автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.14, диссертация на тему:Разработка и исследование источника тока для микродугового оксидирования деталей приборов и оценка его технологических возможностей

На правах рукописи

005060039

ВИНОГРАДОВ Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ТОКА ДЛЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ И ОЦЕНКА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О МАЯ 2013

Москва-2013

005060039

Работа выполнена на кафедре «Технология обработки материалов потоками высоких энергии» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» (МАТИ).

Научный руководитель: Людин Валерий Борисович,

доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты: Дураджи Валентин Николаевич,

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Национальный исследо вател ьски й техноло гич ески й университет «МИСиС»

Козлов Дмитрий Александрович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

Ведущая организация: ОАО «Второй Московский

приборостроительный завод»

Защита состоится 24 июня 2013 г. в 16 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.110.01 в ФГБОУ ВПО «МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского» по адресу: 109240, г. Москва, ул. Берниковская набережная, д.14, строение 2, ауд. 602.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАТИ.

Автореферат разослан "22' мая 2013 г. ^

Ученый секретарь диссертационного Совета

к.т.н., профессор

Баранов П.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В приборостроении широко используются сплавы на основе алюминия, магния, титана, циркония и ряда других металлов, тонкие оксидные пленки на которых, сформированные электрохимическим путем, обладают вентильной (униполярной) электропроводностью в системе металл-оксид-электролит. Такие металлы и сплавы на их основе получили название вентильные. По сравнению с широко применяемыми сплавами на основе Ре и Си вентильные обладают гораздо меньшим удельным весом, что очень важно в аэрокосмической отрасли.

Для эффективной защиты от износа и коррозии деталей, изготавливаемых из вентильных сплавов, в последнее время все шире используется метод микродугового оксидирования (МДО), в результате чего осуществляется модификация их поверхности с формированием керамикоподобного защитного слоя. При МДО поверхность деталей подвергается обработке в электролитах (МДО-обработке) под воздействием микродуговых разрядов, формируемых специальными технологическими источниками тока (ТИТ). На физико-химические свойства модифицированной поверхности, наряду с составами обрабатываемого сплава и электролита, существенным образом влияют электрические параметры режима и продолжительность МДО-обработки.

Используемые в производственных условиях ТИТ, как правило, обеспечивают МДО-обработку в режимах переменного или постоянного токов, что существенно сужает возможности управления характеристиками модифицированного слоя обрабатываемой поверхности.

В связи с этим, разработка ТИТ, позволяющего осуществлять МДО-обработку большинства вентильных сплавов, используемых в приборостроении, является актуальной целью.

Степень разработанности темы. Развитие исследований в области МДО (или иначе плазменно-электролитической обработки) вентильных металлов началось в 70-х годах прошлого века. Большой вклад в современное развитие и практическое применение метода МДО внесли Г.А.Марков, П.С.Гордиенко, В.С.Руднев, И.В.Суминов, А.В.Эпельфельд, В.Н.Дураджи, П.Н.Белкин, А.Л.Ерохин, А.И.Мамаев, В.Б.Людин и др.

Объект исследования. Технологический источник тока, применяемый для модифицирования поверхности вентильных сплавов методом микродугового оксидирования.

Целью работы является обоснование параметров, разработка, исследование и оценка технологических возможностей источника тока для микродугового оксидирования деталей приборов.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Оценить и исследовать электрические режимы и ТИТ для технологий

МДО.

2. Обосновать электрические параметры ТИТ, параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса.

3. Разработать функциональную и принципиальную электрические схемы силового преобразователя ТИТ, алгоритмы управления его силовыми полупроводниковыми ключами и обосновать выбор компонентов этого преобразователя.

4. Разработать функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ. Осуществить выбор и разработку аппаратных средств этой системы.

5. Предложить алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами. Составить специальное программное обеспечение, реализующее эти алгоритмы.

6. Исследовать и внедрить разработанный ТИТ в технологические процессы МДО деталей приборов.

Методология и методы исследования. Для достижения поставленной цели были использованы методы системного анализа, анализа электрических цепей, математического моделирования, схемотехнического моделирования электронных устройств, экспериментальных исследований, статистической обработки данных, разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

- на основании исследований технологических режимов и электрической нагрузки ТИТ при МДО вентильных сплавов обоснованы параметры ТИТ, разработаны функциональная схема (патенты РФ 91576 и 100082) и алгоритм управления силовыми полупроводниковыми ключами (СПК) преобразователя ТИТ, которые позволили впервые полностью реализовать набор режимов МДО, требуемый для обработки деталей приборов, изготавливаемых из вентильных сплавов;

- разработана математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО, которая позволила обосновать выбор условий охлаждения этой ванны в соответствии с параметрами режима обработки и впервые предложить способ коррекции режима МДО по скорости роста температуры электролита;

- предложен алгоритм автоматизации процесса МДО, который позволил контролировать и автоматически корректировать ход выполнения режима обработки по совокупности технологических параметров, определяемых выработкой и температурой электролита, а также условиями функционирования микродугового разряда.

Теоретическую значимость работы составляют:

- классификация ТИТ, используемых в технологиях МДО;

- схема замещения электрической нагрузки ТИТ при МДО вентильных сплавов;

- математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне;

- алгоритм автоматизации технологического процесса;

- обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для МДО вентильных сплавов;

- функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления его СПК и обоснование выбора компонентов этого пре-

образователя

- функциональные схемы системы мониторинга и управления.

Практическую значимость работы составляют:

- принципиальная электрическая схема, расчетные соотношения и рекомендации по выбору компонентов силового преобразователя ТИТ;

- схемотехнические решения, алгоритмы и программное обеспечение системы мониторинга и управления ТИТ;

- результаты экспериментальной оценки технологических возможностей ТИТ и его внедрение.

Практическим итогом реализации результатов диссертационной работы является внедрение двух экземпляров разработанного технологического источника тока в НИР и учебный процесс кафедры «Технология обработки материалов потоками высоких энергии» «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского» и производственные процессы ООО «НПО «ТОМ» (г. Москва). С использованием этого ТИТ осуществлялась обработка высокопористых фильтрующих материалов из титановых волокон (ООО «Стальные фильтрующие материалы», г. Москва), алюминиевых мембран датчиков давления, роликов расходомеров (ООО «НПО «ТОМ») и др.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований существующих режимов и ТИТ, используемых в технологиях МДО.

2. Схема замещения электрической нагрузки ТИТ, применяемых при

МДО.

3. Математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО.

4. Обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для

МДО.

5. Функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления и обоснование выбора компонентов этого преобразователя.

6. Функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ и ее разработанных аппаратных средств.

7. Алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами.

8. Результаты экспериментальной оценки технологических возможностей

ТИТ.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными, патентами, результатами апробации разработанного ТИТ, а также сопоставлением полученных данных с известными проверенными результатами.

