Научная статья на тему 'Определение параметров процесса микроплазменного оксидирования в системе с регулятором тока'

Определение параметров процесса микроплазменного оксидирования в системе с регулятором тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
141
46
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
МИКРОПЛАЗМЕННОЕ ОКСИДИРОВАНИЕ / РЕГУЛЯТОР ТОКА / СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА / СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ / ИЗМЕРЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА / MICROPLASMA OXIDATION / CURRENT REGULATOR / POWER ELECTRONICS / CONTROL SYSTEM / MEASUREMENT OF PARAMETRES OF PROCESS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Большенко Андрей Викторович

Рассмотрены вопросы определения параметров процесса микроплазменного оксидирования при получении покрытий с заданными свойствами. Представлены математические выражения для переходного процесса в цепи гальванической ванны при воздействии поляризующим напряжением прямоугольной и трапецеидальной формы. Предложены методики определения параметров микроплазменной системы и произведена оценка влияния формы поляризующего напряжения на характер переходного процесса.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Большенко Андрей Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

DEFINITION OF PARAMETRES OF PROCESS MICROPLASMA OXIDATION

Questions of definition of parametres of process microplasma oxidation are considered at reception of coats with the given properties. For transient mathematical expressions are presented to chains of a galvanic bath at action by a polarising voltage of the rectangular and trapezoid shape. Procedures of definition of parametres of microplasma system are offered and the estimate of influence of the shape of a polarising voltage on character of transient is yielded.

Текст научной работы на тему «Определение параметров процесса микроплазменного оксидирования в системе с регулятором тока»

УДК 621.314.58

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА МИКРОПЛАЗМЕННОГО ОКСИДИРОВАНИЯ В СИСТЕМЕ С РЕГУЛЯТОРОМ ТОКА

© 2012 г. А.В. Большенко

Южно-Российский государственный South-Russian State

технический университет Technical University

(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)

Рассмотрены вопросы определения параметров процесса микроплазменного оксидирования при получении покрытий с заданными свойствами. Представлены математические выражения для переходного процесса в цепи гальванической ванны при воздействии поляризующим напряжением прямоугольной и трапецеидальной формы. Предложены методики определения параметров микроплазменной системы и произведена оценка влияния формы поляризующего напряжения на характер переходного процесса.

Ключевые слова: микроплазменное оксидирование; регулятор тока; силовая электроника; система управления; измерение параметров процесса.

Questions of definition ofparametres ofprocess microplasma oxidation are considered at reception of coats with the given properties. For transient mathematical expressions are presented to chains of a galvanic bath at action by a polarising voltage of the rectangular and trapezoid shape. Procedures of definition ofparametres of microplasma system are offered and the estimate of influence of the shape of a polarising voltage on character of transient is yielded.

Keywords: microplasma oxidation; current regulator; power electronics; control system; measurement of parametres of process.

Микроплазменное оксидирование (МПО) - сравнительно новый метод поверхностной обработки металлических материалов, который позволяет получать многофункциональные керамикоподобные покрытия с широким набором физико-химических свойств. Типовая установка для МПО включает специализированный регулятор тока [1 - 5] и гальваническую ванну с электролитом (катод), в которую погружается деталь-заготовка (анод). Сущность процесса заключается в высоковольтной поляризации границы раздела металл-оксид-электролит, в результате чего возникают локальные микроразряды, которые формируют оксидное покрытие, основную долю которого составляет оксид алюминия.

Процесс МПО инициируется подачей поляризующего напряжения 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 химические свойства покрытия (коррозионная устойчивость и др.), а электрический режим - на формирование физических свойств (твердость, пористость, шероховатость и др.), обусловленных характером и интенсивностью микроплазменных разрядов.

В настоящее время метод МПО достаточно хорошо отработан для широкого ряда электролитов и электрических режимов обработки, однако до сих пор

нет полного аналитического описания процесса, обеспечивающего возможность получения покрытий с заданными свойствами. Следует отметить также сложный, ярко выраженный активно-емкостный характер нагрузки, который значительно усложняет разработку регуляторов тока [1 - 3].

Одним из способов получения покрытий с заданными физическими свойствами является составление базы данных свойств покрытий, которая включает наборы режимов проведенных процессов МПО при соответствующих составах электролитов. Сформированная база данных может непрерывно пополняться. Так как база данных содержит дискретные значения параметров режима МПО и свойств покрытий, то посредством интерполяции (экстраполяции) данных возможно получение промежуточных значений свойств покрытий, что дает возможность получения покрытий с заданными 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, то есть получение покрытия с заданными свойствами может быть достигнуто путем своевременной остановки процесса при достижении заданных величин активной и емкостной составляющих сопротивления нагрузки.

