Исследование метода и разработка оборудования для диагностики работоспособности электролитов плазменно-электролитической обработки

Развитие прецизионного приборостроения в значительной степени связано с решением проблем повышения надежности приборных элементов на основе не только рационального конструирования, но и создания новых технологических процессов. Повышение требований к структуре и свойствам поверхностных слоев деталей приборов стимулировало создание новых методов их модификации и покрытия, среди которых все более широкое распространение получают методы воздействия на поверхности деталей концентрированных потоков энергии.

Одним из таких методов является метод плазменно-электролитической обработки (ПЭО). ПЭО представляет собой электрохимический процесс окисления поверхностного слоя в сочетании с электроразрядными явлениями на границе рабочий электрод — водный раствор электролита при высоких потенциалах до 1000 В. В результате поверхностный слой модифицируется керамикоподобными структурами, которые по своим многофункциональным технологическим характеристикам значительно превосходят покрытия, получаемые традиционными методами.

Модифицированные поверхности отличаются: высокой твердостью (до 24 ГПа) — коррозионной стойкостью (1 балл по 10 бальной шкале) — диэлектрической прочностью (до 30 В/мкм) — теплостойкостью (до 2500°С) — регулируемой пористостью (2−20%) при толщине покрытий до 400 мкм.

Основными преимуществами метода ПЭО являются: возможность нанесения покрытия на изделия сложного профиля, внутренние поверхности и полостиотсутствие необходимости специальной подготовки поверхностей перед нанесением покрытийэкологическая безопасность (не требуется использования специальных очистных сооружений).

Методом ПЭО в настоящее время модифицируются поверхности деталей из сплавов на основе вентильных металлов: алюминиевых, магниевых, титановых, бериллиевых. Практическое применение метода ПЭО в технологических целях было предложено Г. А. Марковым в 70-ых годах XX века, причем процесс был отнесен к технологическим процессам получения покрытий. В связи с этим термин «покрытие» по отношению к поверхностному слою, модифицированному методом ПЭО, имеет широкое распространение в современной научно-технической литературе. В «МАТИ"-Росийском государственном технологическом университете им. К. Э. Циолковского проводится широкий комплекс научно-исследовательских работ, направленных на изучение технологических возможностей метода. Благодаря особым свойствам, покрытия, получаемые методом ПЭО (ПЭО-покрытия), в настоящее время находят все более широкое применение во многих отраслях промышленности, среди которых особое место занимает приборостроение.

Модификация поверхностей деталей приборов методом ПЭО способствует повышению их качественных характеристик, технологичности как на этапе конструирования, так и производства, позволяет изменять характеристики поверхностного слоя за счет повышения: износои коррозионной стойкости, электроизоляционных и адгезионных свойств, термостойкости, придания поверхности теплоизолирующих и биоцидных свойств. Внедрение технологии ПЭО позволяет заменять традиционные материалы деталей приборов на сплавы вентильных металлов с последующей модификацией поверхности методом ПЭО, что ведет к значительному снижению веса и себестоимости.

Расширяющееся внедрение в различных отраслях промышленности метода ПЭО ставит задачи управления качеством технологического процесса ПЭО путем создания современных методов и автоматизированных средств экпресс-диагностики и прогнозирования параметров качества покрытий.

Опыт внедрения технологического процесса ПЭО показывает, что основным источниками нестабильности качественных характеристик покрытия является электролит, в среде которого происходит сложный электрохимический-электроразрядный процесс.

Анализ литературных источников показал, что основное внимание исследователей при изучении данного процесса до настоящего времени было уделено исследованию влияния на качество покрытия состава и концентрации отдельных компонент электролита. В то же время анализ влияния технологических факторов, связанных с электролитами, таких как температура, срок хранения свежеприготовленного электролита до начала применения в технологическом процессе, срок межоперационного хранения между обработкой партий деталей, а также выработка в процессе эксплуатации изучены достаточно мало. Для диагностики параметров качества ПЭО покрытий важно установить взаимосвязи качественных показателей покрытия с текущим состоянием электролита. Такая взаимосвязь может быть осуществлена через комплексный показательработоспособность электролита, то есть такое его состояние, при котором в данный момент времени его физико-химические параметры обеспечивают получение покрытий, соответствующих требованиям нормативно-технической документации.

В связи с этим, решение задачи управления качеством технологического процесса ПЭО связано с созданием автоматизированных средств экспресс-диагностики и прогнозирования работоспособности электролита в процессе его эксплуатации. Для этого необходимо провести широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований изменения состояния различных электролитов в процессе эксплуатации, разработать метод диагностики работоспособности электролитов, основанный на взаимосвязи их физико-химических параметров и показателей качества покрытия, выполнить аппаратную и программную реализацию приборного комплекса диагностики работоспособности электролитов.

