Введение к работе
Актуальность работы. Разработка новых экологически чистых технологий нанесения высокоэффективных и надежных покрытий для защиты и упрочнения металлических изделий является сегодня одной из самых актуальных задач современной науки и техники. Это обусловлено агрессивностью применяемых технологических сред и жесткостью условий эксплуатации изделий, ведущих к повышению требований к конструкционным материалам. Одним из новых и перспективных видов поверхностной обработки и упрочнения, главным образом, металлических материалов является микроплазменное оксидирование (МПО). Метод МПО позволяет получать многофункциональные керамикоподобные, износостойкие, коррозионностой- кие, теплостойкие, электроизоляционные и декоративные покрытия с уникальным комплексом физико-химических свойств для применения в самых разных областях техники. Физико-химические параметры покрытий, полученных методом микроплазменного оксидирования, значительно превосходят параметры покрытий, сформированных методами классического анодирования, оксидирования и др.
Типовая установка для МПО включает специализированный источник тока и гальваническую ванну с электролитом (катод), в которую помещается деталь- заготовка (анод). В работах по технологии нанесения покрытий такой технологический источник обычно определяют как регулятор тока МПО-нагрузки. Процесс МПО инициируется подачей поляризационного напряжения от регулятора тока на клеммы гальванической ванны. Свойства формируемых покрытий зависят от двух основных факторов: компонентного состава электролита и электрического режима поляризации. Как правило, компонентный состав электролита влияет на химический состав покрытия и, тем самым, на его химические свойства (коррозионная устойчивость и др.). Электрический режим влияет на формирование физических свойств (твердость, пористость, шероховатость и др.), обусловленных характером и интенсивностью микроплазменных разрядов. Технология МПО на сегодняшний день достаточно хорошо изучена и находит широкое применение во многих областях науки и техники, однако теоретические представления о процессе недостаточно полны, нет аналитического подхода к прогнозированию свойств покрытий, не отработаны механизмы получения покрытий с заданными свойствами. В разное время над этой проблемой работали такие ученые, как А.М. Борисов, В.Н. Бориков, Б.Л. Крит, В.Б. Людин, И.В. Суминов, А.В. Эпельфельд.
Обзор известных электрических режимов процесса МПО и регуляторов тока для обеспечения процесса МПО показал, что существующие регуляторы тока имеют низкие функциональные возможности и узкий диапазон регулируемых параметров, что обусловлено использованием устаревшей элементной базы. Известные варианты реализации регуляторов тока не позволяют обеспечить требуемый широкий набор электрических режимов процесса МПО и, тем самым, сужают возможный набор свойств формируемых покрытий.
Одним из наиболее перспективных направлений развития метода МПО в настоящее время является разработка регуляторов тока, обеспечивающих широкий набор электрических режимов процесса МПО, позволяющих формировать покрытия с заданным набором физико-химических свойств. Такие режимы МПО требуют создания новых типов регуляторов тока на основе применения современной элементной базы силовой электроники и микропроцессорной техники.
Важнейшей задачей в области МПО является получение покрытий с заданными свойствами. Один из способов ее решения заключается в постоянном формировании базы данных свойств покрытий, которые включают наборы режимов проведенных процессов МПО при соответствующих составах электролитов. Используя эту базу и применяя методы интерполяции (экстраполяции) данных, можно получить значения свойств покрытий, что дает возможность обеспечивать покрытия с промежуточными свойствами.
Другой способ получения покрытий с заданными свойствами основан на непрерывном мониторинге параметров микроплазменной системы (величин активной и емкостной составляющих МПО-нагрузки). Установлено, что свойства покрытия непосредственно зависят от параметров микроплазменной системы. Следовательно, для получения покрытия с заданными свойствами необходимо своевременно остановить процесс МПО при достижении заданных величин параметров микроплазменной системы.
Предлагаемые в диссертационной работе регуляторы тока для устройств МПО могут стать одновременно как промышленными образцами, так и исследовательским инструментом для изучения процессов МПО и формирования базы данных свойств покрытий.
Таким образом, задача разработки новых специализированных регуляторов тока для устройств микроплазменного оксидирования, в которых реализованы необходимые функциональные возможности и алгоритмы управления, позволяющие получать МПО-покрытия с широким набором заданных физико-химических свойств, является актуальной, что и определило тему диссертационной работы.