Таким образом, для реализации второго способа получения покрытий с заданными свойствами необходима методика определения параметров микроплазменной системы. Анализ исследований в области МПО и результаты экспериментальных исследований позволили выделить один из вариантов реализации математического описания МПО-нагрузки посредством представления её в виде эквивалентной схемы замещения электрохимической ячейки (рис. 1) [6, 7].

Рис. 1. Эквивалентная схема замещения МПО-нагрузки

Несмотря на ряд допущений, определенных при ее составлении, схема замещения позволяет описать характер МПО-нагрузки и произвести анализ переходных процессов с достаточной степенью точности. Параллельно соединенные сопротивление R2 и емкость С имитируют границу раздела металл-раствор (оксидную пленку): R1 - сопротивление электролита, L - индуктивность подводящих к ванне проводов и элементов монтажа. Следует отметить наличие в эквивалентной схеме замещения индуктивности L, которая явным образом не является элементом микроплазменной системы, но практически всегда входит в цепь нагрузки регулятора тока. Наличие индуктивности приводит к снижению скорости роста тока в начальный момент импульса напряжения поляризации нагрузки и во многом определяет характер изменения тока в переходном процессе.

Параметры микроплазменной системы подвергаются изменению во времени в процессе МПО. Начальные параметры и характер (динамика) их изменения зависят от состава электролита и характеристик используемого электрического режима. Следует отметить, что значение сопротивления электролита подвергается слабому изменению, зависящему, в основном, от его ресурса и температуры, а величина индуктивности L определяется конструкцией регулятора тока, способом его соединения с гальванической ванной и не изменяется в процессе МПО.

Исследования, результаты которых представлены в [8], показывают зависимость параметров микроплазменной системы от основных свойств формируемого покрытия (толщины h и пористости Р) [8]:

R2 =

k1h P

с = kP h

где ^ и ^ - коэффициенты пропорциональности, зависящие от состава электролита и определяемые экспериментально.

Таким образом, непрерывное определение параметров микроплазменной системы в процессе МПО

позволяет производить оценку толщины и пористости покрытия, что является одним из путей достижения возможности получения МПО-покрытий с заданными свойствами. Следует отметить, что оценка параметров покрытия предлагаемым экспресс-методом возможна непосредственно в процессе МПО, в режиме реального времени, без остановки процесса и изменения электрического режима. Для реализации экспресс-метода определения параметров покрытия необходимо иметь аналитическое описание переходного процесса при воздействии на МПО-нагрузку импульсом поляризующего напряжения в виде функции

i ^) = / (R2, L, С,и) .

Проведенный операторным методом анализ реакции МПО-нагрузки позволил в аналитической форме определить выражение для тока Щ) при воздействии на неё импульсом напряжения прямоугольной формы (рис. 2):

i (t) = (-Iycosrot + A2sin rot) e

St

+L

(1)

где

и

Iy Ri + R2

- установившееся значение тока,

амплитуда напряжения поляризации;

5 = L + - коэффициент затухания колебаний;

2LCR^

го = — = T

2л Ш1 + R2 Я2 « ~

- 5 - круговая частота колебаний;

LCRn

A-2 =

+ SI

L "5/ у

го

г, А 300

200

100 B 0

-100

2 4 6 8 10 12 t, мкс

Рис. 2. Форма тока нагрузки при воздействии прямоугольным импульсом напряжения

Из выражения (1) и рис. 2 видно, что переходный процесс имеет колебательный характер, что обусловлено наличием в эквивалентной схеме замещения МПО-нагрузки RLC - колебательного контура.

В результате преобразований аналитического выражения для тока нагрузки (1) получены выражения для определения параметров эквивалентной схемы замещения МПО-нагрузки:

T

у

0

L - U; a

1уL2 (ю2 +52 ) R2 - ——^-'--{25L-Z);

C -

U U

IуL (ю2 +52 )R2

ri - Z - R2

1- e-&tm ( cosatm + -srnatm 1 ^ ю где Z - — -^-

U - a

A--siniBtme

ю

-Stm

a - dL (0) dty '

L (0) ;

Udty ''

R2 « —. 2 I

у

Для возможности определения параметров эквивалентной схемы замещения МПО-нагрузки при поляризации импульсом напряжения с ограниченным фронтом нарастания и оценки его влияния проведены аналитические расчеты переходных процессов при воздействии на МПО-нагрузку импульсом трапецеидальной формы с различной скоростью нарастания напряжения.

