Устройство для микродугового оксидирования металлов и сплавов

 

Изобретение относится к электрохимической обработке поверхности металлов и сплавов с целью получения оксидных покрытий. Сущность изобретения заключается в том, что предварительно в соответствии с требованиями к толщине покрытия определяют количество катодных силовых модулей в катодной группе и количество анодных модулей в анодной группе для получения необходимых максимальных значений катодных и анодных напряжений. В блоке циклирования режимов выставляется вид режима: анодный, катодный, анодно-катодный или пауза и время работы в каждом режиме. Затем за счет переключений в устройстве устанавливается необходимый режим работы, соответствующие электрические характеристики и производится обработка поверхности. 2 ил.

Изобретение относится к оборудованию для электрохимической обработки поверхности металлов и сплавов с целью получения оксидных покрытий для повышения коррозионной и износостойкости, теплостойкости, а также электроизоляционных и декоративных покрытий и может быть использовано в машиностроении, авиационной, химической радиоэлектронной промышленности и медицине.

Известно устройство микродугового оксидирования [1, стр. 87, рис. 5.4] Устройство имеет анодный и катодный каналы формирования рабочих импульсов тока, в каждом канале имеется сетевой регулятор напряжения, управляемый исполнительным двигателем, выход которого подключен к первичной обмотке трансформатора, вторичная обмотка которого через тиристор подключена к нагрузке, помещенной в электролитической ванне. Управление работой устройства осуществляется блоком управления, подключенным к исполнительным двигателям и тиристорам, контроль токов осуществляется при помощи амперметров. Данное устройство позволяет формировать в нагрузку анодные и катодные импульсы токов. Амплитуда выходного напряжения регулируется от 0 до 1000 В, длительность импульсов соответствует длительности полупериода сетевого напряжения, т.е. 10 мс.

К недостаткам устройства можно отнести ограниченное выходное напряжение, что не позволяет наносить на изделия покрытия большой толщины, так как толщина покрытия пропорционально зависит от величины напряжений прикладываемых рабочих импульсов [2] Большая длительность синусоидальных импульсов анодного и катодного токов приводит к значительной шероховатости покрытий, что ограничивает их применение. Использование в установке регуляторов напряжения и трансформаторов приводит к увеличению весогабаритов установки и снижению ее КПД.

За прототип выбрано устройство для микродугового оксидирования вентиляционных металлов и их сплавов [3] Устройство содержит источник питания с двумя клеммами, ванну для электролита, корпус которой соединен с первой клеммой источника питания, два токоподвода, три блока конденсаторов, два вентиля, блок циклирования режимов.

Устройство позволяет производить обработку поверхностей изделий в анодном, катодном, анодно-катодном режимах, устанавливать паузы между режимами, изменять отношение анодных и катодных токов, амплитуда напряжения анодных и катодных импульсов устанавливается дискретно и составляет 0,540 или 1080 В (в случае промышленной сети 380 Б, 50 Гц).

Недостатками устройства являются ограниченное выходное напряжение анодных и катодных импульсов, что не позволяет наносить покрытия большой толщины. Отсутствие возможности плавной регулировки амплитуды напряжения анодных и катодных импульсов не позволяет гибко управлять реализуемым устройством процессом. При смене режимов обработки одной и той же детали необходимо переключать ее с одного токопровода на другой токопровод, что ускоряет процесс обработки. Кроме того, данное устройство для микродугового оксидирования не позволяет одновременно обрабатывать две детали в одном и том же режиме. Наличие на корпусе ванны фазного напряжения затрудняет применение устройства в промышленных целях.

В основу изобретения положена задача разработать устройство микродугового оксидирования металлов и сплавов, позволяющее получать толстые покрытия с низкой шероховатостью для промышленных целей.

Задача решается тем, что устройство микродугового оксидирования содержит две клеммы для подключения к сети электропитания, ванну для электролита, корпус которой подключен к первой клемме, токоподвод для оксидируемой детали, первый и второй блоки конденсаторов, первый и второй вентили, блок циклирования режимов.

