Стипендия Президента Российской Федерации для молодых ученых и аспирантов, осуществляющих перспективные научные исследования и разработки по приоритетным направлениям модернизации российской экономики, проект № СП-4896.2022.5

Руководитель проекта: Голубков П.Е., кандидат технических наук, доцент кафедры «Информационно-измерительная техника и метрология»

Технология микродугового оксидирования (МДО) позволяет формировать защитные покрытия легких сплавов, значительно превосходящие конкурентных аналогов по эксплуатационным характеристикам. МДО-покрытия находят применение в машиностроении и транспорте, авиации, ракетно-космической и оборонной промышленности, приборостроении, медицине и др., однако данная технология еще не получила широкое внедрение по причине недостаточной изученности и низкой управляемости. С одной стороны, процесс МДО характеризуется большим количеством разнородных факторов, действующих одновременно, что приводит к отклонению свойств покрытий от требуемых значений и выходу их за пределы допуска. С другой стороны, в настоящее время свойства МДО-покрытий (в частности, толщина), преимущественно исследуются на готовых синтезированных образцах в лабораторных условиях; лишь некоторые установки МДО позволяют косвенно измерять эти свойства в процессе формирования покрытий, однако они имеют низкую точность (погрешность измерения толщины покрытия – порядка 10 %). Таким образом, использование результатов высокоточных измерений параметров МДО-покрытий для управления процессом МДО является актуальной научной задачей. Для решения указанной задачи предложено разработать интеллектуальную автоматизированную систему МДО, оснащенную высокоточными измерительными каналами параметров МДО-процесса и формируемых покрытий и позволяющую управлять процессом формирования покрытий при помощи обратной связи на основе результатов измерений в автоматическом режиме.

Цель проекта: повышение управляемости МДО-процесса и качества формируемых покрытий путем разработки автоматизированной системы МДО, обладающей усовершенствованным аппаратным, программным, информационным и метрологическим обеспечением и позволяющей реализовать автоматизированный управляемый синтез МДО-покрытий с требуемыми свойствами.

Задачи проекта:

1. Разработка структуры и принципов работы интеллектуальной автоматизированной системы МДО.
2. Разработка источника технологического тока с полным диапазоном регулирования параметров выходного сигнала с использованием последних достижений схемотехники импульсных силовых устройств.
3. Разработка структуры и метрологического обеспечения измерительных каналов параметров процесса МДО и формируемых покрытий, обладающих повышенной точностью.
4. Разработка алгоритма работы программного обеспечения интеллектуальной системы, реализующего автоматизированный управляемый синтез МДО-покрытий на основе программной обратной связи.
5. Разработка макета интеллектуальной автоматизированной системы МДО, включающего уникальное аппаратное и программное обеспечение.
6. Испытание разработанного макета интеллектуальной автоматизированной системы, в том числе проведение метрологических испытаний для подтверждения гарантированной точности измерения параметров МДО-процесса и формируемых покрытий.

Ожидаемые результаты проекта

1. Разработка структуры интеллектуальной автоматизированной системы МДО, включающей уникальное аппаратное (импульсный источник технологического тока с широким диапазоном регулирования выходного сигнала, измерительные каналы параметров МДО-процесса и формируемых покрытий и их метрологическое обеспечение), программное и информационное обеспечение, позволяющие на основе разработанных методик управляемого синтеза и программной обратной связи реализовать получение высококачественных МДО-покрытий с требуемыми свойствами.
2. Разработка структуры импульсного источника технологического тока с полным диапазоном регулирования параметров выходного сигнала.
3. Разработка структуры и метрологического обеспечения измерительных каналов параметров процесса МДО и формируемых покрытий, отличающихся повышенной точностью.
4. Разработка алгоритма работы программного обеспечения интеллектуальной системы, реализующего автоматизированный управляемый синтез МДО-покрытий на основе программной обратной связи.
5. Разработка макета интеллектуальной автоматизированной системы МДО. Подтверждение работоспособности разработанного макета интеллектуальной автоматизированной системы, устранение возникших недостатков.
6. Подтверждение по результатам метрологических испытаний соответствия метрологических характеристик измерительных каналов требуемым характеристикам точности.
7. Получение образов МДО-покрытий и подтверждение соответствия их параметров требуемым свойствам.

Достигнутые результаты проекта

Проведен анализ возможностей современных отечественных и зарубежных установок микродугового оксидирования с точки зрения структуры, принципов работы и КПД, установлены их преимущества и недостатки. Выявлены перспективные технические решения, которые целесообразно использовать при разработке интеллектуальной автоматизированной системы микродугового оксидирования в рамках данного проекта.

Разработана структура (рисунок 1) и принципы работы интеллектуальной автоматизированной системы МДО, включающей уникальное аппаратное (импульсный источник технологического тока с широким диапазоном регулирования выходного сигнала, измерительные каналы параметров МДО-процесса и формируемых покрытий и их метрологическое обеспечение), программное и информационное обеспечение, позволяющие на основе разработанных методик управляемого синтеза и программной обратной связи реализовать получение высококачественных МДО-покрытий с требуемыми свойствами.

Рисунок 1 – Структура интеллектуальной автоматизированной системы микродугового оксидирования 

Разработанный источник технологического тока имеет следующие технические характеристики:
– диапазон регулирования анодного напряжения: 0 .. +800 В;
– диапазон регулирования катодного напряжения: 0 .. +200 В;
– максимальный средний ток через образец: 2 А;
– максимальный импульсный ток через образец: 20 А;
– рабочая частота импульсов технологического тока: 0 .. 10 кГц;
– форма импульсов напряжения: прямоугольная;
– коэффициент полезного действия: не ниже 80 %;
– скважность импульсов: регулируемая;
– порядок следования импульсов: регулируемый;
– режим работы: анодный и анодно-катодный;
– питание от однофазной сети переменного тока: 220 В 50 Гц.

Область применения.

Проект направлен на решение актуальной научной задачи повышения управляемости и эффективности технологии нанесения защитных покрытий на изделия из легких металлов и сплавов (алюминий, магний, титан) методом микродугового оксидирования. В частности, для этого необходима разработка нового технологического оборудования, которое имеет повышенный по сравнению с существующими аналогами коэффициент полезного действия (КПД) и позволяет реализовать автоматизированный управляемый синтез микродуговых оксидных покрытий с требуемыми свойствами.

Разрабатываемая интеллектуальная автоматизированная система микродугового оксидирования востребована на производстве, поскольку она позволит сократить длительность отработки технологического процесса нанесения микродуговых оксидных покрытий, повысить их качество и снизить затраты электроэнергии за счет высокого КПД источника технологического тока.