Личный вклад автора заключается в постановке и решении научных задач, разработке технических решений и участии в их реализации, анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на международных и российских конференциях: МАТИ ММНК «Гагаринские

чтения» 2007-2013 г.г., ВНТК «Новые материалы и технологии» 2007-2012 г.г., ВНТК «Быстрозакаленные материалы и покрытия» 2009-2012 г.г.; МЭИ (ТУ) МНТК «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2008-2012 г.г.; КГУ им. Н.А. Некрасова МНТК «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» 2010г.

Выполнение работы проводилось в рамках тематики госбюджетных и хоздоговорных НИР «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского» 2008-2012 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе два патента РФ и четыре статьи в журналах из списка ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературных источников из 131 наименования и 5 приложений. Материал диссертации изложен на 194 с. и содержит 93 рисунка и 10 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, отражены научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе проводится анализ состояния вопроса исследования, в ходе которого дается оценка технологических возможностей применения метода МДО в приборостроении для модифицирования рабочих поверхностей деталей приборов.

МДО-обработка деталей приборов проводится в основном в силикатно-щелочных, силикатно-фосфатных или силикатно-фосфатно-щелочных электролитах и осуществляется в анодном, анодно-катодном или комбинированном режимах.

Анодно-катодный режим может проводиться при равенстве анодного и катодного токов (переменный ток) или их различии (асимметричный ток). Кроме того, этот режим может проходить с различной "жесткостью", определяющей характеристики микродугового разряда (МДР). Так в "мягком" режиме обеспечивается естественное зажигание и гашение разряда, а в "жестком" - его принудительное зажигание и гашение. Комбинированный режим МДО может осуществляться в виде последовательных или циклических шагов анодного, катодного, анодно-катодного режимов и бестоковой паузы.

Для ускорения процесса зажигания разряда технологический процесс МДО предлагается проводить в переходном "мягко-жестко-мягком" анодно-катодном режиме. В этом режиме за счет наложения импульсов напряжения, характерных для "мягкого" и "жестко-мягкого" режимов МДО, обеспечивается ускоренное зажигание микродугового разряда, а затем по заданной амплитуде анодных импульсов осуществляется автоматический переход к "мягкому" режиму обработки.

Далее был проведен анализ схематики силовых цепей ТИТ и обеспечиваемых ими режимов, на основании которого предложена классификация ТИТ (рис. 1).

Технологические источники тока МДО

1 1

Тасснвные Активные

1 * 1 * 4

Конденсаторные Диоди* кандене*- Тнрмтпрмыг Тнрилорио-иин/денга г« рммс гнрмгфаыг Трмнипир-

т

I

I

11ос.млмм гельммй

1 I ПГГ переыенного ток«

Рис. 1. Классификация ТИТ, используемых при МДО

А ПОЛНЫЙ НЛН катодный 1 ; 1 ; I 1

Анодио-католиый Комбинированный |

1 1 1

Режимы МДО |

На основании предложенной классификации установлено, что требуемые для МДО вентильных сплавов, используемых в приборостроении, режимы можно реализовать с помощью комбинации нескольких активных тиристорно-конденсаторных ТИТ. Это позволяет выбрать такой тип источника для последующей разработки в диссертационной работе.

Вторая глава посвящена обоснованию параметров и технологических возможностей разрабатываемого технологического источника тока. В этой главе обоснована схема замещения электрической нагрузки при МДО, определены электрические параметры силового преобразователя и параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса.

На стадии анодирования процесса МДО для обоснования схемы замещения нагрузки использовалась модель ячейки Келлера. На стадиях искрения и существования микродуговых разрядов (МДР) была использована схема замещения, предложенная А.В.Эпельфельдом. Для стадии люминесценции предполагался переход между этими схемами. Результирующая схема замещения МДО-нагрузки представлена на рис. 2, а (Яэл - сопротивление электролита; С6 и Я^ - емкость и сопротивление барьерного слоя анодной оксидной пленки, ир, -"идеальный" стабилитрон, напряжение стабилизации которого соответствует напряжению зажигания разряда; Яр - дифференциальное сопротивление электрического разряда; Ук - "идеальный" вентиль).

При обосновании параметров силового преобразователя ТИТ учитывались только их предельные значения, что позволило упростить схему замещения нагрузки (рис. 2, б). По опубликованным данным напряжение зажигания разряда ир находится в диапазоне 100...550 В, а приведенное к одному квадратному дециметру обрабатываемой поверхности сопротивление нагрузки 11н - 0,8... 14 Ом.

В тиристорно-конденсаторных ТИТ регулирование выходного тока осуществляется, аналогично конденсаторным, за счет изменения емкости батареи конденсаторов С (рис. 3). Наибольший выходной ток при этом достигается в режиме короткого замыкания нагрузки.

Сб

Ин. Р

Рс

Уг

4

ч

?

Кн

б)

и»

ип ©

2хСг

и,

н

Ян!

иг

а)

Рис. 2. Полная (а) и упрощенная (б) схемы замещения МДО-нагрузки

Рис. 3. Эквивалентная схема силовых цепей в тиристорно-конденсаторном ТИТ при МДО в "мягком" анодно-катодном режиме: ип - напряжение питания, Сд - емкость демпфирующей цепи силового тиристора

В ходе дальнейшего анализа было установлено, что в тиристорно-конденсаторных ТИТ уменьшение выходного тока, вызываемое ростом сопротивления нагрузки в указанном выше диапазоне, может достигать 9 %, а ростом напряжения разряда - 50 %. Для компенсации этих влияний при нагрузках, близких к предельным, необходимо обеспечить запас (Кс) по полной емкости батареи конденсаторов в 1,2... 1,4 раза. Таким образом, полную емкость батареи конденсаторов (Сп, Ф) следует выбирать из условия:

Сп>К^н8Б-(2п/ип)'\ (1)

где 1н - наибольшая плотность тока через обрабатываемую поверхность, А/дм2; Бб - наибольшая площадь обрабатываемой поверхности, дм2; /- частота тока питания, Гц.

Наименьшая емкость батареи конденсаторов (СКм, Ф) ограничена допустимым снижением выходного напряжения ТИТ (КСн), вызванного влиянием емкости демпфирующих цепей тиристоров (Сд, Ф):

Сш>2Сд(к-1н-\) (2)

В работе был предложен способ стабилизации выходного тока ТИТ, заключающийся в коррекции подключенной емкости батареи конденсаторов через равные интервалы времени регулирования (ДО:

[С, «рм |А/| < А/д

'+л/ [С,+К,А1 при\Ы\>Ыд ' (3)

где С^ и С,+д, - емкости батареи конденсаторов соответственно в начале и конце интервала времени регулирования Д1, Ф; Д1 - усредненное на интервале времени регулирования рассогласование выходного тока, А; Д1д - порог нечувствительности регулятора к изменению выходного тока, А; К^ = Кф (2я Г Цп)"1- коэффициент пропорциональности, Ф/А; Кф — коэффициент формы тока.