Новым является то, что оно дополнительно содержит систему управления входы которой подсоединены к выходу блока циклирования режимов, а также дополнительно снабжено первым, вторым, третьим и четвертым тиристорами; первая обкладка первого блока конденсаторов подключена к катоду первого тиристора и аноду первого вентиля, первые обкладки второго блока конденсаторов к аноду второго тиристора и к катоду второго вентиля, катод третьего тиристора соединен со второй обкладкой первого блока конденсаторов, анод четвертого тиристора соединен со второй обкладкой второго блока конденсаторов; первый вентиль, первый тиристор, первый блок конденсаторов и третий тиристор образуют катодный силовой модуль в котором катод первого вентиля является первым контактом, анод первого тиристора вторым контактом, управляющий электрод - третьим контактом, анод третьего тиристора четвертым контактом, управляющий электрод пятым контактом, катод шестым контактом, второй вентиль, второй тиристор, второй блок конденсаторов, четвертый тиристор образуют анодный силовой модуль, в котором анод второго вентиля является первым контактом, катод второго тиристора вторым контактом, управляющий электрод третьим контактом, катод четвертого тиристора четвертым контактом, управляющий электрод пятым контактом, анод шестым контактом, катодные силовые модули объединяются в катодную группу, анодные в анодную, число модулей в анодной и катодной группе может быть произвольным, при этом в каждой группе шестой контакт предыдущего, начиная с первого модуля, соединен со вторым контактом следующего за ним модуля и т.д. до завершающего модуля, шестой контакт которого соединен с первой клеммой, второй контакт первого модуля с токоподводом детали, первые контакты анодных и катодных силовых модулей соединены со второй клеммой, четвертые контакты с первой клеммой, третьи контакты катодных силовых модулей с первым выходом блока управления, пятые контакты со вторым выходом, третьи контакты анодных силовых модулей с третьим выходом, пятые контакты с четвертым выходом.

Последовательное соединение катодных и анодных силовых модулей позволяет формировать катодные импульсы максимальной амплитудой: U_к U_сетиn, где U_сети 310 В амплитудное значение сетевого напряжения 220 В, n количество катодных силовых модулей, и анодные импульсы максимальной амплитудой: U_а U_сетиm, где m количество анодных силовых модулей.

Таким образом, данное устройство позволяет формировать катодные импульсы и анодные импульсы не ограниченной по амплитуде напряжения величины, что позволяет получать оксидные покрытия большой толщины, так как толщина покрытия пропорционально зависит от величины напряжения прикладываемых рабочих импульсов [2] В устройстве накопление энергии для формирования катодных и анодных импульсов происходит в блоках конденсаторов, что исключает потребление энергии из сети в момент формирования импульсов, тем самым устройство имеет высокую помехозащищенность и позволяет формировать катодные и анодные импульсы малой длительности, что дает качество покрытий, так как увеличение шероховатости покрытий пропорционально зависит от длительности импульсов.

Использование сетевого напряжения 220 В с нулевым проводом позволяет заземлять корпус ванны, что дает возможность использовать устройство в промышленных целях.

На фиг. 1 представлена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит клеммы 1 и 2 для подключения к сети электропитания, ванну 3 для электролита 4, токоподвод для оксидируемой детали 5, полупроводниковый вентиль 6, блок конденсаторов 7, два тиристора 8 и 9, образующие первый катодный силовой модуль Ак₁ с контактами К₁, К₂, К₃, К ₄, К₅, К₆, модули объединены в катодную группу Ак₁-Ак_n; два тиристора 10, 11, блок конденсаторов 12, полупроводниковый вентиль 13 образуют анодный силовой модуль Аа₁ с контактами модули объединены в анодную группу Aa₁-Aa_m; четырехканальный блок циклирования режимов 14 и систему управления 15.

Корпус ванны 3 подключен к клемме 1, токоподвод оксидируемой детали 5 соединен с первым катодным силовым модулем Aк₁ через контакт К₂ и соединен с первым анодным силовым модулем через контакт К₂, контакты первых силовых модулей в анодной и катодной группе соединены с клеммой 2, а контакты последних Aкn Aam^-x силовых модулей в группах соединены с клеммой 1. Контакты К₆ и остальных силовых модулей (т.е. кроме последнего) соединены с контактами следующего за ним модуля. К₄ и соединены с клеммой 1, все контакты катодной группы К₃ катодной группы соединены с первым выходом системы управления 15, все контакты К₅ катодной группы со вторым выходом блока управления 15, все контакты анодной группы соединены с третьим выходом системы управления 15, а все контакты с четвертым выходом системы управления 15.

