Установка для нанесения полимерных порошковых покрытий

Предлагаемая установка относится к технологии машиностроения, в частности для защиты металлических поверхностей от различных видов коррозии, а также для восстановления изношенных поверхностей металлических изделий.
Известно устройство для нанесения полимерных порошковых покрытий в электростатическом поле, содержащее корпус, разъемно соединенный с корпусом ствол с фланцем и накидной гайкой. Ствол выполнен полым и соединен с корпусом. К органу управления расходом и подачи сжатого газа присоединена трубка канала сжатого газа. Внутри ствола установлена токопроводящая трубка с каналом для порошкового потока. Одним концом токопроводящая трубка входит в сквозное отверстие корпуса, в котором она соединена с эластичной трубкой и контактирует с ответной частью электрического контакта заряжающего устройства. Другим концом трубка сопряжена с резьбовой частью токопроводящего штуцера, установленным через кольцеобразную полость в резьбовом отверстии ствола с возможностью присоединения токопроводящей трубки к эластичной трубке. В кольцеобразной полости ствола выполнена кольцеобразная выемка, образующая совместно с наружной поверхностью распылительной головки распределительную полость газового потока. (Патент RU 2163515, МПК В05В 5/00, опубликовано 27.02.2001).
Недостатком устройства является то, что при электроосаждении порошка на поверхность детали наступает момент, когда происходит заметное замедление или же вовсе прекращение осаждения частиц на подложку. Его результатом является резкое ухудшение качества осажденного слоя (локальные разрушения, снижение равнотолщинности, появление сквозных пор, кратеров и других дефектов). Характерной особенностью процесса электромасспереноса порошковых полимеров является ограничение толщины электроосажденного слоя, связанное с газоразрядными процессами в слое.
Известна установка для трибостатического напыления порошковых полимерных материалов, включающая порошковый питатель с двумя встроенными в него бункерами с четырьмя эжекторами и двумя мешалками-разрыхлителями, два трибостатических распылителя, выполненных в форме пистолета, панель с пневмооборудованием и блок включения, отличающаяся тем, что установка дополнительно содержит два трибостатических распылителя, а каждый трибостатический распылитель содержит корпус - полый цилиндр, смонтированный в нем электризатор для трибостатической зарядки порошка, быстросменное сопло и затыльник с каналом для порошково-воздушной смеси, выполненный с внутренней полостью в форме усеченного конуса, в которой расположена начальная часть электризатора, при этом электризатор выполнен в форме двух цилиндров, причем цилиндр меньшего диаметра посажен с натягом вовнутрь большего полого цилиндра, который посажен с натягом вовнутрь корпуса, а на внешних стенках обоих цилиндров нарезаны двухзаходные спиральные винтовые каналы для прохода воздушно-порошковой смеси, дополнительно в торце концевой части ствола выполнена параболическая выемка с резьбовым отверстием для быстросменного сопла в центре, образующая с торцами цилиндров электризатора и быстросменным соплом смесительную полость, а панель с пневмооборудованием выполнена с четырьмя независимыми системами пневмораспределения. (Патент RU 17015, МПК В05В 5/00, опубликовано 10.03.2001).
Недостатком устройства является то, что при электроосаждении порошка на поверхность детали наступает момент, когда происходит заметное замедление или же вовсе прекращение осаждения частиц на подложку. Его результатом является резкое ухудшение качества осажденного слоя (локальные разрушения, снижение равнотолщинности, появление сквозных пор, кратеров и других дефектов). Характерной особенностью является ограничение толщины электроосажденного слоя на детали. А также необходимость в оборудовании для подготовки и подачи сжатого воздуха, таких как компрессоры, оборудование для очистки воздуха, воздухоосушители с влагопоглотителем, регуляторы давления воздуха, что усложняет эксплуатацию и обслуживание установки.