Настоящая работа посвящена решению поставленных задач. В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований решен комплекс вопросов, необходимых для обоснования возможностей метода, разработки оборудования на его основе и внедрения этого оборудования в производство.

Работа состоит из пяти глав.

В первой главе представлен анализ типовых деталей приборов и путей повышение их качественных характеристик на базе технологии ПЭО. Выполнен обзор научно-технической и патентной литературы, посвященной влиянию факторов на качество ПЭОпокрытий. Исходя из анализа комплекса факторов, влияющих на качественные характеристики покрытий, выделяются в качестве доминирующих технологические факторы, обусловленные изменением физико-химических характеристик электролита в процессе эксплуатации: температура, срок хранения свежеприготовленного электролита, срок межоперационного хранения, а также выработка. На основании анализа методов диагностики работоспособности электролита доказывается, что в специфических условиях приборостроения диагностику работоспособности электролита наиболее эффективно производить по критериям, связанным с изменением физико-химических свойств электролита в процессе эксплуатации. В результате формулируются основные задачи работы для решения проблемы управления качеством ПЭО-покрытий путем диагностики работоспособности электролитов.

Вторая глава посвящена теоретическому и экспериментальному исследованию изменения физико-химических свойств электролитов в процессе эксплуатации и их взаимосвязи с параметрами качества покрытий. Выполнен теоретический анализ физико-химических процессов, протекающих в дисперсных системах алюминатных и силикатно-щелочных электролитах, наиболее применяемых в приборостроении при получении покрытий на деталях, выполненных из сплавов на основе алюминия. Проведена экспериментальная оценка изменения химических свойств этих электролитов в процессе эксплуатации. Экспериментально получены функциональные зависимости, отражающие изменение таких параметров качества покрытия, как толщина рабочего слоя, микротвердость и пористость, от выработки электролита. Данные зависимости носят универсальный характер для различных токовых режимов, поскольку выработка определялась как количество электричества, прошедшее через единицу объема электролита за время его непрерывной эксплуатации и с межоперационным хранением. Проведены экспериментальные исследования изменения параметров дисперсной фазы электролитов в процессе эксплуатации. Установлена корреляционная связь между параметрами качества модифицированного слоя и изменением размеров частиц дисперсной фазы электролитов.

Комплекс проведенных исследований позволил заложить принципы прогнозирования изменения параметров качества модифицированного слоя от выработки электролитов, а также рассматривать поведение электролитов в процессе эксплуатации как мелкодисперсных систем с динамически меняющимися параметрами дисперсной фазы.

Третья глава посвящена разработке принципов оптической диагностики работоспособности электролитов на основе исследований изменения оптических характеристик электролитов как дисперсной системы и определение их взаимосвязи с параметрами качества покрытий в процессе эксплуатации.

Теоретически обоснован характер изменения параметров, характеризующих рассеяние и поглощение оптического излучения частицами дисперсной фазы электролитов в процессе эксплуатации.

Выполнены экспериментальные исследования индикатрис рассеяния в среде электролитов на различных этапах эксплуатации.

На основании анализа экспериментальных исследований изменения спектров пропускания электролитов в процессе эксплуатации рекомендовано применение коэффициента пропускания электролита в видимой области спектра как информативного параметра оптической диагностики работоспособности электролита. Получены функциональные зависимости, связывающие параметры качества покрытий с коэффициентом пропускания на фиксированных длинах волн видимого диапазона. При этом исследованы различные режимы как при непрерывной эксплуатации электролита, так и при наличии межоперационного хранения. В результате проведенных исследований сформулированы основные принципы оптической диагностики работоспособности электролитов ПЭО.

Четвертая глава работы посвящена разработке лазерного прибора для диагностики работоспособности электролитов ПЭО. Разработана структурная схема прибора, выполнено обоснование выбора основных конструктивных элементов датчика прибора. Предложен алгоритм обработки информации, обеспечивающий работу прибора в режимах диагностики и прогнозирования параметров качества покрытий. Разработана методика измерения коэффициента пропускания электролита с помощью прибора. Рассмотрены вопросы расширения технологических возможностей прибора путем обеспечения его работы в режиме «калибровка». Предложена методика калибровки прибора.

Выполнен анализ погрешностей измерения параметров качества покрытий при диагностике работоспособности электролитов и разработан математический аппарат оценки погрешностей диагностируемых параметров качества покрытий. Произведена экспериментальная оценка суммарной погрешности прибора при диагностике работоспособности электролитов по параметрам качества покрытий, которая позволила установить доверительные интервалы при определении каждого из параметров качества и проанализировать изменение составляющих суммарной погрешности в зависимости от выработки электролита.