Зависимость выходного тока при воздействии импульсом трапецеидальной формы имеет вид

^ (1) = А301 + А10А20 + А10А40едля 0 < 1 < и; (2)

/2 (t)-- A10 A5oe -5(t-tl)+ A10 A6oe ~5t +

U

начальная скорость нарастания тока, которая вычисляется как частное от деления тока в точке В на время достижения этого тока 10.

Параметры Т, А, 1т, 10, В, ш определяются в результате анализа кривой переходного процесса тока МПО-нагрузки (см. рис. 2).

Одной из особенностей МПО-нагрузки является отсутствие возможности определения параметра переходного процесса ш на начальных стадиях процесса МПО, что обусловлено быстрым затуханием тока.

Для возможности определения параметров эквивалентной схемы замещения МПО-нагрузки на начальных стадиях процесса МПО предложено производить аппроксимацию кривой тока нагрузки к виду (1) методом покоординатного спуска. Для задания начальных приближений неизвестных параметров предлагается производить предварительную полиномиальную аппроксимацию, которая с достаточной точностью позволяет определить следующие параметры:

и

(Ri + R2)

(3)

для t > t1,

U

где A30 - —-—---; t1 - длительность фронта нарас-

30 t1 (R1 + R2) W P

тания импульса напряжения;

A - U

л10 _

t1 (S2 +ю2 ) 1

A20 - A1S+ A2Ю

A1 --

R1 + R2

A2 -

--SA, L 1

Следует отметить, что выражение (1) справедливо при воздействии на МПО-нагрузку импульсом напряжения поляризации прямоугольной формы, однако в реальных условиях скорость нарастания импульса напряжения ограничена, что обусловлено динамическими параметрами коммутационных элементов.

A40 - A1 (юsinsinюt-Scoscosюt) + +A2 (ю coscos ot -S sinsin юt);

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

A50 - A1 (юsinsinia(t-11 )-Scoscosю^-11 ))--A2 (S sinsin ю (t -11) + ю coscos ю (t -11));

A60 - A1 (ю sinsinЮt-Scoscos(Bt)-- A2 (S sinsin юt + ю coscos юt).

На рис. 3 представлены графики переходных процессов тока МПО-нагрузки при воздействии импульсами поляризующего напряжения с различными значениями фронта нарастания.

А

60

40

20

-20

V 2

1 1

1 1 •' 1 : 1 : к V4 \ \ \

1 •' 1 ■' Ii/ \ V t \ \ \ \ \ —V- \ .5

Ii* t ¡Ii* ///.' \ \ V ' \ t /f/ >ч-—^

\\ \ V • V \\ \ \\ \ \ / \ ff // ' ff * /У /

Jr-''

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

t, с

Рис. 3. Зависимость формы тока от фронта нарастания напряжения поляризации: 1 - 0 мкс; 2 - 0,2 мкс; 3 - 1 мкс; 4 - 2 мкс; 5 - 5 мкс, при параметрах МПО-нагрузки: R1 = 1 Ом; R2 = 150 Ом; L = 1 мкГн; С = 0,4 мкФ

1

со

0

На рис. 4 и 5 графики зависимостей нормированного скалярного произведения К и относительного отклонения амплитуды тока 8 для функций переходного процесса при воздействии на МПО-нагрузку прямоугольным импульсом напряжения и функции тока переходного процесса МПО-нагрузки при трапецеидальной форме поляризующего напряжения с различными значениями фронта нарастания. Представленная зависимость К (рис. 4) отражает количественную оценку качества повторяемости кривых тока при поляризации с различными значениями фронта нарастания относительно кривой тока с поляризацией прямоугольной формы.

Анализ представленных качественных (рис. 3, 4) и количественной (рис. 6) оценок переходных процессов тока МПО-нагрузки при воздействии на нее импульсами прямоугольной и трапецеидальной формы поляризующего напряжения позволяет сделать следующий вывод: при использовании полупроводниковых ключей со скоростью переключения более 200 нс для вычисления тока следует пользоваться выражениями (2), (3), в остальных случаях может быть использовано выражение (1).

К 1,00

0,95

0,90

0,85

0,75

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 мкс

Рис. 4. Зависимость нормированного скалярного произведения функций переходного процесса тока МПО-нагрузки при прямоугольной и трапецеидальной формах поляризующего напряжения с различными значениями фронта нарастания

в, % 8 6 4 2 0

0,2

0,4

0,6

0,8 t1, мкс

Следует отметить, что в обоих вариантах необходимость предварительной полиноминальной аппроксимации имеется исключительно на начальной стадии (при первом импульсе поляризующего напряжения) процесса МПО. В последующих операциях определения параметров элементов схемы замещения в качестве начальных приближений используются результаты предыдущей аппроксимации.

