Алматы 2017 январь

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

351 

 

УДК 621.785.532:621.783 

 

1

М.К. Скаков, 

2

Е.Е. Сапатаев 

(

1

Филиал «Институт атомной энергии» Национального ядерного центра Республики Казахстан,  

 Курчатов, Республика Казахстан, 

2

Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д.Серикбаева 

Усть-Каменогорск, Республика Казахстан 

sapatayev@gmail.com)

 

 

УПРАВЛЕНИЕ ПРОЦЕССОМ ЛОКАЛЬНОГО МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПРИ 

ВОЗДЕЙСТВИИ ЭЛЕКТРОЛИТНОЙ ПЛАЗМОЙ 

 

Аннотация. В статье изложены основные узлы разработанной лабораторной установки электролитно-

плазменной  обработки  материалов,  предназначенной  для  проведения  различных  экспериментов  по  изучению 

энергетических  и  гидродинамических  характеристик  электролита  в  процессе  локального  модифицирования 

поверхности материалов при воздействии электролитной плазмой. 

Ключевые слова: модификация поверхности, локальная обработка, плазматрон. 

 

Введение 

Как известно, одним из важнейших преимуществ термической и химико-термической обработ-

ки  с  нагревом  в  электролитной  плазме  является  возможность  проведения  локальной  обработки  без 

нанесения  защитных  покрытий  на  обрабатываемую  деталь,  что  позволяет  значительно  упростить 

технологические процессы, а также повысить эксплуатационные качества изделий [1]. В связи с этим, 

для изучения особенностей энергетических и гидродинамических характеристик катодного нагрева и 

для  реализации  процессов  химико-термической  обработки  конструкционных  сталей  при  локальной 

обработке (при струйных течениях электролита) на базе НИИ «Нанотехнологии и новые материалы» 

ВКГТУ  им.  Д.Серикбаева  совместно  с  ТОО  «ТехноАналит»  нами  была  разработана  и  изготовлена 

лабораторная  установка  электролитно-плазменной  обработки  материалов.  Данная  установка  защи-

щена патентом на полезную модель №878 Республики Казахстан [2]. 

Существующие промышленные установки электролитно-плазменной обработки различных ти-

пов, такие как УХТО [3], АТО, ЭПП [4] и т.п., предназначены для специализированного применения 

и решения узких задач относительно конкретной обрабатываемой детали. Эти установки имеют раз-

личные  технические  характеристики  и  конструктивные  особенности,  и  все  они  предназначены  для 

обработки деталей на основе анодного электролитного нагрева.  

Лабораторные  установки  электролитно-плазменной  обработки  отличаются  от  промышленных 

тем, что к обработке подвергается меньшее количество обрабатываемых деталей. Поэтому при иден-

тификации параметров  обработки  лабораторные  установки  позволяют  регистрировать  более  точные 

значения, чем промышленные, в которых регистрация ведется по всем деталям. 

Еще одним немаловажным преимуществом лабораторных установок является их функциональ-

ная  гибкость  и  модульность  конструкции,  то  есть  имеется  возможность  подключения  к  основному 

оборудованию  различных  видов  вспомогательных  приборов,  а  также  проведение  различного  рода 

экспериментов.  

 

Аппаратная часть установки  

Лабораторная установка, разработанная нами, предназначена для исследования взаимодействия 

электролитной  плазмы  с  обрабатываемой  деталью  в  диапазоне  напряжений  между  электродами 

U=0÷350 В  при  силе  тока  до  I=100 А.  Функциональная  схема  установки  для  электролитно-

плазменной обработки представлена на рисунке 1.  

Электролитно-плазменная  установка  состоит  из  систем  электрического  питания,  электролити-

ческой  ванны  с  плазматроном,  измерительно  управляющей  системы,  координатного  устройства  для 

линейного перемещения изделия относительно плазматрона [5]. 

Источник  питания  1  обеспечивает  подачу  регулируемого  стабилизированного  постоянного 

напряжения по токоподводам 2 на электродный промежуток, то есть между деталью (катод) 8 и сет-

чатым  анодом  6.  Сетчатый  анод  обеспечивает  токоподвод  к  жидкому  электролиту  в  плазматроне  3. 

Межэлектродное  расстояние  регулируется  в  двух  направлениях  координатным  устройством  7,  по-

 

●

 Технические науки 

 

352                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

средством движения активного электрода (катода). С помощью теплообменника 10 можно регулиро-

вать температуру электролита подавая воду по трубопроводу.  