В пятой главе рассмотрены перспективы использования прибора, предложена структурная схема комплексной системы контроля и управления качеством технологического процесса ПЭО на основе системы универсального цифрового управления и мониторинга ПЭО-процесса, в которую интегрирована подсистема диагностики и прогнозирования работоспособности электролита, основой которой является разработанный лазерный прибор оптической диагностики.

В процессе исследований был использован современный математический аппарат в сочетании с вычислительной техникой.

Исследования и разработки проводились в лабораториях кафедр «Технология обработки материалов потоками высоких энергий» и «Технология производства приборов и систем управления летательных аппаратов» «МАТИ» — Российского государственного технологического университета им. К. Э. Циолковского.

Выводы.

На базе разработанного прибора и его включения в систему цифрового управления мониторинга ПЭО, а также получившихся результатов экспериментальных исследований, в настоящей главе:

1. Сформулированы требования к комплексной системе контроля и управления качеством технологического процесса ПЭО.

2. Разработана структурная схема комплексной системы контроля и управления качеством технологического процесса ПЭО на основе системы универсального цифрового управления и мониторинга ПЭО-процесса.

3. Предложено направление дальнейшего совершенствования системы контроля и управления получаемых в процессе ПЭО покрытий.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе, решены следующие основные задачи:

1. Выполнен анализ проблем, связанных с современным состоянием диагностики работоспособности электролитов в плазменно-электролитической обработке, который показал, что перспективы повышения эффективности ПЭО в технологии приборостроения с позиций существенного повышения качественных характеристик деталей приборов связаны с диагностикой работоспособности электролитов, как важнейшего технологического фактора, обуславливающего качество ПЭО покрытий. На основании анализа современных методов диагностики работоспособности электролитов было установлено, что требованиям технологии приборостроения отвечают методы, основанные на взаимосвязи изменения физико-химических свойств электролитов с параметрами качества покрытий, получаемых методом ПЭО.

2. Теоретически установлено и экспериментально подтверждено, что в процессе ПЭО поведение электролитов соответствует состоянию мелкодисперсной среды с динамически меняющимися параметрами дисперсной фазы, причем имеет место корреляция между параметрами качества покрытий и размерами частиц дисперсной фазы. Экспериментально доказано, что диагностика работоспособности электролитов ПЭО может быть основана на анализе изменения характеристик дисперсной фазы.

3. Разработаны принципы прогнозирования работоспособности электролитов в процессе эксплуатации по параметрам качества покрытий: микротвердости, пористости и толщины рабочего слоя на основании базы данных «Прогнозирование» — зависимостей изменения этих параметров от выработки для различных режимов оксидирования, полученных экспериментально.

4. Теоретически обосновано и экспериментально доказано, что коэффициент пропускания оптического излучения в видимой области спектра электролитов ПЭО характеризует изменение их состояния, как мелкодисперсной системы, отражает динамику физико-химических процессов, происходящих в процессе эксплуатации, и может быть принят в качестве информативного параметра оптической диагностики работоспособности.

5. Научно обоснованы и сформулированы принципы оптической диагностики работоспособности электролитов ПЭО, информационным базисом которой стала база данных «Диагностика» — функциональные зависимости параметров качества покрытия от коэффициентов пропускания на фиксированной длине волны, экспериментально полученные для различных режимов ПЭО.

6. Предложены принципы оптической диагностики, которые реализованы при формировании структурной схемы и выборе основных элементов изготовленного опытного образца датчика прибора для оптической диагностики работоспособности электролитов ПЭО.

7. Разработан алгоритм обработки информации прибора, информационной базой которого является совокупность баз данных «Диагностика» и «Прогнозирование», полученных в результате экспериментальных исследований, а также базы данных «Выработка», формируемой для каждого электролита в процессе его эксплуатации. Введен режим работы прибора «Калибровка», обеспечивающий постоянное расширение технологических возможностей прибора при осуществлении диагностики и прогнозирования работоспособности широкого спектра электролитов, эксплуатирующихся в различных технологических режимах при ПЭО деталей, выполненных из различных материалов, позволяющий пополнять соответствующие базы «Диагностика», «Прогнозирование», «Выработка». Предложена методика калибровки и разработано программное обеспечение прибора.

8. Разработан математический аппарат оценки погрешностей диагностируемых параметров качества покрытий, который может быть дополнительно использован в алгоритме обработки информации прибора для расчета погрешностей измерения. Произведена экспериментальная оценка суммарной погрешности прибора, которая позволила проанализировать изменение составляющих суммарной погрешности в зависимости от выработки электролита.

9. В качестве перспективного направления использования прибора разработана структурная схема комплексной системы контроля и управления качеством технологического процесса ПЭО на основе системы универсального цифрового управления и мониторинга ПЭО-процесса, в которую интегрирована подсистема диагностики и прогнозирования работоспособности электролита, основой которой является разработанный лазерный прибор оптической диагностики.