CC BY
34
УДК 621.793.3, 621.357.77
АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ ЛАБОРАТОРНЫЙ СТЕНД ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ МДО-ПОКРЫТИЙ
П. Е. Голубков, О. В. Карпанин
AUTOMATIC LABORATORY STAND FOR OBTAINING AND RESEARCHING MAO-COATINGS
P. E. Golubkov, O. V. Karpanin
Аннотация. Актуальность и цели. В настоящее время многие предприниматели заинтересованы в размещении на своих заводах установок микродугового оксидирования, которые позволяют придать деталям из вентильных металлов и сплавов новые свойства. В связи с этим встает проблема обучения молодых специалистов работе на этом новом высокотехнологичном оборудовании. Цель данной работы - разработать автоматизированный лабораторный стенд для подготовки квалифицированных специалистов в области микродугового оксидирования. Материалы и методы. Для достижения поставленных целей были использованы методы проектирования и конструирования радиоэлектронной аппаратуры, а также программирования микроконтроллеров. Результаты. Разработан уникальный автоматизированный лабораторный стенд для микродугового оксидирования, позволяющий получать МДО-покрытия с заданными свойствами. Отличительной особенностью данного прибора является возможность управления процессом МДО непосредственно во время его протекания. Это достигается путем использования данных с измерительных преобразователей для корректировки работы оборудования. Выводы. Устройство может использоваться как вузами для проведения лабораторных работ, так и промышленными предприятиями для быстрой и точной отработки технологического процесса микродугового оксидирования, а также стоматологическими клиниками.
Ключевые слова: микродуговое оксидирование, автоматизированный лабораторный стенд, учебное оборудование.
Abstract. Background. At present many entrepreneurs are interested in placing mi-croarc oxidation devices, which allows them to give new properties to valve metal parts, at their plants. This raises the problem of studying young specialists to work on this new hightech equipment. The purpose of this article is to develop automatic laboratory stand to train qualified specialists in the field of microarc oxidation. Materials and methods. To achieve purposes methods of the design and construction of electronic equipment and programming of microcontrollers were used. Results. Unique automatic laboratory stand for microarc oxidation to obtain MAO-coatings with desired properties have been developed. A distinctive feature of this device is the ability to control the MAO-process during its flow. This achieves by means of using the measuring converters data to adjust equipment operations. Conclusions. The apparatus can be used both the Universities to carry out laboratory works and industrial companies to correct microarc oxidation technological process quickly and accurately.
Key words: microarc oxidation, automatic laboratory stand, educational equipment.
В настоящее время в промышленности существенно возрос интерес к такой перспективной технологии модификации поверхности металлов и сплавов, как микродуговое оксидирование (МДО). По микротвердости (21 ГПа), корро-
зионной стойкости (2000 ч) и толщине получаемых покрытий (до 200 мкм) технология МДО превосходит такие методы модификации металлов и сплавов, как анодирование и электрохимическое оксидирование (включая перспективное высоковольтное) [1]. Вследствие этого МДО-покрытия находят применение во многих отраслях промышленности - от автомобиле- и самолетостроения, ракетно-космической промышленности [2] до изготовления протезов нового поколения [3]. Внедрение данной технологии сулит множество экономических преимуществ, таких как повышение производительности труда, расширение ассортимента предлагаемой высококачественной продукции при постепенном снижении себестоимости обработки по сравнению с существующими технологиями. Поэтому в настоящее время все большее число предпринимателей в России и за рубежом заинтересованы в размещении на своих заводах установок для микродугового оксидирования.
Однако для работы на этом высокотехнологичном и дорогостоящем оборудовании нужны квалифицированные специалисты, которых необходимо обучать. К сожалению, не все образовательные учреждения могут позволить себе приобрести подобные устройства. Это объясняется высокой стоимостью зарубежных приборов данного типа, с одной стороны, и отсутствием прототипов - с другой.
Сотрудники, аспиранты и студенты кафедры нано- и микроэлектроники Пензенского государственного университета занимаются созданием оборудования для проведения лабораторных работ с целью повышения уровня инженерного образования. На кафедре был разработан автоматизированный лабораторный стенд для исследования процессов микродугового оксидирования (МДО), используемый в учебном процессе при проведении практических занятий, научно-исследовательской и самостоятельной работы студентов.
Данный лабораторный стенд является уникальным прибором, не имеющим полных аналогов в России и в мире. Поскольку установки МДО создавались в расчете на массовое и серийное производство, они отличаются большими размерами и высокой потребляемой мощностью [4, 5]. Но специфика учебного процесса позволяет отказаться от такой конструкции и делать подобные устройства маломощными и компактными. Тем не менее разрабатываемый лабораторный стенд по функциональности нисколько не уступает промышленным аналогам, что достигается использованием при его проектировании современной электронной компонентной базы.
Стенд обеспечивает исключительную наглядность образовательного процесса. Студент может непосредственно наблюдать за ходом процесса МДО и в это же время проводить необходимую его корректировку с целью получения нанопокрытия с заданными свойствами. Этому способствуют графики формовочных кривых и вольт-амперных характеристик покрытия, выводимые на экран компьютера, а также подключенная к устройству гальваническая ячейка, в которой происходит непосредственно МДО. После выполнения работ на установке получается образец с нанопористым покрытием, обладающим высокими микротвердостью (9 по шкале Мооса, уступает только алмазу) [6] и износостойкостью (скорость коррозии уменьшается в 20-40 раз по сравнению с анодированием) [7]. Впоследствии поверхность образца можно исследовать с помощью атомно-силового (АСМ) или оптического микроскопа.