Для выбора условий охлаждения электролита в соответствии с режимом МДО была разработана математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне. Температура электролита (0Э, °С) в этой модели определяется для этапов технологического процесса, на которых мощность электрического тока (Рп, Вт), протекающего через МДО-нагрузку, изменяется незначительно:

г. Л ( С.-р. с.-Х ^

0=0 +

0„+0„

V/VG.-X

1-

(4)

где ©н- температура электролита в начале этапа постоянной мощности, °С; ©0-температура охлаждающей воды на вводе в рубашку охлаждения электролитной ванны, °С; г|Т - доля тепловых потерь; с, и с, - удельные теплоемкости электролита и охлаждающей воды, Дж/(кг-°С); рэ и р„ - плотности электролита и воды, кг/м3; V, - объем электролита в ванне, м3; G„ - расход воды в рубашке охлаждения, м3/с; t - время, с.

Коэффициент эффективности теплопередачи от электролита в движущуюся воду (х) определяется выражением:

__¡К

Х = \-е у х (5)

где аэс, - удельная теплоотдача от электролита к стенке ванны, К/(Вт-м2); Хс -коэффициент теплопроводности стенки ванны, Вт/(м-К); асв - удельная теплоотдача от стенки ванны к охлаждающей воде, К/(Вт-м2); dc - толщина стенки ванны, м; / - смоченный электролитом периметр ванны, м; h3 - высота электролита в ванне, м.

Адекватность разработанной модели подтверждается результатами экспериментов (рис. 4, а).

В результате вычислительного эксперимента (рис. 4, б) с использованием модели (4) обоснован способ детектирования аномального роста температуры электролита в процессе МДО. Это событие детектируется по предельно допустимому значению приращения температуры электролита Д0д через интервалы времени Тк, отсчитываемые после достижения критического значения температуры электролита 0К. Для зависимостей, представленных на рис. 4, б, температура 0К должна превышать на 15 °С (0Кс) температуру воды (0О) на вводе в рубашку охлаждения, а приращение температуры электролита (Д©п) должно быть менее 7 °С за интервал контроля (Тк) 10 мин.

а) б)

Рис. 4. Экспериментальная оценка адекватности (а) модели (4) и результат вычислительного эксперимента (б) с использованием этой модели: ©м - наибольшая допустимая температура электролита

Далее в главе сформулированы задачи мониторинга и автоматизации и определена совокупность параметров технологического процесса МДО, подлежащих мониторингу. Для решения этих задач был разработан алгоритм (рис. 5), в котором предусмотрен контроль готовности к технологическому процессу, в ходе которого определяется выработка электролита (блок 2), сбои в работе вспомогательного оборудования (блок 3) или нарушения условий безопасной эксплуатации технологической установки (блок 4). При отсутствии таких событий устанавливается флаг готовности к технологическому процессу (блок 5) и ожидается старт процесса МДО (блок 6).

После старта процесса (блок 6) начинается выполнение технологического режима МДО (блок 7). При этом осуществляется контроль параметров безопасности (блок 8), состояния вспомогательного оборудования (блок 9), существования МДР (блок 10) и срыва детали (блок 11). При детектировании в подпрограммах контроля события, нарушающего проведение технологического процесса, устанавливается флаг прерывания и сбрасываются флаги готовности и старта процесса МДО. Тем самым технологический процесс прерывается (блок 13) до достижения готовности оборудования (блок 5) и последующего перезапуска (блок 6). Завершение технологического процесса (блок 15) осуществляется по флагу завершения (блок 14), который устанавливается в блоке 7 по истечению времени процесса.

Предложен способ детектирования события срыва детали с токоподвода в ходе процесса МДО по резкому росту электрического сопротивления системы металл-оксид-электролит (МОЭ) при ее катодной поляризации.

В третьей главе приводятся результаты разработки силового преобразователя ТИТ.

Начало

3

' Контроль состояния электролита

|

Контроль вспомогат. оборудования

4

Контроль параметров безопасности

Технологический режим

Контроль параметров безопасности

Контроль вспомогат. борудования

10-

Контроль МДР

11-

Контроль срыва детали

Конец

Рис. 5. Алгоритм автоматизации технологического процесса МДО

Для обеспечения требуемых режимов МДО был разработан силовой двухплечевой тиристорно-конденсаторный преобразователь (рис. 6) с изменяемой структурой (ТКИС; патенты РФ 91576 и 100082). Конденсатор С1, тиристоры У81 и УБ2 образуют плечо формирования выходных анодных импульсов, а С2, УБЗ и УБ4 - катодных импульсов. Силовые электромеханические ключи К1-КЗ обеспечивают изменение структуры (табл. 1) преобразователя, которая определяет тип формируемого ТИТ режима МДО-обработки.

Алгоритм (рис. 7) управления тиристорами, реализованный в системе мониторинга и управления (СМУ), изменяет последовательности формирования сигналов управления тиристорами в соответствии с выбранной структурой преобразователя. Согласно этому алгоритму после разрешения функционирова-

ния преобразователя (блок 2) проверяется необходимость управления тиристорами (блок 3). При невыполнении этих условий процесс управления тиристорами запрещен (блок 12). В противном случае, происходит циклическое исполнение последовательности подпрограмм в блоках 4-11. Подпрограмма "синхронизация" (блок 4 на рис. 7) обеспечивает синхронизацию процессов управления тиристорами сигналами, поступающими на СМУ от точек контроля напряжения (ДН1 ...ДН4 на рис. 6).

В подпрограмме "Интервал" (блок 5 на рис. 7) детектируются допустимые интервалы нахождения силовых тиристоров в открытом состоянии. В подпрограммах, представленных блоками 6-11 на рис. 7, формируются сигналы управления тиристорами в соответствии с выбранной структурой преобразователя. При разработке алгоритмов этих подпрограмм был проведен анализ функционирования тиристоров в рассматриваемых структурах.

На основании функциональной схемы была разработана принципиальная электрическая схема силового преобразователя ТИТ и с учетом обоснования, выполненного в главе 2, предложена методика выбора компонентов энергетических и защитных цепей этого преобразователя.

Четвертая глава посвящена разработке программно-аппаратной системы мониторинга и управления технологического источника тока.

Таблица 1

Структуры разработанного двухплечевого тиристорно-конденсаторного силового преобразователя (ТКИС)

№ п/п

К1 УБ1

Р р о

Д У

У д

ИТТ2 3 У

3 о

5 р С1

р О

У д

У о

У д

У

Примечания: 1. Если тип режима не указан, то это анодно-катодный режим асимметричного тока промышленной частоты;

2. Состояние электромеханических ключей: 3 - замкнутое, Р - разомкнутое;

3. Состояние тиристоров: О - отключен, Д - функционирует как диод, У - управляемый момент включения.

