10 и переключателе режима работы 12 - для другого режима (например, катодного).
Применение упомянутых первых контуров управления позволяет обеспечить быстрый переход от установленных значений напряжения оксидирования одного режима к установленным значениям напряжения оксидирования другого режима, а также снизить потери рассеивания электрической мощности на элементах схемы (регуляторы напряжения 28, 29, высокочастотные силовые повышающие трансформаторы 19, 20) в процессе оксидирования и тем самым повысить коэффициент полезного действия устройства, что в конечном счете уменьшает расход электроэнергии в течение всего процесса оксидирования изделия.
Второй контур управления устанавливает частоту импульсов, форму, длительность и амплитуду каждого импульса или огибающей пачки импульсов напряжения (или тока) или форму и значение медленно меняющегося напряжения (или тока), подаваемого на оксидируемое изделие, что, в совокупности с применением электронного разрядника 30, повышает быстродействие устройства.
Применение высокочастотных силовых повышающих трансформаторов 19, 20 обеспечивает уменьшение габаритов и веса устройства и, в совокупности, с введением коммутаторов 21, 22, логических элементов «И» 23, 24, измерителей напряжения 26, 27, которые вместе с выпрямителями 5, 6, фильтрами 7, 8 и микроконтроллером управления 17 образуют упомянутые первые контуры управления с разделением участков формовочной характеристики на миниучастки, а также введение генератора высокочастотных сигналов 25 обеспечивают увеличение коэффициента полезного действия устройства (снижение потребляемой электроэнергии).
Заявляемое устройство промышленно применимо, так как при его изготовлении могут быть использованы широко распространенные устройства и компоненты, такие как:
- повышающие трансформаторы 19, 20 могут быть изготовлены на ферритовых тороидальных сердечниках или на тороидальных магнитопроводах «гаммамет», фирма ОАО «Гаммамет», Россия;
- коммутаторы 21, 22 могут быть изготовлены на модулях одиночного IGBT-ключа типа М9 АЛЕИ. 435744.031, фирма ЗАО «Электрум АВ», Россия;
- логические элементы «И» 23, 24 могут быть изготовлены на драйвере ДРБ280, фирма ЗАО «Электрум АВ», Россия;
- высокочастотный генератор 25 может быть выполнен на кварцевом генераторе ГК 154-П-Б, фирма НПФ «БМГ ПЛЮС», Россия;
- измерители напряжения 26, 27 - могут использоваться средства измерений с цифровым выходом, например мультиметр цифровой U1253B, фирма Agilent Technologies, США;
- регуляторы напряжения 28, 29 могут быть изготовлены на мощных высоковольтных биполярных транзисторах КТ8192; фирма ОАО «Особое конструкторское бюро «Искра», Россия;
- электронный разрядник 30 может быть выполнен на модуле одиночного IGBT-транзистора BSM100GB170DCL, фирма Infineon Technologies AG, ФРГ.
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.