УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ЭЛЕКТРОЛИТИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ ВЕНТИЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ

Полезная модель используется для плазменно-электролитической обработки поверхности вентильных металлов и их сплавов с целью повышения коррозионной стойкости, износостойкости, теплостойкости, получения электроизоляционных и декоративных покрытий, и может применяться в машиностроении, авиационной, химической, радиоэлектронной промышленности и в медицине.
Известны устройства, в которых плазменно-электролитическая обработка вентильных металлов и сплавов осуществляется в анодно-катодном режиме при регулируемом отношении катодного тока к анодному (Анодно-катодные микродуговые методы нанесения защитных покрытий на элементы центробежных и штанговых насосов. Отчет НИР №01819012140. Институт неорганической химии СО АН СССР, с.46-48) и комбинации катодного и анодно-катодного режимов при равенстве анодного и катодного токов (Там же, с 48-51). Совместное использование этих устройств позволяет осуществлять плазменно-электролитическую обработку широкого спектра вентильных металлов и сплавов.
Недостатками известных устройств является то, что при регулировании соотношения токов существенная часть электрической энергии рассеивается на двух балластных резисторах. Кроме того, эти устройства не позволяют осуществлять плазменно-электролитическую обработку в анодном режиме. Данные недостатки существенно сужают пределы регулирования отношения катодного тока к анодному.
Ближайшим техническим решением является устройство для микродугового оксидирования вентильных металлов и сплавов (Авторское свидетельство СССР №1504292, кл. C25D 11/02, 1987). В этом устройстве две обрабатываемые детали закрепляют на токоподводах и помещают в две ванны с электролитом. Обработку этих деталей проводят в одинаковых анодно-катодных режимах при равенстве анодного и катодного токов.
Причем для повышения качества формируемых толстослойных покрытий ограничивается скорость нарастания фронта импульсов анодного тока.
Недостатком известного устройства является то, что обработка двух деталей проводится в отдельных ваннах исключительно в анодно-катодном режиме при равенстве анодного и катодного токов, причем, режимы обработки для этих деталей одинаковы. Это не позволяет формировать качественные многофункциональные покрытия на широком спектре вентильных металлов и сплавов и, следовательно, существенно сужает возможности плазменно-электролитической обработки.
Полезная модель направлена на расширение технологических возможностей плазменно-электролитической обработки вентильных металлов и сплавов.
Указанный технический результат достигается тем, что устройство для одновременной плазменно-электролитической обработки деталей из вентильных металлов и сплавов в одной ванне в разных режимах, содержащее источник питания с двумя клеммами, ванну для электролита, корпус которой соединен со второй клеммой источника питания, два диода, два токоподвода для обрабатываемых деталей и три батареи конденсаторов, первые обкладки которых соединены с первой клеммой источника питания, снабжено блоком управления режимами, в котором находятся три нормально разомкнутых электрических ключа, обеспечивающих широтно-импульсное управление емкостями батарей конденсаторов и этими ключами при независимом регулировании продолжительностей включения и паузы, причем токоподвод первой детали соединен со второй обкладкой первой батареи конденсаторов и катодом первого диода, токоподвод второй детали соединен со второй обкладкой третьей батареи конденсаторов и анодом второго диода, анод первого диода соединен с катодом второго диода и второй обкладкой второй батареи конденсаторов, первый электрический ключ блока управления режимами подключен между токоподводом первой детали и второй клеммой источника питания, второй ключ подключен между токоподводами первой и второй деталей, а третий ключ подключен между токоподводом второй детали и второй клеммой источника питания.
На чертеже изображена функциональная электрическая схема устройства для плазменно-электролитической обработки вентильных металлов и сплавов.
Устройство состоит из входных клемм 1 и 2, нормально разомкнутых электрических ключей 3, 9, 13, батарей электрических конденсаторов 4, 8, 11, токоподводов обрабатываемых деталей 5 и 12, полупроводниковых диодов 6 и 10, ванны 7 с электролитом и блока управления режимами 14.
Устройство работает следующим образом.
Устройство обеспечивает плазменно-электролитическую обработку деталей из вентильных металлов и сплавов в 8 режимах. Управление состоянием ключей 3, 9, 13 и выбор значений емкости батарей конденсаторов (далее конденсаторов) 4, 8 и 11 осуществляется в блоке управления режимами 14.
В режимах 1-5 ключи 3, 9 и 13 разомкнуты.
Режим 1. Емкости конденсаторов 4 и 11 блока равны, емкость конденсатора 8 равна нулю. Отношение катодного и анодного токов на обеих деталях 5 и 12 равна единице:
.
Режим реализует работу известного устройства в анодно-катодном режиме. Конденсатор 4 заряжается и разряжается через деталь 5, а конденсатор 11 - через деталь 12.
Токовый сдвиг на деталях 5 и 12 равен нулю.
Режим 2. Емкость конденсатора 4 больше емкости конденсатора 11, емкость конденсатора 8 равна нулю. Отношение катодного и анодного токов для детали 5 меньше единицы, а для детали 12 - больше единицы:
.
Конденсатор 11, как имеющий меньшую емкость, заряжается раньше конденсатора 4 и поэтому через деталь 12 заряжается как конденсатор 11, так и через диоды 6 и 10 конденсатор 4, а разряжается через деталь 12 только конденсатор 11 (конденсатору 4 разряжаться через деталь 12 не позволяют диоды 6 и 10). Конденсатор 4 разряжается через деталь 5, а заряжается через нее лишь частично. Токовый сдвиг ΔI на обеих деталях 5 и 12 по модулю одинаков и пропорционален разности емкостей конденсаторов 4 и 11.