силового преобразователя сторами силового преобразователя

На функциональной схеме ТИТ (рис. 8) показаны узлы и блоки разработанной СМУ: программируемый логический контроллер (ГОЖ) А1, панель интерфейса оператора А2, блок управления тиристорами (БУТ) А4, контроллер А5 мониторинга электрических параметров (КМП) технологического процесса и блок А6 мониторинга неэлектрических параметров (БМП) технологического процесса. К СМУ подключены датчики положения (ДП) двери в ограждении электролитной ванны (В), напряжения и тока на входе (ДН1 и ДТ1) и выходе (ДН2 и ДТ2) ТИТ, температуры электролита (Дтр1), температуры воды на вводе (ДтрЗ) и сливе (Дтр2) рубашки охлаждения ванны и давления (ДД) в ней, расхода газа (ДР1 и ДР2) в вытяжке и барботере (Бр) соответственно. Для обмена данными, приема и передачи команд управления устройства Al, А4-А6 (рис. 8) интегрированы в информационную сеть по последовательному интерфейсу RS-485.

Для СМУ была выполнена разработка КМП и контроллера БУТ. В частности, предложены их функциональные схемы, разработан алгоритм функционирования КМП, в контроллере БУТ реализован алгоритм управления тиристорами (рис. 7). В этих разработках был использован быстродействующий 32-разрядный ARM-микроконтроллер ADUC7020 (Analog Device).

В ПЛК реализован алгоритм функционирования ТИТ (рис. 9), разработанный с учетом алгоритма автоматизации технологического процесса (рис. 5).

На основании разработанных в диссертационной работе алгоритмов со-

ставлены управляющие программы для ПЛК, КМП и контроллера БУТ. С целью организации интерфейса человек-машина для панели оператора разработаны 20 иерархически подчиненных интерфейсных экранов, один из которых представлен на рис. 10.

Сеть -

О—6—

ДН1ДИ

К внешним устройствам'

A3

Силовой преобразователь

ПЖ

Ж

ДН2ДХ2^

\

\ 1 А1 \ ! А4

БУТ

Ж

A5V V V V

Вытяжка

-о__Др^д (Ограждение

Р2

ДП

flTplI

° Ивр

кмэп tt

А6

м и у и \/ и

■ДТр?-

Зоэдух

Вода

БМНП

Информационная сеть RS-485

Панель оператора

А2

Система мониторинга и управления

Рис. 8. Функциональная схема ТИТ: Д - обрабатываемая деталь

В пятой главе приведены результаты экспериментальной оценки технологических возможностей и внедрения разработанного технологического источника тока.

Для экспериментальных исследований и внедрения ТИТ были изготовлены два экземпляра этого источника мощностью 100 кВА (рис. 11) и один -мощностью 25 кВА.

Для проведения апробации ТИТ в экспериментальных исследованиях была разработана методика, в которой предусмотрено формирование МДО-покрытий на образцах магниевого (МА5), циркониевого (Э110), алюминиевого (В95) и титанового (ВТ20) сплавов. Обработка осуществлялась в силикатно-щелочном, силикатно-фосфатном и силикатно-карбонатном-щелочном (СКЩ) электролитах. Эффективность технологических режимов МДО оценивалась по выходу объема покрытия по затраченному в ходе процесса количеству электричества (Р, мки-дм^А^-ч"1), а в случае аномального прекращения режима (угасание МДР, растравливание поверхности и др.) по предельному удельному количеству электричества (qn, А-ч/дм2).

В ходе исследований было установлено, что при МДО магниевого сплава МА5 управление параметрами "мягкого" анодно-катодного режима обработки позволяет наиболее полно регулировать характеристики формируемого покрытия (рис. 12).

Результаты исследований морфологии поверхности МДО-покрытий, сформированных на циркониевом сплаве Э110 в переходном "мягко-жестко-

мягком" анодно-катодном режиме обработки, показывают однородность и низкую открытую пористость этих покрытий (рис. 13).

Г | Отключение | )|реоора:юватеш

до-

Данные

Рис. 9. Алгоритм функционирования Рис. 11. Внешний вид ТИТ мощностью 100 ТИТ кВА

Готовность

Начало

г2| Г

Тестирование

3 *

Режим

Рис. 10. Интерфейсный экран "Технологический процесс"

^ 11араметры 1-го этапа

о_*_

включение Г 1рсобразовател)|

.11 *_

¡Управление | | тиристорами

г12 ^ -

| | Контроль ТП

,13 ,, ^-

I Корректир. режима

4 I I Прерывание

Была проведена экспериментальная оценка теплозащитных свойств МДО-покрытий на циркониевом сплаве Э110, в результате которой значения коэффициента теплопроводности исследованных МДО-покрытий составили 0,14...0,48 Вт/(м-К) при температурах 1000...1750 К, что примерно на два порядка величины меньше, чем у циркония (24 Вт/(м-К) при 1000 К). Таким образом, низкие значения коэффициента теплопроводности, а также стойкость структуры МДО-покрытий к высокотемпературным воздействиям позволяют говорить об их перспективности для использования в качестве теплозащитного слоя на цирконии.

Рис. 12. Влияние соотношения 1к/1а (а) и продолжительности процесса Т„ (б) на показатели эффективности Р и q„ "мягкого" анодно-катодного режима МДО (сплав МА5), сквозную пористость Пс и толщину h сформированного покрытия

а) б) в)

Рис. 13. Морфология поверхности МДО-покрытия на сплаве Э110 после 60 мин обработки в переходном "мягко-жестко-мягком" анодно-катодном режиме при напряжениях наложения анодных импульсов 0 (а), 400 (б) и 800 В (в)

В ходе исследований было также установлено, что для сплавов МА5, В95 и ВТ20 МДО-обработка в дополнительном к основному анодном режиме обеспечивает уменьшение сквозной пористости покрытий в 1,5...5 раз.

В 2010 г. ТИТ мощностью 100 кВА были внедрены в научно-исследовательский и учебный процессы кафедры «Технология обработки материалов потоками высоких энергий» «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского» и производственные процессы ООО НПО «ТОМ». За время эксплуатации этих ТИТ проявился лишь один отказ оборудования. С использованием разработанного ТИТ осуществлялась МДО-обработка алюминиевых мембран датчиков давления, роликов расходомеров (повышен в 1,8 раза ресурс работы), высокопористых фильтрующих материалов из титановых волокон и др.

По технологическим возможностям (табл. 2) разработанный ТИТ (ТКИС) превосходит все известные прототипы (табл. 1,2).