Известно устройство для электростатического напыления полимерных покрытий. Устройство содержит рабочий резервуар с зарядной пластиной, наклонное вибрирующее дно, электромагнитный вибратор. Рабочий резервуар заслонкой разделен на две камеры: камеру напыления и камеру подпитки, камеры и между собой сообщаются посредством регулируемой щели, в камере напыления размещается заземленная деталь, в наклонном вибрирующем дне имеется окно. (Патент RU 47775, МПК В05В 5/00, опубликовано 10.09.2005). Данное устройство принято за прототип.
Недостатком данного устройства является ограничение толщины электроосажденного слоя на детали и то, что деталь с нанесенным порошковым слоем требует дальнейшего формирования окончательного покрытия. Это приводит к необходимости окончательного формирования покрытия путем дополнительного прогрева изделия с полимерным слоем в нагревательных устройствах, что ухудшает производительность процесса.
Задачей предлагаемой установки является улучшение качества наносимого покрытия.
Поставленная задача решается с помощью установки для нанесения полимерных порошковых покрытий, включающей высокочастотный генератор, пресс, высокопотенциальную верхнюю и низкопотенциальную нижнюю плиты, верхний высокопотенциальный электрод и нижний низкопотенциальный электрод, причем размещают соответственно верхний высокопотенциальный электрод под высокопотенциальной плитой, низкопотенциальный электрод над низкопотенциальной плитой, причем между электродами находится место для размещения детали, на которую наносится полимерное покрытие, для контроля за температурой наносимого полимера установлен амперметр с приводом, для предупреждения пробоя наносимого полимера установлен акустический датчик регистрации частичных разрядов, микропроцессорный контроллер установлен с возможностью обработки сигналов, полученных с амперметра и акустического датчика, а исполнительный механизм установлен с возможностью регулирования мощности высокочастотного генератора.
На фиг 1 показана схема установки для нанесения полимерного покрытия электротермическим нагревом в поле ВЧ, содержащая высокопотенциальную плиту 1, низкопотенциальную плиту 2, высокопотенциальный электрод 3, низкопотенциальный электрод 4 между которыми расположены наносимый полимерный материал 5 и обрабатываемое изделие 6, привод пресса 7, амперметр анодного тока 8, акустический датчик регистрации частичных разрядов ЧР 9, микропроцессорный контроллер МПК 10, высокочастотный генератор 11, кнопку «Пуск» 12, коаксиальную линию передачи ВЧ энергии 13, исполнительный механизм регулятора мощности ВЧ энергии 14.
Изготовление полимерного покрытия осуществляется с помощью установки следующим образом. Обрабатываемое изделие 6 с полимерным материалом 5 размещается в технологической оснастке, состоящей из низкопотенциального (заземленного) электрода 4 и высокопотенциального электрода 3. Оснастка в собранном виде с помещенными в нее деталями обрабатываемого изделия устанавливается на низкопотенциальной плите 2, электрически связанной с заземленным электродом 4. Включается механический привод пресса 7. При опускании высокопотенциальной плиты 1 усилие F привода пресса 7 передается высокопотенциальному электроду 3, обеспечивается надежный электрический контакт с электродом 3. Таким образом, представленная конструкция установки образует рабочий конденсатор. Развиваемое прессом усилие передается на обрабатываемое изделие с полимерным материалом. При этом электроды выполняются по конфигурации обрабатываемого изделия.
Цикл обработки начинается с нажатия кнопки 12 «Пуск». Включается режим «Нагрев» ВЧ генератора и запускается микропроцессорный контроллер МПК 10. После включения высокочастотного генератора ВЧ-энергия, текущая через коаксиальную линию передачи ВЧ энергии 13, и приходящая на высокопотенциальный электрод 3 с одной стороны и через заземленный низкопотенциальный электрод 4 с другой стороны, формирует высокочастотное поле, реализующее диэлектрический нагрев в рабочем конденсаторе, которое воздействует на полимерный материал 5. За счет диэлектрического нагрева происходит спекание наносимого полимерного материала 5 в слой, который образует покрытие необходимого назначения.
