Исследование вольт-амперной характеристики источника питания при электролитноплазменной обработки стали

Актуальность работы
Исследовано влияние технологических режимов, электрических параметров источника питания (далее ИП) при электролитно-плазменном упрочнении стали на показатели качества. Экспериментально установлено, что рассматриваемые факторы режимов электролитно-плазменной обработки влияют на качество упрочняемой поверхности стали [1]. Катод выполнен из стали 20Х (C 0.17-0.23%; Si 0.17-0.37%; Mn 0.5-0.8%; Cr 0.7-1.0%, ГОСТ 33260-2015) вырезанных из плашки ОКК, размерами 10х10х25 мм. Он погружен в электролит (10% водный раствор Na2CO3) на глубину 4…6 мм. Анод изготовлен из нержавеющей стали 12Х18Н10Т ГОСТ 5949-75 [2]. Он имеет форму диска диаметром 50 мм толщиной 2 мм. В диске просверлены отверстия диаметром 4 мм. Плазма возникает между катодом и жидким электролитом, 10% водный раствор кальцинированной соды Na2CO3. Ионы, имеющие отрицательный заряд, отдают избыточные электроны при прохождении через отверстия анода из нержавеющей стали 12Х18Н10Т. Катионы увлекаются гидродинамическим потоком электролита и рекомбинируют на катоде - поверхности образца. Преобразование электрической энергии в тепло идет, в основном, в плазменном слое на нагреваемой поверхности катода.
Программируемый источник питания, рисунок 1, работающий по технологии резонансного импульсного источника питания подключается к промышленной трёхфазной сети 3х380 В, 50 Гц. Вольтметр стрелочный или цифровой 0-300В. Пост местного управления, устанавливаемый стационарно: пост кнопочный с кнопкой пуск/стоп или кнопкой пуск/стоп и потенциометром. Также устанавливается вентилятор с фильтром производительностью 30 куб. м/час, розетка 220В АС для насоса с автоматом 1 полюс 10А для розетки [3]. Выходные параметры ИП: напряжение постоянного тока регулируемое U=50-286B, сила тока регулируемое в пределах I=0-80A. Полупроводниковый выпрямитель ИП, представляет собой трехфазный импульсный источник питания модульной конструкции, оснащённый интерфейсом RS485 с возможностью удалённого мониторинга, плавным регулированием рабочего тока (до 80 А постоянного тока на нагрузке). На лицевой панели модуля имеется светодиодный индикатор для отображения рабочих параметров модуля: силы тока и напряжения.

1- Контур заземления;
2- Входное питание;
3- Панель управления (допускается дистанционное управление)
4- Амперметр;
5- Корпус ИП;
6- Вольтметр;
7- Розетка для насоса;
8- Радиатор охлаждения;
9- Выходные параметры постоянного тока.
Рисунок 1- Общий вид программируемого источника питания.

В источнике предусмотрена защита выхода от перенапряжения. В случае если выходное напряжение превысит порог 320В+-5%, модуль автоматически блокируется, на индикаторе высвечивается сообщение о неисправности. Имеется защита от короткого замыкания – в случае, если выходное напряжение упадёт до 0, ток будет поддерживаться на уровне 15% от номинального значения. Защита от перегрева. Входное напряжение минимальное 3х323В, номинальное 3х380В, максимальное 3х437В. Выходной диапазон напряжения постоянного тока минимум 50В максимум 286В; сила тока регулируется от 0 до 80 Ампер. Мощность источника питания максимальное 80х286=22,88 кВт. Режим работы настраивается DIP-переключателями [4]. Источники питания плазменной дуги имеет крутопадающую внешнюю вольт-амперную характеристику. Управление источником питания осуществляется кнопками «Пуск» и «Стоп», дистанционно. Источник питания позволяет плавно и достаточно точно регулировать основные энергетические параметры.
Сопловой (анодный) узел через электроизоляционный блок стыкуется с катодным узлом. Отрицательный вывод источника постоянного тока присоединяется к образцу (детали) - катоду, а положительный к соплу анода. Между полюсами загорается электролитная плазма, поддерживающая уровень ионизации. Плазменная струя обжимается еще магнитным полем, создаваемым самим потоком заряженных частиц в плазме. Обжатие плазменной струи ведет к росту ее температуры. Нагретый ионизированный поток газа выносится с высокой скоростью из сопла в виде светлой, светящейся плазменной струи. ИП должен формировать на нагрузке чередующиеся биполярные прямоугольные (близкие к прямоугольным) импульсы напряжения: анодные импульсы, положительной полярности: от 50 до 286 В [5]. Формы напряжения, прикладываемые к нагрузке, приведены на рисунке 2.

Рисунок 2 – Циклограмма импульсного напряжения источника питания ЭПМ.

ИП обеспечивает длительности импульсов напряжения на нагрузке в диапазоне:
-анодные импульсы: от 0 до 40 с (допускается с шагом в 8, 6, 4 или 2 секунды), при смене полярности
-катодные импульсы: от 0-40 с (допускается с шагом в 8, 6, 4 или 2 секунды).
Между следующими друг за другом анодным и катодным импульсами возможна бестоковая пауза от 0 до 10 с.
При возбуждении ионизированной плазмы (температура плазмы в пределах от 6000 К до 30000 К) на поверхности образца возникает парогазовый слой - результат диссоциации электролита [6]. Парогазовый слой препятствует попаданию электролита на перегретую поверхность. Это приводит к замедлению скорости охлаждения, что исключает образование термических -закалочных трещин. В результате повышается эксплуатационная стойкость стали.
Экспериментально установлены основные факторы, определяющие качество упрочнения стали при ЭПО - время нагрева, время закалки, и напряжение электрического тока. Составлена математическая модель для описания изменения ключевого параметра технологического процесса упрочнения методом ЭПО - температуры нагрева T [7]. Логарифмическая зависимость температуры T от основных факторов выражается следующим уравнением регрессии:
(1)
С помощью логарифмирования в программе Deductor Studio Academic найдены коэффициенты для уравнения (1). Затем уравнение (1) зависимости температуры нагрева от времени нагрева, времени охлаждения и напряжения было преобразовано в степенное (2):
(2)
где Т- температура нагрева стали, t наг – время нагрева, tохл. – время охлаждения в потоке электролита, U – напряжение [8]. Экспериментально определенные оптимальные режимы упрочнения стали методом ЭПО (tнаг = 4 сек., tохл. = 4 сек., U= 200 В) хорошо коррелируются с установленной зависимостью (2).