Таблица 2

Технологические возможности ТИТ

№ п/п Технологическая возможность К дтк ткпс ттк ТКПР ТКР ткис

Обеспечиваемый режим обработки:

1 анодный и катодный - + - + + + +

2 "мягкий" анодно-катодный + + + + + + +

3 "жестко-мягкий" анодно-катодный - + + + - + +

4 "мягко-жесткий" анодно-катодный - - - - + + +

5 "мягко-жестко-мягкий" анодно-катодный - - - + - - +

6 "жесткий" анодно-катодный + +

7 циклирование - + - - - + +

8 последовательный комбинированный +

Управление параметрами режима обработки:

9 напряжение фронтов импульсов - + + + - + +

10 напряжение спада импульсов - - - - + + +

11 напряжение наложения на фронтах импульсов - - - + - - +

12 напряжение наложения на спадах импульсов +

13 поддержание заданных напряжений - - - - - - +

14 среднее значение тока + + + + + + +

15 соотношение катодного и анодного токов - + - + + + +

16 кол-во шагов в последовательности циклирования - 4 2-16

17 кол-во этапов последовательного режима - - - - - - 2-7

18 временные параметры режима + + + + + + +

Возможности контроля и автоматизации ТП:

19 контроль безопасности проведения процесса + +

20 контроль выработки электролита + +

21 контроль температуры электролита + +

22 корректировка токового режима по температуре электролита и скорости ее роста - +

23 контроль срыва детали вместе с токоподводом + +

24 контроль срыва детали с токоподвода - +

25 контроль состояния МДР + +

26 контроль работы вспомогательного оборудования + +

27 поддержание технологической базы данных + +

Первым технологическим преимуществом разработанного ТИТ является реализация всех известных режимов МДО и возможность их комбинирования в ходе процесса. Вторым преимуществом является слежение за напряжением наложения импульсов в "мягко-жестко-мягком" анодно-катодном режиме. Это позволяет получать покрытия с управляемой общей и сквозной пористостью на "труднозажигаемых" сплавах. Еще одним преимуществом разработанного ТИТ является возможность коррекции токового режима МДО-обработки по температуре электролита и скорости ее роста, что позволяет проводить процесс без опасного перегрева электролита и длительных простоев оборудования, связанных с этим перегревом.

В заключении подведены основные итоги (выводы) диссертационной работы.

В приложениях приведена конструкция электролитной ванны объемом 1 м3, текст программы для расчета элементов силового преобразователя ТИТ, таблица подключения входных и выходных сигналов к ПЛК, диаграмма программы управления ПЛК и копии актов внедрения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Определен необходимый для МДО вентильных сплавов перечень режимов и выбран для его реализации тиристорно-конденсаторный тип разрабатываемого ТИТ. В этот перечень вошли анодный, анодно-катодный и комбинированный режимы. При этом, для анодно-катодного режима должна быть предусмотрена возможность его проведения в "мягком", "мягко-жестком", "жестко-мягком" и "жестком" подрежимах.

2. Предложено для ускорения зажигания МДР обрабатывать вентильные сплавы в переходном "мягко-жестко-мягком" анодно-катодном режиме МДО. В этом режиме обеспечивается зажигание электрического разряда за 1... 10 с, а затем по заданной амплитуде анодных импульсов напряжения осуществляется автоматический переход к "мягкому" режиму обработки с возможностью регулирования соотношения катодной и анодной составляющих тока через МДО-нагрузку.

3. Обоснована схема замещения МДО-нагрузки. При использовании этой схемы установлено, что в диапазоне рабочих плотностей тока влияние сопротивления МДО-нагрузки на выходной ток конденсаторных ТИТ не превышает 9 %, влияние же напряжения зажигания разряда может достигать 50 %. Предложен дискретный способ стабилизации выходного тока для тиристорно-конденсаторных ТИТ.

4. Разработана математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО, которая позволила обосновать в соответствии с параметрами режима обработки выбор условий охлаждения этой ванны. На основании исследований этой модели предложен способ коррекции режима обработки по скорости роста температуры электролита.

5. На основании экспериментальных исследований предложен способ детектирования события срыва детали с токоподвода. Обоснованы параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса и предложен ее алгоритм, который позволил контролировать и автоматически корректировать ход выполнения режима МДО-обработки по выработке и температуре электролита, условиям функционирования микродугового разряда и состоянию детали.

6. Разработана функциональная электрическая схема двухплечевого тири-сторно-конденсаторного силового преобразователя ТИТ с изменяемой структурой (патенты РФ 91576 и 100082), позволяющего обеспечить все необходимые режимы МДО-обработки. На основании функциональной электрической схемы разработана принципиальная электрическая схема, в которой объединены энергетические, измерительные и защитные цепи силового преобразователя. Кроме того, в этом преобразователе предусмотрена коммутация каждого силового конденсатора в любое из двух его плечей, что позволяет эффективно распределять нагрузку на силовые конденсаторы между этими плечами. Выполнен анализ функционирования тиристоров во всех структурах силового преобразователя, в результате которого разработан алгоритм управления этими тиристорами. Разработана методика выбора компонентов энергетических и защитных цепей силового преобразователя.

8. Разработана функциональная схема и обоснован состав системы мониторинга и управления ТИТ. Разработаны функциональные схемы контроллеров мониторинга электрических параметров и блока управления тиристорами. Разработан общий алгоритм функционирования ТИТ, на основании которого составлены управляющая программа программируемого логического контроллера, алгоритмы и программы, необходимые для функционирования контроллеров мониторинга электрических параметров и управления тиристорами.

7. В ходе экспериментальной оценки технологических возможностей подтверждена эффективность применения разработанного ТИТ на примерах МДО магниевого (МА5), алюминиевого (В95), титанового (ВТ20) и циркониевого (Э110) сплавов, используемых в приборостроении. Два экземпляра ТИТ внедрены в научно-производственные процессы. В частности, один из них применяется при МДО-обработке деталей приборов на кафедре «Технология обработки материалов потоками высоких энергий» «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского».

Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

I. Журналы из списка ВАК

1. Суминов, И.В. Программно-аппаратная система управления и мониторинга устано-

вок микродугового оксидирования /И.В. Суминов, В.Б. Людин, A.B. Эпельфельд, Б.Л. Крит, A.B. Виноградов, A.B. Желтухин // Приборы, №1, 2009. - С. 30-35

2. Суминов, И.В. Влияние температуры электролитов на характеристики МДО-покрытий, применяемых в приборостроении / И.В. Суминов, A.B. Эпельфельд, В.Б. Людин, A.B. Виноградов, Б.В. Владимиров, A.B. Желтухин // Приборы, №12, 2010.-С. 61-63.

3. Эпельфельд, A.B. Исследование характеристик МДО-покрытий на алюминиевом

сплаве В95, сформированных в силикатно-щелочном электролите с присадкой на-ночастиц диоксида циркония / A.B. Эпельфельд, A.B. Виноградов, A.B. Желтухин, Р.В. Желтухин // «Научные ведомости Белгородского государственного уни-

верситета», 2011, №5 - С. 177-179

4. Борисов, A.M. Исследование керамикоподобных оксидных покрытий на цирконии,

полученных при плазменном воздействии в электролитах / A.M. Борисов, В.Г. Востриков, A.B. Виноградов, Б.Л. Крит, Е.А. Романовский, М.Н. Полянский, С.В.Савушкина, Н.В. Ткаченко // Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, №4, 2013. С. 76-80.