Блок циклирования режимов 14 задает режим работы устройства: анодный по первому каналу, катодный по второму каналу, анодно-катодный по третьему каналу, или пауза и ее длительность по четвертому каналу, и представляет собой реле времени с четырьмя независимыми каналами регулирования включения соответствующего режима в широком диапазоне времени. Система управления 15 формирует импульсы управления тиристорами 8 и 10 катодной и анодной группы в соответствии с режимом работы устройства; методом импульсно-фазового управления задает углы открытия тиристоров 9 и 11, что позволяет регулировать величину катодного напряжения в диапазоне от 0 до 310n В (где n количество катодных силовых модулей Aк) и анодного напряжения от 0 до 310m В (где m - количество анодных силовых модулей Aa) при питающем напряжении 220 В, 50 Гц.

Устройство работает следующим образом. Предварительно в соответствии с требованиями к толщине покрытия определяется количество катодных силовых модулей в катодной группе и количество анодных силовых модулей в анодной группе для получения необходимых максимальных катодных U_к и анодных U_а напряжений. Количество катодных силовых модулей определяется из выражения m U_к/310, количество анодных силовых модулей определяется из выражения m U_а/310.

Затем на блоке циклирования режимов 14 выставляется вид режима: анодный, катодный, анодно-катодный или пауза и время работы каждого. На каждом из блоков конденсаторов 7 и 12 устанавливают соответствующее значение емкости, C₁ пропорционально величине катодного тока I_к, C₂ - величина анодного тока I_а. На блоке управления 15 выставляют угол отпирания тиристоров 9 и 12 для регулирования величины катодного и анодного напряжений. После чего на клеммы 1 и 2 устройства подают переменное напряжение 220 В, 50 Гц (амплитудное значение 310 В), причем на клемму 1 подается "0" сети, а на клемму 2 фаза, что позволяет корпус ванны 3 заземлить.

Диаграмма работы устройства представлена на фиг. 2.

При работе устройства в анод-катодном режиме в начальный момент времени производится зарядка второго блока конденсаторов 12 по цепи: клемма 2 - контакт вентиль 13 блок конденсаторов 12 тиристор 11 контакт - клемма 1 в каждом анодном силовом модуле Aa анодной группы Aa₁ - Aa_m. При этом для получения максимального анодного напряжения система управления 15 выдает импульс управления на тиристор 11 в каждый силовой модуль Aa в момент времени "0", в результате чего идет зарядка второго блока конденсатора 12 в период времени от 0 до а до напряжения 310 В. Если при заданном количестве анодных силовых модулей m требуется пониженное анодное напряжение U_а, то второй блок конденсаторов 12 в каждом анодном силовой модуле необходимо зарядить до напряжения U_зар C₂ исходя из выражения U_зар. C₂ U_а/m. Величина напряжения U_зар.C₂ регулируется моментом отпирания тиристора 11 в период времени от a до b и может составлять от 310 до 0 В. После окончания заряда второго блока конденсаторов 12 в момент времени от b до c система управления 15 выдает импульс на отпирание тиристора 10 в каждом анодном модуле Aa анодной группы Aa₁-Aa_m, в результате чего происходит анодный разряд энергии запасенной во втором блоке конденсаторов 12 анодных силовых модулей Aa₁-Aa_m по цепи: ванна 3 контакт последнего в группе модуля Aa_m блок конденсаторов 12 тиристор 10 контакт затем по тем же элементам предыдущего анодного модуля по Aa₁ деталь 5 - электролит 4, при этом напряжение заряда каждого блока конденсаторов 12 суммируется, в результате чего анодное напряжение равно: U_а UС₂m.