Одним из достоинств использования метода определения параметров посредством аппроксимации кривой тока к виду (1) или (2), (3) является отсутствие необходимости применения дополнительных алгоритмов сглаживания кривой тока, что обусловлено наличием шума, вызванного коммутационными процессами силовых ключей и погрешностью оцифровки сигнала.

i, A 100 50 0

/ \

0 1 2 3 4 5 6 7 8 t, мкс

Рис. 6. Результаты аппроксимации кривой тока заданной функцией (1): 1 - кривая тока; 2 - аппроксимированная кривая

Для оценки достоверности предложенных методов определения параметров элементов эквивалентной схемы замещения проведен численный эксперимент, заключающийся в моделировании переходного процесса тока МПО-нагрузки с параметрами, приведенными в табл. 1, при воздействии прямоугольным импульсом напряжения (см. рис. 6). Следует отметить, что при моделировании переходного процесса на сигнал тока МПО-нагрузки был наложен белый шум, имитирующий коммутационные помехи и погрешности аналого-цифрового преобразования.

Таблица 1

Результаты определения параметров МПО-нагрузки

Рис. 5. Зависимость относительного отклонения амплитуды тока переходного процесса при воздействии поляризующим напряжением прямоугольной и трапецеидальной формы с различными значениями фронта нарастания

Для определения параметров эквивалентной схемы замещения МПО-нагрузки при использовании трапецеидальной формы поляризующего напряжения используются алгоритмы, аналогичные для прямоугольной формы импульса поляризующего напряжения.

Параметры Исходные значения Расчетные значения Относительная погрешность, %

R1, Ом 1,2 1,21 0,83

R2, Ом 550 523 4,9

L, мкГн 0,95 0,975 2,6

C, мкФ 0,75 0,747 0,53

Как видно из табл. 1, относительная погрешность определения параметров МПО-нагрузки не превышает 5 %, что позволяет сделать вывод об адекватности предложенных методов определения параметров эквивалентной схемы замещения МПО-нагрузки.

Литература

1. Источник питания для устройств микродугового оксидирования / А.В. Павленко, А.В. Большенко, И.В. Васюков, В.С. Пузин // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 1. С. 69 - 74.

2. Регуляторы тока для устройств микроплазменного оксидирования / А.В. Большенко, А.В. Павленко, В.П. Грин-ченков, В.С. Пузин // Электротехника. 2012. № 5. С. 27 -33.

3. Гринченков В.П., Большенко А.В. Технологический источник тока для процесса микроплазменного оксидиро-

вания // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2011. № 4. С. 65 - 68.

4. Большенко А.В., Васюков И.В. Источники тока для установок микродугового оксидирования // Студенческая научная весна - 2010: материалы регион. науч.-техн. конф. студ., асп. и молодых ученых Ростовской обл./ Юж.-Рос. гос. техн. ун-т. Новочеркасск: ЮРГТУ, 2008. С. 187 -188.

5. Павленко А.В., Большенко А.В., Васюков И.В. Разработка источника питания для установки микродугового оксидирования // Ползуновский альманах. 2010. № 2. С. 249 -250.

6. Будницкая Ю.Ю. Конструирование и технология получения оксидных покрытий с заданными физико-химическими свойствами в импульсном микроплазменном режиме: дис.... канд. техн. наук. Томск, 2003. 200 с.

7. Мамаев А.И. Физико-химические закономерности сильнотоковых импульсных процессов в растворах при нанесении оксидных покрытий и модифицировании поверхности: дис.... д-ра техн. наук. Томск, 1998. 363 с.

8. Бориков В.Н. Методы и средства измерений электрических параметров процесса формирования покрытий при импульсном энергетическом воздействии в растворах: автореф.... д-ра техн. наук. Томск, 2012. 34 с.

Поступила в редакцию 5 июня 2011 г.

Большенко Андрей Викторович - аспирант, кафедра «Электрические и электронные аппараты», ЮжноРоссийский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. 8(8635)25-16-84. E-mail: bolwoi@rambler.ru

Bolshenko Andrey Viktorovich - post-graduate student, department «Electric and electronic devices», South-Russian State Technical University (Novocherkassk Polytechnic Institute). Ph. 8(8635)25-16-84. E-mail: bolwoi@rambler.ru

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.