II. Патенты

5. Патент 91576 РФ (C25D 11/02). Устройство для плазменно-электролитической об-

работки вентильных металлов и сплавов / Суминов И.В., Эпельфельд A.B., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M., Виноградов A.B., Сорокин В.А., Францкевич В.П., Сорокин И.В., Васин В.А., Невровский В.А., Сомов О.В. Опубл. в Бюл. № 5. 2010.

6. Патент 100082 РФ (C25D 11/02). Устройство для микродугового модифицирования

поверхности металлов и сплавов / Суминов И.В., Эпельфельд A.B., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов A.M., Виноградов A.B., Сорокин В.А., Францкевич В.П., Сорокин И.В., Васин В.А., Граменицкий М.Д., Костин С.И., Булеев М.И., Сомов О.В. Опубл. в Бюл. № 34. 2010.

III. Прочие работы

7. Людин, В.Б. Унифицированная секция тиристорного преобразователя напряжения

для технологий микродугового оксидирования / В.Б. Людин, A.B. Виноградов. // Труды 6-й Всероссийская научно-техническая конференция "Быстрозакаленные материалы и покрытия": сб. трудов. - М.: МАТИ, 2007 - С. 48-53.

8. Людин, В.Б. Унифицированный контроллер для систем управления тиристорными

преобразователями специальных электротехнологических установок АПК / В.Б. Людин, A.B. Виноградов // Вестник РГАЗУ. Науч. журнал №3(8). М.: РГАЗУ,

2007.-С. 175-177

9. Людин, В.Б. Универсальный технологический источник тока для микродугового

оксидирования / В.Б. Людин, A.B. Эпельфельд, A.B. Виноградов, A.B. Желтухин // НМТ-2008. Материалы Всероссийской научно-техн. конф. Т. 2. - М.: ИЦ МАТИ,

2008, С. 141-143.

10. Виноградов, A.B. Измерительный усилитель для систем мониторинга установок микродугового оксидирования / A.B. Виноградов // «XXXIV Гагаринские чтения»: Научные труды Международной молодежной научной конференции в 8 томах.- М.: МАТИ, 2008, Т.З. - С. 141-142.

11. Людин, В.Б. Управление наноструктурированием керамикоподобных покрытий при микродуговом оксидировании / В.Б. Людин, Эпельфельд A.B., Виноградов A.B., Желтухин A.B. // Быстрозакаленные материалы и покрытия. Труды 8-й Всероссийской с международным участием научно-технической конференции: сборник трудов М.: МАТИ, 2009. - С. 243-249.

12. Людин, В.Б. Управление процессом формирования наноструктур керамикоподобных покрытий в технологиях микродугового оксидирования / В.Б. Людин, A.B. Эпельфельд, A.B. Виноградов, A.B. Желтухин // Электрохимические и электро-литно-плазменные методы модификации металлических поверхностей: материалы III международной науч.-тех. конф. - Кострома, КГУ им. Н. А. Некрасова, 2010.-С. 255-260.

13. Виноградов, A.B. Алгоритм управления системы автоматизации МДО-процесса /

A.B. Виноградов, B.A. Эпельфельд, Д.Б. Чудинов // XXXVI ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды международной молодежной научной конференции в 8 томах. М.:МАТИ, 2010, т.З. - С. 98-100.

14. Виноградов, A.B. Исследование морфологии и фазового состава поверхности МДО-покрытий, сформированных в импульсном режиме на алюминиевом сплаве АМгб / A.B. Виноградов, C.B. Савушкина, Д.Б. Чудинов // Новые материалы и технологии - НМТ-2010 Материалы Всероссийской научно-технической конференции в 3 томах. Т 2. - М.: ИЦ МАТИ, 2010. - С. 111-112

15. Людин, В.Б. Алгоритм автоматизации конденсаторного технологического источника тока для микродугового оксидирования/ В.Б. Людин, В.А. Эпельфельд, A.B. Виноградов, А. В. Желтухин, Д. Б. Чудинов // Быстрозакаленные материалы и покрытия // Труды 9-й Всероссийской с международ, участием науч.-тех. конф. 30 ноября - 1 декабря 2010 г.. МАТИ: Сб. трудов. М.:МАТИ, 2010. - С. 162-166

16. Виноградов, A.B. Исследование характеристик МДО-покрытий на алюминиевом сплаве В95, сформированных в силикатно-щелочном электролите с присадкой на-ночастиц диоксида циркония / A.B. Виноградов, Р.В. Желтухин, A.B. Желтухин // XXXVII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды международной молодежной научной конференции в 8 томах. - М.'.МАТИ, 2011, т.З. - С. 122-124

17. Виноградов, A.B. Исследование свойств МДО-покрытий на литейном алюминиевом сплаве АК-12 / A.B. Виноградов, В.В. Мелихов, И.Д. Федичкин // XXXVII ГАГАРИНСКИЕ ЧТЕНИЯ. Научные труды международной молодежной научной конференции в 8 томах. - М.:МАТИ, 2011, т.З. - С.115-117

18. Виноградов, A.B. Микродуговое оксидирование циркониевого сплава Э110 / A.B. Виноградов // Быстрозакаленные материалы и покрытия. Труды 10-ой Юбилейной всероссийской с международным участием научно-технической конференции, 29-30 ноября 2011 г./ МАТИ: сб. трудов - М.: МАТИ, 2011. - С. 260-266.

19. Людин, В.Б. Микроконтроллерная система управления тиристорного регулятора напряжения / В.Б. Людин, М.М. Серов, A.B. Виноградов, Д.Б. Чудинов // Быстро-закаленные материалы и покрытия. Труды 10-ой Юбилейной всероссийской с международным участием научно-технической конференции, 29-30 ноября 2011 г. МАТИ: сб. трудов - М.: МАТИ, 2011. - С. 266-270

20. Виноградов, A.B. Особенности микродугового оксидирования сплава МА5 / A.B. Виноградов, В.Б. Людин, Д.Б. Чудинов // Новые материалы и технологии - НМТ-2012. Материалы Всероссийской научно-технической конференции - М.: МАТИ, 2012.-С. 240-241.

