Введение к работе
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 Fe 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:
-
Оценить и исследовать электрические режимы и ТИТ для технологий МДО.
-
Обосновать электрические параметры ТИТ, параметры мониторинга и автоматизации технологического процесса.
-
Разработать функциональную и принципиальную электрические схемы силового преобразователя ТИТ, алгоритмы управления его силовыми полупроводниковыми ключами и обосновать выбор компонентов этого преобразователя.
-
Разработать функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ. Осуществить выбор и разработку аппаратных средств этой системы.
-
Предложить алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами. Составить специальное программное обеспечение, реализующее эти алгоритмы.
-
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 (000 «Стальные фильтрующие материалы», г. Москва), алюминиевых мембран датчиков давления, роликов расходомеров (000 «НПО «ТОМ») и др.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Результаты исследований существующих режимов и ТИТ, используе
мых в технологиях МДО.
-
Схема замещения электрической нагрузки ТИТ, применяемых при МДО.
-
Математическая модель тепловых процессов в электролитной ванне при МДО.
-
Обоснование параметров и технологических возможностей ТИТ для МДО.
-
Функциональная электрическая схема силового преобразователя ТИТ, алгоритм управления и обоснование выбора компонентов этого преобразователя.
-
Функциональные схемы системы мониторинга и управления ТИТ и ее разработанных аппаратных средств.
-
Алгоритмы функционирования ТИТ и управления его программируемыми аппаратными средствами.
-
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.