Цель работы: развитие теории и практики создания регуляторов тока для микроплазменного оксидирования.
Методы исследований. Для решения поставленных задач были использованы методы математического анализа, методы теории электрических цепей, численные и аналитические методы решения систем линейных и нелинейных алгебраических уравнений, методы математического моделирования.
Научная новизна.
-
Предложенные структурные и схемотехнические решения регуляторов тока отличаются от известных тем, что обеспечивают биполярные импульсы тока с регулируемой величиной и скважностью, необходимые для проведения процесса МПО.
-
Разработанная методика определения характеристик импульсного регулятора тока, в отличие от известных, учитывает динамические характеристики используемой элементной базы силовых электронных ключей, компонентный состав электролита и площадь обрабатываемой детали.
-
Разработанный способ определения параметров микроплазменной системы в режиме реального времени процесса обработки отличается от известных тем, что учитывает различную форму и длительность фронта нарастания поляризующего напряжения и позволяет производить оценку толщины и пористости покрытия без их непосредственного измерения.
-
Принципы построения и алгоритмы функционирования цифровых систем управления регуляторами тока отличаются от известных тем, что учитывается характер и динамика изменения параметров МПО-нагрузки.
-
Комплексные математические модели регуляторов тока, в которых, вотли- чие от известных, интегрированы модель управляемого силового модуля, модель нагрузки и система управления процессом МПО.
Обоснование и достоверность результатов подтверждаются корректностью допущений, принимаемых при разработке расчетных схем и математических моделей, применением традиционных методологических принципов современной науки для их исследования, использованием метрологически-аттестованного оборудования для проведения экспериментов, приемлемой сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
-
-
Предложены структуры и схемотехнические решения для регуляторов тока устройств микроплазменного оксидирования, позволяющие обеспечить получение многофункциональных покрытий с заданными физико-химическими свойствами.
-
Разработаны методика, алгоритмы и программное обеспечение для определения параметров микроплазменной системы в режиме реального времени при реализации процесса МПО.
-
Предложены рекомендации к методике проектного расчета и выбору элементной базы модулей регуляторов тока.
-
По результатам исследований созданы опытные образцы устройств разных исполнений, используемые в лабораторных условиях для исследования режимов и свойств МПО-покрытий.
Реализация работы. Полученные результаты работы использованы: в НИИ «Электромеханика» ЮРГТУ(НПИ) и ООО НПП «Магнетик-Дон» при создании технологических регуляторов тока для устройств микроплазменного оксидирования, в ООО «Микроокс» и лаборатории кафедры ХТВСОФиКХ ЮРГТУ (НПИ) при исследовании и разработке технологий формирования многофункциональных покрытий методом МПО.
Положения, выносимые на защиту.
-
-
-
Структурные и схемотехнические решения регуляторов тока для МПО.
-
Методики определения характеристик источника тока для МПО с учетом параметров технологического процесса.
-
Комплексные математические модели регуляторов тока для анализа процесса МПО.
-
Практические рекомендации по созданию регуляторов тока для устройств МПО.
-
Методы определения параметров МПО-нагрузки.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых ученых Ростовской области «Студенческая научная весна»; на Всероссийской научно-технической конференции «Студенты, аспиранты и молодые ученые - малому наукоемкому бизнесу - «Ползуновские гранты»; на научных семинарах кафедры «Электрические и электронные аппараты» ЮРГТУ(НПИ).
Результаты исследований диссертационной работы были использованы при выполнении двух государственных контрактов под руководством соискателя: №П2135 - «Разработка устройства для микродугового оксидирования» от 5 ноября 2009 г. и №14.740.11.0538 - «Разработка источника питания устройства для микродугового оксидирования на основе транзисторного инверторного преобразователя с корректором коэффициента мощности» от 1 октября 2010 г., проводимых в рамках мероприятия 1.3.2 Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы».
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 печатных работ, в том числе: 5 работ в рецензируемых научных журналах из перечня ВАК и 3 тезиса докладов на международных и всероссийских научно-технических конференциях, получен 1 патент на изобретение, 1 патент на полезную модель и 2 свидетельства о регистрации программы.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 1 65 наименований и приложений. Общий объем работы 202 страницы, включая 28 страниц приложений и 123 иллюстрации.
Похожие диссертации на Импульсные регуляторы тока для микроплазменного оксидирования
-
-
-