Подписано в печать: 15.05.2013г. Тираж: 150 экз. Заказ №90 Объем: 1 усл.п.л. Отпечатано в типографии «Реглет» г. Москва ул. Ленинский проспект, д.2 8(495)979-98-99, www.reglet.ru

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МАТИ - РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ К.Э. ЦИОЛКОВСКОГО»

На правах рукописи

04201358016

Виноградов Алексей Владимирович

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ТОКА ДЛЯ МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ ДЕТАЛЕЙ ПРИБОРОВ И ОЦЕНКА ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ВОЗМОЖНОСТЕЙ

Специальность 05.11.14 - Технология приборостроения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Людин Валерий Борисович

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ...........................................9

1.1. Применение микродугового оксидирования для модификации поверхности деталей приборостроения................................................9

1.2. Технология микродугового оксидирования........................................14

1.3. Источники тока для микродугового оксидирования.............................23

1.4. Выводы.....................................................................................33

2. ОБОСНОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ИСТОЧНИКА ТОКА...............................................34

2.1. Схема замещения электрической нагрузки.........................................34

2.2. Параметры силового преобразователя..............................................40

2.3. Параметры мониторинга и автоматизации

технологического процесса..............................................................47

2.4. Выводы.....................................................................................69

3. ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ ИСТОЧНИКА ТОКА..................................71

3.1. Функциональная и принципиальная схемы

силового преобразователя...............................................................71

3.2. Разработка алгоритма управления силовыми тиристорами преобразователя...........................................................................77

3.3. Методика выбора компонентов силового преобразователя....................92

3.4. Выводы.....................................................................................98

4. ПРОГРАММНО-АППАРАТНАЯ СИСТЕМА МОНИТОРИНГА И УПРАВЛЕНИЯ ИСТОЧНИКА ТОКА....................................................99

4.1. Аппаратные средства системы........................................................99

4.2. Алгоритм функционирования технологического

источника тока.............................................................................1

4.3. Программное обеспечение системы...............................................117

4.4. Выводы..................................................................................123

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ВОЗМОЖНОСТЕЙ И ВНЕДРЕНИЕ ИСТОЧНИКА ТОКА......................124

5.1. Конструкция технологического источника тока................................124

5.2. Методика экспериментальных исследований....................................129

5.3. Результаты экспериментальных исследований..................................132

5.4. Результаты внедрения технологического источника тока и его технологические возможности.......................................................148

5.5. Выводы..................................................................................152

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.................................................................................154

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................157

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ....................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. ЭЛЕКТРОЛИТНАЯ ВАННА УСТАНОВКИ

МИКРОДУГОВОГО ОКСИДИРОВАНИЯ

МОЩНОСТЬЮ 100 кВА.................................................................175

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. ПРОГРАММА РАСЧЕТА СИЛОВОГО

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ИСТОЧНИКА ТОКА.......................................................................176

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. ТАБЛИЦА ПОДКЛЮЧЕНИЯ ВХОДОВ-ВЫХОДОВ

ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА...................179

ПРИЛОЖЕНИЕ 4. ДИАГРАММА РЕЛЕЙНО-КОНТАКТНЫХ

СИМВОЛОВ ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ

ПРОГРАММИРУЕМОГО ЛОГИЧЕСКОГО КОНТРОЛЛЕРА...................181

ПРИЛОЖЕНИЕ 5. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ И ИСПЫТАНИЙ..........................191

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. В приборостроении широко используются сплавы на основе алюминия, магния, титана, циркония и ряда других металлов, тонкие оксидные пленки на которых, сформированные электрохимическим путем, обладают вентильной (униполярной) электропроводностью в системе металл-оксид-электролит. Такие металлы и сплавы на их основе получили название вентильные. По сравнению с широко применяемыми сплавами на основе Ре и Си вентильные обладают гораздо меньшим удельным весом, что очень важно в аэрокосмической отрасли.

Для эффективной защиты от износа и коррозии деталей, изготавливаемых из вентильных сплавов, в последнее время все шире используется метод микродугового оксидирования (МДО), в результате чего осуществляется модификация их поверхности с формированием керамикоподобного защитного слоя. При МДО поверхность деталей подвергается обработке в электролитах (МДО-обработке) под воздействием микродуговых разрядов, формируемых специальными технологическими источниками тока (ТИТ). На физико-химические свойства модифицированной поверхности, наряду с составами обрабатываемого сплава и электролита, существенным образом влияют электрические параметры режима и продолжительность МДО-обработки.

Используемые в производственных условиях ТИТ, как правило, обеспечивают МДО-обработку в режимах переменного или постоянного токов, что существенно сужает возможности управления характеристиками модифицированного слоя обрабатываемой поверхности.

В связи с этим, разработка ТИТ, позволяющего осуществлять МДО-обработку большинства вентильных сплавов, используемых в приборостроении, является актуальной целью.

Степень разработанности темы. Развитие исследований в области МДО

(или иначе плазменно-электролитической обработки) вентильных металлов началось в 70-х годах прошлого века. Большой вклад в современное развитие и практическое применение метода МДО внесли Г.А.Марков, П.С.Гордиенко, В.С.Руднев, И.В.Суминов, А.В.Эпельфельд, В.Н.Дураджи, П.Н.Белкин, А.Л.Ерохин, А.И.Мамаев, В.Б.Людин и др.

Объект исследования. Технологический источник тока, применяемый для модифицирования поверхности вентильных сплавов методом микродугового оксидирования.

Целью работы является обоснование параметров, разработка, исследование и оценка технологических возможностей источника тока для микродугового оксидирования деталей приборов.

Для достижения поставленной цели требовалось решить следующие основные задачи:

1. Оценить и исследовать электрические режимы и ТИТ для технологий

МДО.

2. Обосновать электрические параметры ТИТ, параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса.

3. Разработать функциональную и принципиальную электрические схемы силового преобразователя ТИТ, алгоритмы управления его силовыми полупроводниковыми ключами и обосновать выбор компонентов этого преобразователя.

4. Разработать функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ. Осуществить выбор и разработку аппаратных средств этой системы.

5. Предложить алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами. Составить специальное программное обеспечение, реализующее эти алгоритмы.

6. Исследовать и внедрить разработанный ТИТ в технологические процессы МДО деталей приборов.

Методология и методы исследования. Для достижения поставленной цели были использованы методы системного анализа, анализа электрических цепей, математического моделирования, схемотехнического моделирования электрон-

ных устройств, экспериментальных исследований, статистической обработки данных, разработки проблемно-ориентированного программного обеспечения.

Научная новизна работы:

- на основании исследований технологических режимов и электрической нагрузки ТИТ при МДО вентильных сплавов обоснованы параметры ТИТ, разработаны функциональная схема (патенты РФ 91576 и 100082) и алгоритм управления силовыми полупроводниковыми ключами (СПК) преобразователя ТИТ, которые позволили впервые полностью реализовать набор режимов МДО, требуемый для обработки деталей приборов, изготавливаемых из вентильных сплавов;

- разработана математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО, которая позволила обосновать выбор условий охлаждения этой ванны в соответствии с параметрами режима обработки и впервые предложить способ коррекции режима МДО по скорости роста температуры электролита;

- предложен алгоритм автоматизации процесса МДО, который позволил контролировать и автоматически корректировать ход выполнения режима обработки по совокупности технологических параметров, определяемых выработкой и температурой электролита, а также условиями функционирования микродугового разряда.

Теоретическую значимость работы составляют:

- классификация ТИТ, используемых в технологиях МДО;

- схема замещения электрической нагрузки ТИТ при МДО вентильных сплавов;

- математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне;

- алгоритм автоматизации технологического процесса;

- обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для МДО вентильных сплавов;

- функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления его СПК и обоснование выбора компонентов этого преобразователя

- функциональные схемы системы мониторинга и управления.

