Способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока в конденсаторной установке микродугового оксидирования Российский патент 2024 года по МПК C25D11/02 

Предлагаемый способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока относится к области гальванотехники, в частности, плазменно-электролитной обработки, и может быть использован для совершенствования конструкции конденсаторных установок микродугового оксидирования, что обеспечивает повышение гибкости управления технологическим процессом и способствует улучшению качества оксидных керамикоподобных покрытий на поверхности вентильных металлов и сплавов.

Известен способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока, суть которого заключается в том, что обработку деталей при микродуговом оксидировании ведут переменным асимметричным током в виде разнополярных импульсов частотой до 1 кГц, амплитудой до 1000 В, причем импульсы формируются в виде усеченных синусоид с передними фронтами крутизной более 10 В/мкс, который обеспечивает повышение технологичности процесса формирования покрытий при упрощении конструкции технологического оборудования [Патент RU 2073751 C1, опубл. 20.02.1997].

Недостатком известного способа является то, что амплитудное значение анодного импульса определяется напряжением питающей сети и остается постоянным. Это ограничивает возможности управления технологическим процессом нанесения покрытий.

Известен способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока с помощью устройства для плазменно-электролитической обработки вентильных металлов и сплавов, состоящего из источника питания с двумя клеммами, гальванической ванны с электролитом, в которой на двух токоподводах размещены обрабатываемые детали, двух диодов, трех батарей конденсаторов, блока управления режимами, в котором находятся три нормально разомкнутых электрических ключа, обеспечивающего широтно-импульсное управление емкостями батарей конденсаторов и этими ключами при независимом регулировании продолжительностей включения и паузы. Данное устройство позволяет проводить одновременную плазменно-электролитическую обработку двух деталей в одной ванне на асимметричных токовых режимах с неограниченным регулированием соотношения катодного и анодного токов. Устройство также позволяет реализовать циклирование различных режимов, при котором происходит автоматическое переключение электрических ключей и емкости конденсаторов от нуля до требуемого значения и обратно через определенные интервалы времени, что позволяет разрабатывать новые технологические процессы и улучшать качество покрытий за счет смягчения процесса в анодно-катодном режиме при работе на переменном соотношении катодного и анодного токов. Кроме того, устройство обеспечивает возможность обработки одной детали в анодном или катодном режиме при повышении максимального значения напряжения между деталью и гальванической ванной [Полезная модель RU 91576 U1, опубл. 20.02.2010].

Недостатком известного способа является то, что он предполагает только периодическую смену токовых режимов (в том числе при циклировании), причем параметры этих режимов задаются однократно перед началом оксидирования и не меняются до завершения этого процесса. Это ограничивает применение известного способа в тех случаях, когда требуется однократное или непериодическое изменение технологических параметров без прерывания процесса микродугового оксидирования, например, в научных исследованиях или при разработке новых технологических режимов формирования оксидных керамикоподобных покрытий на поверхности вентильных металлов и сплавов.

Известен способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока посредством устройства для электрохимического формирования керамикоподобных покрытий на поверхностях изделий из вентильных металлов, состоящего из источника питания с двумя клеммами, электролитной ванны с размещенным в ней обрабатываемым изделием, двух батарей электрических конденсаторов, шести тиристоров с шестью узлами гальванической развязки цепей управления и программно-аппаратной системы управления, который обеспечивает расширение возможностей технологии микродугового оксидирования за счет использования мультирежимной обработки, в том числе циклической. При этом изменение режима обработки может осуществляться по завершению каждого такта формирования импульсов управления, то есть в пределах от одного до трех периодов переменного напряжения источника питания. Устройство реализует импульсно-фазовое управление тиристорами, что позволяет плавно регулировать соотношение анодного и катодного токов, причем анодный и катодный токи изменяются от нуля до амплитудного значения, которое определяется емкостью батарей конденсаторов [Патент RU 2746192 C1, опубл. 08.04.2021].