Структурная схема автоматизированного лабораторного стенда показана на рис. 1. Основной частью устройства является измерительная плата. Она включает измеритель импеданса, выполненный в виде делителя напряжения и необходимый для контроля толщины покрытия, датчики тока и напряжения для снятия формовочных кривых и вольт-амперных характеристик процесса МДО, коммутатор и технологический источник тока. Технологический источник тока необходим для пропускания через гальваническую ячейку токовых импульсов определенной формы и полярности для проведения процесса МДО. Коммутатор обеспечивает переключение режимов проведения МДО (анодный и анодно-катодный) и измерительных преобразователей (измеритель импеданса и устройство снятия вольт-амперных характеристик системы «металл-оксид-электролит»). Также в измерительной плате предусмотрен узел защиты от неправильного обращения с установкой и перепадов напряжения.
Рис. 1. Структурная схема автоматизированного лабораторного стенда для МДО
Вне прибора находится гальваническая ячейка со встроенным датчиком температуры, что позволяет, во-первых, определить степень выработки электролита и, во вторых, отключить устройство при возможном перегреве.
Другой важной частью лабораторного стенда является микропроцессорный модуль, выполняющий функцию связи между установкой и персональным компьютером, с которого и осуществляется управление процедурой микродугового оксидирования.
Лабораторный стенд обеспечивает проведение процесса МДО в анодном и анодно-катодном режимах. Также предусмотрены возможность дискретного переключения значений анодного тока и два предела измерения импеданса. Для обеспечения безопасной работы на установке имеется защитное ограждение. Технические характеристики устройства представлены в табл. 1.
Таблица 1
Технические характеристики установки МДО
Источник технологического тока
Питание от сети переменного тока, В 220
Диапазон напряжений на образце, В -100...+500
Диапазон среднего тока через образец, А 0,25... 1,75
Частота следования импульсов тока, Гц 50
Измерительный блок
Диапазон частот переменного сигнала, Гц 10.10 000
Диапазон амплитуды переменного сигнала, В 0,01.1
Пределы измерения по емкости, мкФ 0,01 и 0,1
Основная погрешность измерения емкости, % не более 0,5
Основная погрешность измерения напряжения и тока, % не более 0,5
Количество точек ВАХ до 60
Суммарное время одного измерения, с не более 1
Одним из недостатков данного стенда является ограниченная номенклатура материалов для получения МДО-покрытия (алюминий и его сплавы), а также малая площадь поверхности обрабатываемой детали (порядка 10 см2). Это обусловлено малой мощностью прибора. Другой недостаток связан с невозможностью непрерывной регулировки анодного тока через образец из-за конструктивных особенностей источника технологического тока.
Для устранения этих несущественных недостатков планируется создать промышленно-исследовательскую установку с применением широтно-импульс-ной модуляции анодного тока.
Таким образом, использование автоматизированного лабораторного стенда в учебном процессе способствует повышению уровня подготовки специалистов и дает студенту знания о передовых технологиях, умения на практике осуществлять процесс МДО и исследовать полученные нанопокрытия. Но область применения данного устройства не ограничивается только учебными заведениями. Прибор может быть также полезен на промышленных предприятиях, занимающихся упрочнением металлов и сплавов, с целью быстрого, удобного и точного составления технологического маршрута процесса МДО для деталей любого назначения. Кроме того, установка может пригодиться и стоматологическим клиникам для собственного изготовления зубных протезов. И, наконец, на данном устройстве можно наносить МДО-покрытия на мелкие изделия, такие как корпуса флешек, часов и т.п., что повышает их эстетическую привлекательность.
Список литературы
1. Производственное объединение PlasmaCraft. - URL: http://plasmacraft.ru/ perspektivy-ispolzovaniya-vysokovoltnogo-elektrohimicheskogo-oksidirovaniya-alyuminiya
2. Повышение износостойкости деталей алюминиево-кремниевых сплавов методом МДО для работы в экстремальных режимах трения / М. М. Криштал, П. В. Ивашин, А. В. Полунин, Д. А. Павлов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2011. - Т. 13, № 4 (3). - С. 765-768.
3. Особенности формирования оксидокерамических слоев на поверхности имплантируемых конструкций методом микродугового оксидирования / А. Н. Митро-
шин, И. А. Казанцев, А. О. Кривенков [и др.] // Ползуновский альманах. - 2007. -№ 1-2. - С. 119-122.
4. Устройство для микродугового оксидирования : пат. 2248416 Рос. Федерация : МПК С 25 Б 21/12, С 25 Б 11/02.
5. Установка для получения покрытия проточным методом : пат. 87168 Рос. Федерация : МПК Б 23 Б 14/38.
6. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование) / И. В. Суми-нов, А. В. Эпельдфельд, В. Б. Людин [и др.]. - М. : Экомет, 2005. - 368 с.
7. Коррозионная стойкость композиционных материалов на основе алюминия и его сплавов, формируемых микродуговым оксидированием / И. А. Казанцев, А. Е. Розен, А. О. Кривенков, С. Н. Чугунов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. - 2007. - № 3. - С. 138-142.
Голубков Павел Евгеньевич
студент,
Пензенский государственный университет E-mail: golpavpnz@yandex.ru
Golubkov Pavel Evgen'evich student,
Penza State University.
Карпанин Олег Валентинович
доцент,
кафедра нано- и микроэлектроники, Пензенский государственный университет Е-таП: micro@pnzgu.ru
Karpanin Oleg Valentinovich
associate professor, sub-department of nano-and microelectronics, Penza State University
УДК 621.793.3, 621.357.77 Голубков, П. Е.
Автоматизированный лабораторный стенд для получения и исследования МДО-покрытий / П. Е. Голубков, О. В. Карпанин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2015. - № 4 (16). - С. 153-157.