Практическую значимость работы составляют:

- принципиальная электрическая схема, расчетные соотношения и рекомендации по выбору компонентов силового преобразователя ТИТ;

- схемотехнические решения, алгоритмы и программное обеспечение системы мониторинга и управления ТИТ;

- результаты экспериментальной оценки технологических возможностей ТИТ и его внедрение.

Практическим итогом реализации результатов диссертационной работы является внедрение двух экземпляров разработанного технологического источника тока в НИР и учебный процессы кафедры «Технология обработки материалов потоками высоких энергии» «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского» и производственные процессы ООО «НПО «ТОМ» (г. Москва). С использованием этого ТИТ осуществлялась обработка высокопористых фильтрующих материалов из титановых волокон (ООО «Стальные фильтрующие материалы», г. Москва), алюминиевых мембран датчиков давления, роликов расходомеров (ООО «НПО «ТОМ») и др.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Результаты исследований существующих режимов и ТИТ, используемых в технологиях МДО.

2. Схема замещения электрической нагрузки ТИТ, применяемых при МДО.

3. Математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при

МДО.

4. Обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для

МДО.

5. Функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления и обоснование выбора компонентов этого преобразователя.

6. Функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ и ее разработанных аппаратных средств.

7. Алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами.

8. Результаты экспериментальной оценки технологических возможностей

ТИТ.

Достоверность полученных результатов подтверждена экспериментальными данными, патентами, результатами апробации разработанного ТИТ, а также сопоставлением полученных данных с известными проверенными результатами.

Личный вклад автора заключается в постановке и решении научных задач, разработке технических решений и участии в их реализации, анализе и обобщении полученных экспериментальных результатов.

Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались на международных и российских конференциях: «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского» «Гагаринские чтения» 2007-2013 г.г., «Новые материалы и технологии» 2007-2012 г.г. и «Быстрозакаленные материалы и покрытия» 2009-2012 г.г.; МЭИ (ТУ) «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» 2008-2012 г.г.; КГУ им. H.A. Некрасова «Электрохимические и электролитно-плазменные методы модификации металлических поверхностей» 2010г.

Выполнение работы проводилось в рамках тематики госбюджетных и хоздоговорных НИР «МАТИ - РГТУ им. К.Э. Циолковского» 2008-2012 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 30 работ, в том числе два патента РФ и четыре статьи в журналах из списка ВАК.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка сокращений и обозначений, списка литературных источников из 131 наименования и 5 приложений. Материал диссертации изложен на 194 с. и содержит 93 рисунка и 10 таблиц.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Применение микродугового оксидирования для модификации поверхности деталей приборостроения

При изготовлении деталей, используемых в приборостроении, широко применяются металлические материалы с высокой удельной прочностью, такие как литейные и деформируемые сплавы на основах Т1, А1, М^*, Ве. Применяются также сплавы с высокой тепловой стойкостью на основе Ъс. Эти сплавы по сравнению со сталями или медными сплавами имеют меньшую плотность и/или более высокую температуру плавления. Вместе с тем, износо- и коррозионная стойкость поверхностей деталей, изготовленных из сплавов с высокой удельной прочностью существенно ниже чем у аналогичных стальных деталей [1-6].

Обычно, для защиты от коррозии на поверхности сплавов А1, Т1, Ве, Ъс формируют тонкие оксидные покрытия или наносят на нее лакокрасочное покрытия, но у последних плохая адгезия с защищаемой поверхностью. Износостойкость поверхности повышают в 1,5-2 за счет формирования на ней толстых оксидных пленок методом анодирования в холодных электролитах [7-13].

Вместе с тем, в настоящее время расширяется применение метода модификации обрабатываемой металлической поверхности до керамикоподобного состояния - МДО. Модификация поверхности осуществляется в жидком электролите под воздействием разрядов электрического тока. Сформированный в результате МДО-обработки керамикоподобный слой обладает уникальными свойствами -по сравнению с материалом подложки коррозионная и износостойкость поверхности повышается в десятки раз, возрастают жаростойкость и конструкционная жесткость [14-20].

МДО обрабатывают преимущественно сплавы, обладающие ярко выраженными вентильными свойствами. На поверхности этих сплавов образуется анодная

оксидная пленка (АОП), электрическая электропроводность которой существенно различается при анодной и катодной поляризации системы подложка-пленка. Основой таких сплавов являются Ве, А1, Т\, Ъх, N1?, Та [14-21].

Характеристики и свойства МДО-покрытий, определяются их слоевой структурой и физико-механическими свойствами этих слоев: переходного (внутреннего), рабочего (промежуточного) и технологического (внешнего). Переходной слой обеспечивает высокую адгезию покрытия с металлом основы. Рабочий слой покрытия обладает наиболее высокой микротвердостыо и низкой пористостью и его наличие позволяет придать поверхности наибольшие износо- и коррозионную стойкости, наиболее существенно повысить конструкционную жесткость. Технологический слой не обладает высокими как у рабочего слоя физико-механическими характеристиками, но они существенно выше, чем у сплава основы [14,16,18,21,23].

Процесс формирования слоев в МДО-покрытии во многом зависит от энергетических затрат и толщины покрытия. Сначала формируется технологический слой. При толщинах покрытия более 10 мкм происходит его разделение и начинает образовываться переходной слой. Затем при толщинах покрытия выше 50 мкм начинает формироваться рабочий слой. Изменяя электрические режимы МДО-обработки, можно управлять процессами образования этих слоев [16,18,24-28].

Толстые МДО-покрытия в процессе формирования на 75-90% растут в глубь металла подложки и 10-25% наружу детали, что в большинстве случаев позволяет избежать последующей размерной обработки деталей [16,18].

В аэрокосмическом и электронном приборостроении МДО нашло применение для создания теплопроводящих диэлектрических подложек печатных плат, матированных диэлектрических слоев на радиаторах электронных приборов -дающих диффузное рассеяние и черных - поглощающих (до 96-98 % в диапазоне волн 370-600 нм) слоев, работающих в качестве абсорберов радиаторов [16,18].

Кроме того, в электронном приборостроении МДО-обработку применяют при формовке танталовых анодов электролитических конденсаторов, что позволяет увеличить их объемную удельную емкость в 2-5 раз при многократном сокра-

щении времени процесса [29].

В гироскопах аэрокосмического и морского назначения находят применение алюминиевые рамы, поверхность которых с целью упрочнения конструкции и защиты ее от коррозии подвергнута МДО-обработке [30].

В приборостроении военного назначения МДО используется для формирования на титановых корпусах оптических прицелов светопоглощающих коррози-онно-защитных покрытий [16,18,31].

В атомном приборостроении МДО-покрытия применяют для длительной защиты от коррозии, в том числе радиационной, деталей различных типов автономных радиоизотопных источников питания [16,18].

МДО применяется при изготовлении элементов всевозможных датчиков контрольно-измерительных приборов - циркониевых корп