Недостатком известного способа является то, что ему присущи только два предела амплитудного значения тока, которые определяются емкостью первой батареи конденсаторов и суммарной емкостью двух батарей конденсаторов, что снижает точность регулирования технологического тока.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является выбранный в качестве прототипа способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока, реализуемый устройством для микродугового оксидирования металлов и сплавов, состоящим из источника питания с двумя клеммами, ванны с электролитом, в которую помещен токоподвод для оксидируемой детали, блока циклирования режимов, системы управления и нескольких анодных и катодных силовых модулей, каждый из которых состоит из блока конденсаторов, вентиля и двух тиристоров, которое позволяет формировать катодные и анодные импульсы не ограниченной по амплитуде напряжения величины. При этом максимальная амплитуда анодного и катодного импульсов напряжения регулируется дискретно путем подключения необходимого количества анодных и катодных силовых модулей, а амплитуда напряжения каждого отдельного модуля регулируется плавно путем импульсно-фазового управления тиристорами [Патент RU 2083731 C1, опубл. 10.07.1997].

Недостатком прототипа является то, что параметры технологического режима оксидирования (амплитуда анодного и катодного напряжения, вид режима, длительность паузы, углы отпирания тиристоров) задаются однократно перед началом обработки и не меняются вплоть до ее окончания. Невозможность изменения тока оксидирования непосредственно во время нанесения покрытия без отключения источника питания ограничивает возможности управления процессом микродугового оксидирования, особенно при разработке новых технологических режимов.

Технический результат, достигаемый в изобретении, заключается в расширении возможностей управления конденсаторной установкой микродугового оксидирования путем реализации возможности изменения тока оксидирования непосредственно во время нанесения покрытия без отключения источника питания и гибкой регулировки соотношения анодного и катодного токов с помощью широтно-импульсной модуляции.

Технический результат достигается тем, что конденсаторная установка микродугового оксидирования, реализующая заявленный способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока, состоящая из источника питания с двумя клеммами, гальванической ячейки (ванны с электролитом, в которую помещен токоподвод для оксидируемой детали, являющийся анодом, и катод), блока управления и нескольких токоограничительных модулей, снабжена выпрямительным диодом, полевым транзистором с изолированным затвором n-типа, компаратором, мультивибратором и персональным компьютером, причем каждый токоограничительный модуль состоит из конденсатора, внутреннего компаратора, D-триггера и симисторного ключа, причем вторая клемма источника питания подключена к выводам 1 токоограничительных модулей, первая клемма источника питания подключена к катоду гальванической ячейки, аноду выпрямительного диода и инвертирующему входу компаратора, неинвертирующий вход компаратора подключен к истоку полевого транзистора, земле, аноду гальванической ячейки и к выводам 2 токоограничительных модулей, выход компаратора подключен ко входу мультивибратора, выход которого подключен к затвору полевого транзистора, анод выпрямительного диода подключен к стоку полевого транзистора, управляющие выводы 1, 2 … n-1 блока управления подключены к выводам 3 токоограничительных модулей, управляющий вывод n блока управления подключен к управляющему входу мультивибратора, вывод 1 каждого токоограничительного модуля подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу симисторного ключа и инвертирующему входу внутреннего компаратора, неинвертирующий вход которого заземлен, а выход подключен к входу синхронизации D-триггера, выход D-триггера подключен к управляющему входу симисторного ключа, второй вывод симисторного ключа подключен к выводу 2 токоограничительного модуля, вывод 3 токоограничительного модуля подключен к входу данных D-триггера, блок управления подключен к персональному компьютеру.

Существо способа регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока в конденсаторной установке микродугового оксидирования поясняется чертежами. На Фиг. 1 показана схема осуществления способа. На Фиг. 2 показаны временные диаграммы, поясняющие способ регулировки соотношения анодной и катодной составляющих тока.

Устройство, реализующее способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока в конденсаторной установке МДО, содержит клеммы 1 и 2, подключаемые к внешнему источнику питания с напряжением 380 В, гальваническую ячейку 3, состоящую из анода А и металлического катода К, выпрямительный диод 4, полевой транзистор 5 с изолированным затвором n-типа, компаратор 6, мультивибратор 7, блок управления 8, персональный компьютер 9, параллельно соединенные токоограничительные модули M1, M2…Mn. Токоограничительный модуль М1 содержит конденсатор 1.1, компаратор 1.2, D-триггер 1.3, симисторный ключ 1.4. Остальные токоограничительные модули имеют аналогичную структуру. Вход 3 каждого токоограничительного модуля M1, M2…Mn подключен к выходам 1, 2 … n регулирующего работу устройства блока управления 8, выход управляющего сигнала Uупр блока управления 8 подключен к входу мультивибратора 7.

Способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока в конденсаторной установке МДО осуществляется следующим образом. Регулировка силы тока осуществляется параллельно соединенными токоограничительными модулями M1, M2…Mn, на вход которых подается питающее напряжение с клемм 1 и 2, а на выходе формируется переменный сигнал технологического тока с удвоенным напряжением питания, прикладываемый между анодом А и катодом К гальванической ячейки, в результате чего на аноде формируется оксидное покрытие. Регулировка соотношения анодной и катодной составляющих тока осуществляется транзистором 5, который полностью или частично шунтирует отрицательный полупериод технологического тока. Управление каждым токоограничительным модулем и временем включения транзистора 5 осуществляется независимо при помощи выводов 1, 2 … n блока управления 8.

Каждый токоограничительный модуль работает следующим образом (на примере модуля M1). Конденсатор 1.1 заряжается отрицательным полупериодом технологического тока до амплитудного напряжения источника питания через симистор 1.4 и гальваническую ячейку, которая в этих условиях имеет низкую проводимость. В силу наличия вентильного эффекта, в положительный полупериод технологического тока гальваническая ячейка не проводит ток, в результате чего на ней падает удвоенное напряжение источника питания.

Регулировка силы тока осуществляется подключением к клеммам 1 и 2 источника питания одного или нескольких токоограничительных модулей. Во избежание переходных процессов, подключение токоограничительных модулей производится в момент равенства нулю напряжений на конденсаторах 1.1 … n.1 этих модулей. В момент достижения нулевого напряжения выходной сигнал компаратора 1.2 переключает вход синхронизации D-триггера 1.3. На выходе D-триггера 1.3 при этом устанавливается логический уровень, формируемый на входе данных D-триггера 1.3 блоком управления. Выходной сигнал D-триггера 1.3 управляет включением / выключением симистора 1.4.

Управляющий сигнал для переключения токоограничительных модулей представляет собой двоичный код, в котором каждый бит управляет переключением каждого отдельного модуля. При этом число комбинаций N возможных значений технологического тока определяется по формуле:

N = 2^k - 1,

где k - количество токоограничительных модулей.

Регулировка соотношения анодной и катодной составляющих тока осуществляется следующим образом. В положительный полупериод питающего напряжения транзистор 5 закрыт. При переходе питающего напряжения через ноль на выходе компаратора появляется сигнал, разрешающий работу мультивибратора 7, который формирует одиночный импульс напряжения регулируемой длительности, открывающий транзистор 5, который шунтирует часть отрицательного полупериода напряжения питания на время, равное длительности импульса. Длительность импульса, формируемого мультивибратором 7, пропорциональна величине управляющего напряжения Uупр, которое поступает на мультивибратор с блока управления 8 и задается при помощи широтно-импульсной модуляции.

Временные диаграммы, поясняющие способ регулировки соотношения анодной и катодной составляющих тока, показаны на Фиг. 2. При малой величине управляющего напряжения U1 транзистор открывается на малый промежуток времени dt1 и «вырезает» часть отрицательного полупериода питающего напряжения длительностью dt1 (Фиг. 2а). При увеличении управляющего напряжения U2 > U1 длительность открытого состояния транзистора dt2 > dt1, транзистор шунтирует большую часть отрицательного полупериода длительностью dt2, в результате чего средний ток за отрицательный полупериод уменьшается (Фиг. 2б).

Таким образом, заявленная совокупность существенных признаков, отраженная в независимом пункте формулы изобретения, обеспечивает достижение заявленного технического результата – расширения возможностей управления конденсаторной установкой микродугового оксидирования путем реализации возможности изменения тока оксидирования непосредственно во время нанесения покрытия без отключения источника питания и гибкой регулировки соотношения анодного и катодного токов с помощью широтно-импульсной модуляции.

Анализ заявленного технического решения на соответствие условиям патентоспособности показал, что указанные в формуле признаки являются существенными и взаимосвязаны между собой с образованием устойчивой совокупности необходимых признаков, неизвестной на дату приоритета из уровня техники и достаточной для получения требуемого синергетического (сверхсуммарного) технического результата.

Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:

- объект, воплощающий заявленное техническое решение при его осуществлении, предназначен для плазменно-электролитной обработки и может быть использован для совершенствования конструкции конденсаторных установок микродугового оксидирования, и может применяться в машино- и приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности;

- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;

- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.

Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна», «изобретательный уровень» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.

Источники информации

1. Патент RU 2073751 C1, опубл. 20.02.1997.

2. Полезная модель RU 91576 U1, опубл. 20.02.2010.

3. Патент RU 2746192 C1, опубл. 08.04.2021.

4. Патент RU 2083731 C1, опубл. 10.07.1997.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в машиностроении, приборостроении, авиационной, радиоэлектронной и других отраслях промышленности. Способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока в конденсаторной установке микродугового оксидирования, состоящей из источника питания с двумя клеммами, гальванической ячейки - ванны с электролитом, в которую помещен токоподвод для оксидируемой детали, являющийся анодом, и катод, блока управления, выпрямительного диода, полевого транзистора с изолированным затвором n-типа, компаратора, мультивибратора, персонального компьютера и нескольких токоограничительных модулей, каждый из которых состоит из конденсатора, внутреннего компаратора, D-триггера и симисторного ключа, при этом регулировка силы тока осуществляется путем переключения конденсаторов токоограничительных модулей дискретно в двоичном коде в момент перехода напряжения питания через ноль, а регулировка соотношения анодной и катодной составляющих тока производится шунтированием нагрузки с помощью транзистора, переключающегося в режиме широтно-импульсной модуляции. Технический результат - расширение возможностей управления конденсаторной установкой микродугового оксидирования путем реализации возможности изменения тока оксидирования непосредственно во время нанесения покрытия без отключения источника питания и гибкой регулировки соотношения анодного и катодного токов. 2 ил.

Способ регулировки силы тока и соотношения анодной и катодной составляющих тока в конденсаторной установке микродугового оксидирования, состоящей из источника питания с двумя клеммами, гальванической ячейки - ванны с электролитом, в которую помещен токоподвод для оксидируемой детали, являющийся анодом, и катод, блока управления, выпрямительного диода, полевого транзистора с изолированным затвором n-типа, компаратора, мультивибратора, персонального компьютера и нескольких токоограничительных модулей, каждый из которых состоит из конденсатора, внутреннего компаратора, D-триггера и симисторного ключа, причем вторая клемма источника питания подключена к первым выводам токоограничительных модулей, первая клемма источника питания подключена к катоду гальванической ячейки, аноду выпрямительного диода и инвертирующему входу компаратора, неинвертирующий вход компаратора подключен к истоку полевого транзистора, земле, аноду гальванической ячейки и ко вторым выводам токоограничительных модулей, выход компаратора подключен к входу мультивибратора, выход мультивибратора подключен к затвору полевого транзистора, анод выпрямительного диода подключен к стоку полевого транзистора, все, кроме одного, управляющие выводы блока управления подключены к третьим выводам токоограничительных модулей, последний управляющий вывод блока управления подключен к управляющему входу мультивибратора, первый вывод каждого токоограничительного модуля подключен к первому выводу конденсатора, второй вывод конденсатора подключен к первому выводу симисторного ключа и инвертирующему входу внутреннего компаратора, неинвертирующий вход которого заземлен, а выход подключен к входу синхронизации D-триггера, выход D-триггера подключен к управляющему входу симисторного ключа, второй вывод симисторного ключа подключен ко второму выводу токоограничивающего модуля, третий вывод токоограничивающего модуля подключен к входу данных D-триггера, блок управления подключен к персональному компьютеру, отличающийся тем, что позволяет реализовать возможность изменения тока оксидирования непосредственно во время нанесения покрытия без отключения источника питания, причем регулировка силы тока осуществляется путем переключения конденсаторов токоограничительных модулей дискретно в двоичном коде в момент перехода напряжения питания через ноль, а регулировка соотношения анодной и катодной составляющих тока производится шунтированием нагрузки с помощью транзистора, переключающегося в режиме широтно-импульсной модуляции.