 

 

 

1 – источник питания; 2 – токоподвод; 3 – анод (пластина); 4 – основная емкость для электролита;  

5 – промежуточная емкость; 6 – электролитическая ячейка (плазматрон); 7 – координатное устройство;  

8 – обрабатываемая деталь (образец-катод); 9 – патрубки; 10 – теплообменник; 11 – насос; 12 – управляющий 

компьютер 

 

Рис. 1. Функциональная схема установки электролитно-плазменной обработки материалов 

 

Программируемый источник питания 

Различие  в  размерах  зоны  обработки  изделий,  изменение  электропроводности  и  температуры 

электролита,  применение  многоступенчатых  методов  вызывает  необходимость  регулировки  напря-

жения в широких пределах U=0÷350 В при максимальном значении силы тока I=100 А. 

Ввиду ограниченного промышленного выпуска источников питания с необходимыми парамет-

рами для энергопитания установок электролитно-плазменной обработки материалов нами был разра-

ботан и изготовлен силовой выпрямитель.  

Выбор схемы источника питания для электролитно-плазменной обработки представляет собой 

довольно трудную задачу также в связи с тем, что физические механизмы самого процесса обработки 

не  достаточно изучены в настоящее время. По этой причине эффективно работающий источник пи-

тания может быть результатом экспериментального изучения эффективности тех или иных решений, 

как уже наработанных в области преобразователей электротехники, так и касающихся совершенство-

вания самого процесса обработки [4].  

Разработанный  нами  источник  питания  постоянного  тока  представляет  собой  цельнометалли-

ческий  каркас,  который  укреплен  на  основании  повышающего  трансформатора  мощностью  40 кВт. 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

353 

 

Металлическими  перегородками  служит  одновременно  панелями  для  крепления  аппаратуры,  каркас 

разделен на 3 отсека. В нижнем отсеке помещается трансформатор в двух верхних: блок выпрямите-

лей, собранный по схеме Ларионова, выполненный на тиристорах, и коммутирующая аппаратура.  

Принципиальная  электрическая  схема  источника  питания  и  его  технические  характеристики 

представлены на рисунке 2 и в таблице 1, соответственно.  

Питание  источника  осуществляется  от  трехфазной  сети  переменного  тока  частоты  50 Гц 

напряжением  380 В.  В  управлении  источником  питания  предусмотрены  автоматический  и  ручной 

режимы  работы.  При  ручном  способе  управление  источником  питания  осуществляется  кнопками 

«Пуск» и «Стоп», расположенными на передней панели источника питания. При автоматическом ре-

жиме управления предусмотрено подключение к персональному компьютеру через порт RS-485.  

 

 

Рис. 2. Принципиальная электрическая схема источника питания 

 

Табл. 1. Основные технические характеристики источника питания 

 

Наименование параметра 

Значение 

Напряжение питающей сети, В 

380 

Частота тока питающей сети, Гц 

50 

Максимальная потребляемая мощность не более, кВт 

40 

Выходное постоянное напряжение, В 

0 до 350 

Выходной постоянный ток, А 

0 до 60 

Выходная полезная мощность, кВт 

25 

 

Источник питания обеспечивает регулируемое постоянное напряжение до 350 В при номиналь-

ном токе до 100 А. Трехфазное сетевое напряжение через предохранители и рубильник, подается на 

повышающий трехфазный трансформатор. На выходе с трансформатора можно получить напряжение 

до  350 В.  Переменное  напряжение  подается  на  выпрямитель,  собранный  по  схеме  Ларионова  из  ти-

ристоров  типа  ВЛ.  Выбор  схемы  Ларионова  заключается  в  его  широком  применении,  связанного  с 

хорошими  технико-экономическими  показателями  (эффективное  использование  трансформатора, 

большой КПД, низкий коэффициент пульсации, низкая стоимость вентилей) [6, 7]. 

Включение  тиристоров  осуществляется  фазоимпульсными  преобразователями,  которые  обес-

печивают  стабильность  запуска  и  возможность  работы  в  автоматическом  заданном  режиме.  Ампли-

туда 

пульсации 

выпрямленного 

напряжения 

сглаживается 

П-образным 

LC 

фильтром 

(С

1

=С

2

=100 мкФ, L=50·10

-3

 Гн) уменьшается от 6% до 1% от выпрямленного. Далее для регулирова-

ния напряжения и ограничения тока в случаях короткого замыкания используются балластные сопро-

тивления.  Блок  этих  сопротивлений  позволяет  получить  сопротивление  20  до  200 кОм.  Сила  тока  и 

напряжение измеряются соответствующими щитовыми приборами класса точности 0,5, размещенные 

на передней панели источника питания.  