В это же время в период от b до d идет зарядка первого блока конденсаторов 7 по цепи: клемма 1 контакт К₄ и тиристор 9 блок конденсаторов 7 вентиль 6 контакт К₁ клемма 2 в каждом катодном силовой модуле Ак катодной группы Ак₁ Ак_n, при этом система управления 15 выдает импульс управления тиристором 9. Процесс формирования катодного напряжения происходит аналогично формированию анодного напряжения в зависимости от количества катодных силовых модулей. Разряд катодного напряжения происходит в момент времени от d до e в результате подачи импульса управления системой управления 15 на тиристор 8 в каждый катодный силовой модуль Ак катодной группы Ак₁ Ак_n по цепи: деталь 5 контакт К₂ первого в группе модуля Ак₁ тиристор 8 блок конденсаторов 7 контакт К₆ затем по тем же элементам последующего катодного модуля по Ак_n ванны 3 электролит 4.

Таким образом, идут два процесса параллельно: зарядке одного блока конденсаторов соответствующей группы и разрядка другого блока конденсаторов соответствующей группы, заряженного в предшествующий период.

При работе устройства в чисто анодном режиме система управления 15 формирует импульсы управления только тиристорами 10, 11 анодной группы, при работе устройства в чисто катодном режиме система управления 15 формирует импульсы управления только тиристорами 8, 9 катодной группы, при работе устройства в режиме паузы система управления 15 импульсов управления тиристорами не выдает.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет формировать независимо друг от друга анодное и катодное напряжение большой величины, что дает возможность формировать толстые покрытия с низкой шероховатостью, кроме того, возможностью подключения ванны к заземляющему контуру позволяет использовать устройство в промышленных целях.

В настоящее время устройство может быть использовано для восстановления деталей на предприятиях текстильной и кабельной промышленности.

Формула изобретения

Устройство для микродугового оксидирования металлов и сплавов, содержащее две клеммы для подключения к сети электропитания, ванну для электролита, корпус которой подсоединен к первой клемме, токопровод для оксидируемой детали, первый и второй блоки конденсаторов, первой и второй вентили, блок циклирования режимов, отличающееся тем, что оно снабжено несколькими анодными и катодными силовыми модулями и системой управления, входы которой соединены с выходами блока циклирования режимов, при этом каждый силовой модуль состоит из блока конденсаторов, вентиля и двух тиристоров, при этом первая обкладка первого блока конденсаторов подключена к катоду первого тиристора и аноду первого вентиля, первая обкладка второго блока конденсаторов к аноду второго тиристора и катоду второго вентиля, катод третьего тиристора соединен с второй обкладкой первого блока конденсаторов, анод четвертого тиристора соединен с второй обкладкой первого блока конденсаторов, первый вентиль, первый тиристор, первый блок конденсаторов и третий тиристор образуют катодный силовой модуль, в котором катод первого вентиля является первым контактом, анод первого тиристора вторым контактом, управляющий электрод первого тиристора третьим контактом, анод третьего тиристора четвертым контактом, управляющий электрод третьего тиристора пятым контактом, катод третьего тиристора шестым контактом, второй вентиль, второй тиристор, второй блок конденсаторов и четвертый тиристор образуют анодный силовой модуль, в котором анод второго вентиля является первым контактом, катод второго тиристора вторым контактом, управляющий электрод второго тиристора третьим контактом, катод четвертого тиристора четвертым контактом, управляющий электрод четвертого тиристора - пятым контактом, анод четвертого тиристора шестым контактом, анодные силовые модули образуют анодную группу, катодные силовые модули образуют катодную группу, при этом в каждой группе шестой контакт предыдущего, начиная с первого модуля, соединен с вторым контактом следующего за ним модуля, кроме последнего в группе модуля, шестой контакт которого соединен с первой клеммой, вторые контакты первых модулей соединены с токоподводом для оксидируемой детали, первые контакты всех модулей соединены с второй клеммой, четвертые контакты - с первой клеммой, третьи контакты катодной группы соединены с первым выходом системы управления, пятые контакты с вторым выходом, третьи контакты анодной группы с третьим выходом, пятые контакты с четвертым выходом.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2

PC4A - Регистрация договора об уступке патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение

Прежний патентообладатель:Мамаев Анатолий Иванович

(73) Патентообладатель:Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Томский государственный университет"

Договор № РД0070212 зарегистрирован 22.09.2010

Извещение опубликовано: 10.11.2010        БИ: 31/2010

---