Режим 3. Этот режим асимметричен второму режиму, т.е. емкость конденсатора 4 меньше емкости конденсатора 11, а емкость конденсатора 8 равна нулю:
.
Токовый сдвиг ΔI на обеих деталях 5 и 12 по модулю одинаков и пропорционален разности емкостей конденсаторов 11 и 4.
Режим 4. Емкости конденсаторов 4 и 11 одинаковы, емкость конденсатора 8 отлична от нуля. Отношение катодного и анодного токов на детали 5 меньше единицы, а на детали 12 - больше единицы:
.
Это происходит потому, что конденсатор 8 заряжается через деталь 12 и диод 10, и разряжается через диод 6 и деталь 5, а конденсаторы 4 и 11 заряжаются и разряжаются через соответствующие детали 5 и 12. Токовый сдвиг на обеих деталях 5 и 12 по модулю одинаков и пропорционален емкости конденсатора 8, т.е.
Таким образом, режимы 2, 3, 4 реализуют работу известного устройства на детали 12, однако без потерь энергии на разрядном резисторе.
Режим 5. Емкости конденсаторов 4 и 11 равны нулю, емкость конденсатора 8 отлична от нуля. Конденсатор 8 заряжается через деталь 12 и диод 10, а разряжается через диод 6 и деталь 5. Т.е. на детали 5 обеспечивается анодный режим, а на детали 12 - катодный
,
причем
Таким образом, соответствующим выбором емкостей конденсаторов 4, 8 и 11 можно без ограничений и потерь энергии регулировать отношение катодного и анодного токов на деталях 5 и 12. При этом в одной ванне осуществляется обработка сразу двух деталей на асимметричных токовых режимах, что вдвое сокращает время получения пары деталей или образцов с различными характеристиками.
Режим 6. Емкости конденсаторов 4 и 11 равны нулю, емкость конденсатора 8 отлична от нуля, ключ 13 замкнут, ключи 3 и 9 разомкнуты.
П
П
Выполняется обработка детали 5 в анодном режиме при максимальном значении напряжения, так как конденсатор 8 заряжается через диод 10 до значения напряжения, равного амплитудному значению напряжения между клеммами 1 и 2 (U). В режиме 5 конденсатор 8 заряжается до меньшего напряжения на величину падения напряжения на детали 12. В положительном полупериоде напряжение, накопленное на конденсаторе 8, складывается с напряжением питания, т.е. в режиме 6 максимальное анодное напряжение на детали 5 составляет двойное амплитудное напряжение U, а в режиме 5 это напряжение снижается на величину падения напряжения на детали 12.
Режим 7. Емкости конденсаторов 4 и 11 равны нулю, емкость конденсатора 8 отлична от нуля, ключ 3 замкнут, ключи 9 и 13 разомкнуты.
П
Деталь 12 обрабатывается в катодном режиме при максимальном значении напряжения, составляющего двойное амплитудное напряжение питания U устройства. Режим 7 реализует работу известного устройства в катодном режиме.
Режим 8 - циклирование. Циклирование режимов проводится с целью создания новых технологических процессов плазменно-электролитической обработки и смягчения этих процессов в анодно-катодном режиме, что позволяет предотвратить резонансное самовозбуждение дугового разряда при отношении
и затухание микродугового разряда при отношении
на конечных стадиях процесса. Если необходимо детали обрабатывать попеременно в режимах 4 и 1, то блок 14 управления режимами обеспечивает отключение ключей 3, 9, 13 и автоматическое переключение емкости конденсатора 8 от нуля до требуемого значения и обратно, через определенные интервалы времени из диапазона 0,1-100 с. В результате детали обрабатываются попеременно в анодно-катодном режимах при соотношениях токов для детали 5:
,
а для детали 12 - при соотношениях
Если необходимо поочередно обрабатывать деталь 5 в режимах 6 и 1, блок 14 управления режимами замыкает ключ 13 и циклически через интервалы времени 0,1-100 с переключает состояние ключа 9, что обеспечивает соотношение
токов
.
Если необходимо поочередно обрабатывать деталь 12 в режимах 7 и 1, блок 14 управления режимами замыкает ключ 3 и циклически через интервалы времени 0,1-100 с переключает состояние ключа 9, что обеспечивает соотношение токов
.
Последнее реализует в полном объеме работу известного устройства. Границы интервалов циклирования 0,1-100 с. Определены экспериментально как предельные: ниже 0,1 с система не успевает реагировать, выше 100 с - необратимо перестраивается.
Таким образом, рассмотренный набор режимов 1-8 полностью перекрывает работу известных устройств и значительно расширяет их возможности.
Данное устройство при простоте технического исполнения позволяет реализовать одновременную обработку двух деталей в одной ванне на асимметричных токовых режимах с неограниченным регулированием соотношения катодного и анодного токов без потерь энергии. При одинаковом времени обработки деталь, оксидируемая при отношении
имеет твердость выше, чем деталь, оксидируемая при соотношении
,
что позволяет в одном цикле получать пару трения с оптимальным соотношением твердостей ответных деталей.
При исследовании влияния соотношения токов на свойства покрытий данное устройство позволяет сократить трудоемкость и продолжительность эксперимента вдвое, так как исследуемые образцы можно покрывать парами на асимметричных токовых режимах.
Циклирование различных режимов позволяет разрабатывать новые технологические процессы и улучшать качество покрытий за счет смягчения процесса в анодно-катодном режиме при работе на переменном соотношении катодного и анодного токов.
Кроме того, возможна обработка одной детали в анодном или катодном режиме при повышении максимального значения напряжения, что также расширяет технологические и экспериментальные возможности устройства.