Также  в  источнике  питания  размещены  маломощные  трансформаторы  и  низковольтные  вы-

прямители (в эл. схеме не приведены), питающие электродвигатели вспомогательного оборудования, 

координатных  устройств  регулирования  межэлектродного  расстояния,  насоса  перекачки  рабочего 

электролита.  

 

●

 Технические науки 

 

354                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

Электролитическая ванна и система подачи электролита 

Электролитическая  ванна  состоит  из  двух  ёмкостей:  основного  и  вспомогательного  (рис.  1). 

Основная емкость с вместительностью  до 18 л служит для хранения рабочего электролита. Емкости 

изготовлены из термостойкого пластика и пригодны для работы в агрессивной среде.  

Система охлаждения электролита служит для поддержания оптимальной температуры во время 

его интенсивного разогрева в процессе эксплуатации. Она питается из магистральной водопроводной 

сети, а подача электролита осуществляется из  основной  емкости. Система охлаждения работает под 

напором воды водопроводной сети, и давление воды в ней регулируется с помощью водопроводной 

запорной арматуры. Функциональная схема снабжения электролитической ячейки электролитом по-

казана  на  рисунке  1.  Подача  электролита  в  электролитическую  ячейку  осуществляется  погружным 

насосом  (с  крыльчаткой  из  пластика)  расположенной  на  дне  основной  емкости.  Расход  электролита 

измеряется цифровым ротаметром типа ЭМИС-МАГ 270 предназначенного для измерения объемного 

расхода  электропроводных  жидкостей,  в  том  числе  агрессивных  жидкостей.  Расход  электролита  ре-

гулируется вентилем.  

Для проведения локального электролитного нагрева был разработан плазматрон (электролити-

ческая ячейка), состоящий из [5], состоящий из разборного корпуса, анода из параллельно скреплен-

ных  пластин  и  диффузора  (см.  рис.  3).  Корпус  состоит  из  бокового  кожуха  конусообразной  формы, 

сопла  и  донной  части.  В  верхней  части  кожуха  прикручивается  сопло  требуемой  формы,  а  нижняя 

часть герметично соединяется с донной частью. Все детали корпуса изготовлены из диэлектрическо-

го материала со средней термостойкостью (до 180-200°С).  

 

 

 

Рис. 3. Эскиз вертикального сечения плазматрона 

 

В  донной  части  корпуса  имеется  сквозное  отверстие,  к  которому  прикручивается  диффузор. 

Диффузор обеспечивает равномерность потока электролита через внутреннюю полость плазматрона.  

Анод изготовлен из вертикально соединенных пластин нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Меж-

ду пластинами установлены диэлектрические дистанциаторы.  

С  движением  электролита  в  электролитической  ячейке  или  в  плазматроне  во  многом  связано 

распределение температуры в электролитической ячейке. При непроточном (неподвижном) электро-

лите  при  обработке  детали  градиент  распределения  температуры  прикатодной  области  сильно  воз-

растает.  Циркуляция  электролита,  осуществляемая  системой  прокачки,  способствует  равномерному 

распределению  температуры  на  обрабатываемой  поверхности.  Струйное  течение  электролита  ис-

пользуется для обработки (упрочнения) отдельных участков поверхности длинномерных и крупнога-

баритных изделий и не требует местных изоляции.  

 

 

●

 Техникалық ғылымдар 

 

ҚазҰТЗУ хабаршысы №1 2017                                          

355 

 

Измерительно-управляющая система 

Схема  соединения  основных  узлов  измерительно-управляющей  системы  установки  электро-

литно-плазменной обработки приведена на рисунке 4. 

Основным  устройством,  обеспечивающим  взаимодействие  оператора  с  лабораторной  установ-

кой  электролитно-плазменной  обработки  материалов,  является  управляющий  компьютер.  Питание 

камеры ЭПОМ установки и блока управления манипулированием осуществляется от управляемого от 

ЭВМ  программируемого  источника  (блока)  питания.  Управление  производится  с  помощью  универ-

сальной платыввод-вывода(АЦП/ЦАП) на шине PCI, с последовательными портами интерфейса RS-

232 и Usb 2.0.  