В предлагаемой полезной модели дополнительно включена система контроля за температурой плавления и предпробойным состоянием.
Принцип регулирования процесса высокочастотного воздействия на диэлектрические материалы показан в работе (Лившиц, А. В. Автоматизированное управление технологическими процессами высокочастотной электротермии полимеров: дис. док. тех. наук 05.13.06: защищена 2016 / Лившиц Александр Валерьевич. - Иркутск: 2016. - е. 112-116, с. 150-153.), где определена динамика изменения фазового состояния обрабатываемого материала в зависимости от показателей анодного тока высокочастотного генератора и режим регулирования предпробойного состояния с целью гарантированного предотвращения развития пробоя. Таким образом, по показаниям амперметра анодного тока, производится контроль фазового состояния полимера позволяющий производить разогрев полимерного материала до реальной температуры плавления, которая на практике отличается от расчетной и справочной и не является величиной постоянной для каждого конкретного случая. Температура плавления полимеров зависит от многих факторов. В нашем случае температура плавления наступает при достижении анодного тока первого минимума. По показаниям акустического датчика регистрации частичных разрядов ЧР производится контроль предпробойного состояния полимерного материала, определяется динамика возникновения частичных разрядов для предотвращения развития пробоя.
Контроль за температурой плавления и предпробойным состоянием осуществляется следующим образом. Микропроцессорный контроллер МПК 10 организует плавный выход на максимально возможную мощность ВЧ воздействия с помощью исполнительного механизма регулятора мощности 14 и поддерживает этот режим до конца технологической операции. Одновременно микропроцессорный контроллер МПК 10 производит процесс регистрации ЧР с помощью датчика регистрации ЧР 9 с оценкой их количества и определение времени межразрядных интервалов для распознавания предпробойного состояния и ликвидации пробоя. При превышении скорости появления ЧР выше критического значения микропроцессорный контроллер МПК 10 с помощью исполнительного механизма регулятора мощности 14 производит снижение мощности ВЧ воздействия. Если принятые меры не приводят к выходу из предпробойного состояния, микропроцессорный контроллер МПК 10 осуществляет аварийное отключение. Таким образом, обеспечивается выход на максимальную мощность с соблюдением условия недопущения электрического пробоя.
В процессе технологической операции микропроцессорный контроллер МПК 10 производит контроль анодного тока по амперметру 8 с целью вывода его значения на первый максимум, а затем вывод его значения на первый минимум, что соответствует достижению температуры плавления полимера. Микропроцессорный контроллер МПК 10 выполняет прекращение процесса при достижении температуры плавления полимера, которая является предельной в данном технологическом процессе.
Предлагаемая установка была проверена при нанесении полимера на поверхность металлических образцов из стали толщиной 2 мм. В качестве оборудования использовалась высокочастотная установка модели УЗП-2500. Использовали порошковый полиамид ПА-6 с дисперсностью 100 мкм. Формировались покрытия толщиной 300 мкм, 500 мкм, 1 мм, 2 мм. Покрытия образовывали равномерный сплошной слой без дефектов. Время воздействия варьировалось от 21 до 43 сек в зависимости от толщины покрытия. Обычно время формирования покрытия с нагревом в термокамере составляет 10-30 минут.
Использование предлагаемой установки позволило получить покрытия с равномерным сплошным слоем без дефектов с контролем за температурой плавления и предпробойным состоянием. Обеспечивается равномерность нагрева всего объема наносимого материала. Источники тепла находятся внутри наносимого материала, а не на его поверхности, как это имеет место при нагреве в термокамерах. Интенсивность ВЧ-волны во всем объеме наносимого материала постоянна, т.е. температура в каждой точке объема одинакова, что исключает перегрев наружных поверхностей. Время формирования покрытия по сравнению с нагревом в термокамерах сократилось в десятки раз.