 

 

 

Рис. 4. Схема соединения основных узлов измерительно-управляющей системы (ИУС)  

 

Преобразователь температуры преобразует значение температуры, полученные от термопреоб-

разователя в цифровой сигнал, то есть в унифицированный сигнал постоянного тока 4…20 мА. В ка-

честве термопреобразователя используется хромель-алюмелевая термопара К-типа с широким темпе-

ратурным диапазоном (-180 до +1280°С).  

Преобразователь  электропроводности  измеряет  электрическую  проводимость  в  рабочем  элек-

тролите. В зависимости от диапазона измерений формируется аналоговый сигнал и передается через 

последовательный  порт  RS-232  в  плату  PCI.  Преобразователь  снабжен  дистанционным  датчиком  с 

угольным стержневым электродом и имеет возможность автоматической компенсации значений тем-

пературы от 0 до 50°С.  

В  качестве  преобразователя  расходы  жидкости  используется  ротаметр,  имеющий  выходной 

цифровой  сигнал,  который  передает  данные  с  помощью  частотной  модуляцией  на  токовом  выходе 

4…20 мА. По цифровому выходному сигналу передаются такие параметры как мгновенный расход и 

суммарный объем. 

Программная часть управляющей системы 

Для управления процессом на установке электролитно-плазменной обработки материалов нами 

было  разработано  программное  обеспечение  «Plasma»,  позволяющее  задать  настройку  следующих 

параметров с помощью последовательного порта RS232 [2]: 

  значение напряжения; 

  включение и выключение подачи напряжения; 

  длительность напряжения при многоступенчатом нагреве; 

  угол поворота детали (при условии многоточечной обработке); 

  число поворотов; 

  проверка и настройка Сом-порта. 

Пользовательский  интерфейс  программы  является  интерактивным,  в  котором  ввод  режимов 

обработки осуществляется при помощи кнопок и панелей для ввода числовых значений (см. рис. 5). 

Программа позволяет  сохранять вводимые данные, то  есть режимы обработки в специально создан-

 

●

 Технические науки 

 

356                                                                                            

№1 2017 Вестник КазНИТУ 

 

ном файле и в дальнейшем загружать эти данные для многократного применения. На рисунке пред-

ставлен лицевой интерфейс и панель настройки управляющей программы «Plasma». 

 

 

 

а) лицевой интерфейс 

б) панель настройки 

 

Рис. 5. Интерфейс программы «Plasma» 

 

Помимо основного программного обеспечения, имеются второстепенные программные обеспе-

чения сторонних производителей, поставляемых вместе с регистрирующими приборами (регистратор 

температуры,  цифровой  ротаметр,  измеритель  электропроводности  электролита).  Эти  программные 

обеспечения  предназначены  для  дистанционного  информирования  и  регистрации  полученных  дан-

ных. 

 

ЛИТЕРАТУРА 

[1] Дураджи В.Н. Химико-термическая обработка металлов с нагревом в электролитной плазме // Actual 

conference. - 2010. - № 69. - C. 59-61. 

[2]  Пат.  878  РК.  Установка  электролитно-плазменной  обработки  /М.К.  Скаков,С.В.  Парунин, 

А.А.Веригин, Е.Е Сапатаев; Заявл. 31.01.2012, опубл.15.11.2012, Бюл. №11. 

[3]  Тарасов  А.Н.,  Прокофьев  М.А.  Упрочнение  концевого  стоматологического  инструмента  из 

титановых  сплавов  электролитным  азотированием  на  установке  УХТО-5М/А  //  Электронная  обработка 

материалов. - 1991. - № 2. - C. 20-22. 

[4]  Куликов  И.С.,  Ващенко  С.В.,  Каменов  А.Я.  Электролитно-плазменная  обработка  материалов.  - 

Минск: Беларус.навука, 2010. - 232 с. 

[5] Иннов. пат. 27501 РК. Способ электролитно-плазменного упрочнения деталей и устройство для его 

осуществления /М.К. Скаков, А.М., А.М.Жилкашинова, Л.Г. Журерова, Е.Е. Сапатаев и др.; заявл. 09.07.2012, 

опубл. 15.10.2013, Бюл. № 10. 

[6]  Аксенов  А.И.,  Нефедов  А.В.  Отечественные  полупроводниковые  приборы:  справочник.  –  М.: 

Солон-Пресс, 2005. - 584 с. 

[7]  Мукаева  В.Р.  Управление  технологическим  процессом  электролитно-плазменного  полирования  на 

основе контроля шероховатости поверхности по импедансным спектрам: дис. к. т. н. – Уфа, 2014. - 177 с. 

 

Сапатаев Е.Е., Скаков М.К. 

жүктеу/скачать 28,19 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: