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镁合金轮毂微弧氧化电源及过程控制系统研制

作　者: 贾金龙
导　师: 马跃洲
学　校: 兰州理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 镁合金轮毂微弧氧化过程控制脉冲电源 80C196KB
分类号: TG174.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着镁合金用量的不断增长,提高其表面性能的要求日益迫切,微弧氧化工艺作为一种极具潜力的表面处理方法被广泛关注。然而,微弧氧化过程受多种因素影响且涉及材料学、电弧物理、电化学、电力电子和控制系统等多个领域和学科,因此,许多问题至今尚未有明确的结论。本文以镁合金轮毂的微弧氧化工艺为主要研究目的,以微弧氧化过程放电现象、负载波形及氧化膜层形貌为研究对象,通过理论分析和实验验证,提出微区电弧放电机理和模型,明确了微弧氧化对电源的要求,并据此研制了面向工业生产的大功率微弧氧化电源。利用该电源完成了镁合金轮毂微弧氧化的过程控制,实现了自动控制、提高了效率和质量,为工业生产提供了指导意义。论文工作主要包括以下内容:设计的面向工业生产的大功率微弧氧化脉冲电源,其主电路通过IGBT并联和保护等措施,解决了输出电流的冲击问题,使功率电子器件可靠运行。以16位高性能单片机80C196KB为核心,研制了电源控制系统硬件电路,并以输出脉冲波形和伏安特性控制为关键,完成了控制算法和系统软件的开发。以单片机AT89C52为核心研制了过程控制系统,设计了人性化的人机界面,使设备的易用性、适应性和操作性能得以保证。配合所设计的通讯协议,两个单片机系统之间经由串行异步通讯交换数据,并可通过RS-232C通讯接口与上位机联接,为今后实现微弧氧化加工中心提供支持。研制的设备经测试达到了预期技术目标,并初步通过了应用考核。利用研制的电源,在大量实验和理论分析的基础上,根据不同时期微弧氧化的工艺特点,提出了四阶段控制方案,在每个阶段内,按照预置参数分别控制电流或电压、脉冲频率、占空比、脉冲输出形式、工作时间等微弧氧化相关参数。试验结果表明,所设计的过程控制方案工艺重复性好、膜层质量稳定可靠、成膜效率高、电源能量利用率高。研究发现电源加载方式和参数对微弧氧化过程影响显著。可选择电压增量和恒定电流两种方式加载,并在大量实验的基础上制定了过程控制的参数选择范围,具有一定的生产指导意义。

全文目录

插图索引  9-12
插表索引  12-13
摘要  13-15
Abstract  15-17
第1章绪论  17-30
  1.1 问题的提出  18-21
    1.1.1 镁合金的耐蚀性问题  18-19
    1.1.2 提高镁合金耐蚀性的方法  19-20
    1.1.3 微弧氧化表面处理技术  20-21
  1.2 镁合金轮毂的发展现状  21-22
  1.3 微弧氧化技术的研究现状  22-27
    1.3.1 国外微弧氧化工艺研究现状  22
    1.3.2 国内微弧氧化技术研究现状  22-24
    1.3.4 微弧氧化电源的研究发展概况  24-27
  1.4 研究内容及技术路线  27-30
    1.4.1 研究内容及目标  27-29
    1.4.2 技术路线  29-30
第2章微弧氧化机理及其对电源的要求  30-41
  2.1 实验材料及方法  30-32
    2.1.1 实验材料及试样制备  30-31
    2.1.2 实验设备及膜层性能检测  31-32
  2.2 微弧氧化膜层生长过程  32-35
    2.2.1 阳极氧化阶段  32-33
    2.2.2 微弧氧化阶段  33
    2.2.3 大弧放电阶段  33-34
    2.2.4 起弧电压和大弧电压  34-35
  2.3 微弧氧化的机理研究和建模  35-39
    2.3.1 微区电弧放电的条件  35-36
    2.3.2 微区电弧放电过程及建模  36-37
    2.3.3 微区电弧引起的热循环  37-39
  2.4 微弧氧化电源的基本要求  39-40
    2.4.1 燃弧时间和冷却时间  39
    2.4.2 电源电压的基本要求  39
    2.4.3 微弧氧化理想的电压波形  39-40
  2.5 本章小结  40-41
第3章镁合金轮毂微弧氧化电源研制  41-56
  3.1 电源总体设计方案  41-43
  3.2 电源主电路  43-52
    3.2.1 主电路拓扑结构及其保护电路  43-45
    3.2.2 整流电路及滤波电路  45-47
    3.2.3 滤波电路  47-48
    3.2.4 斩波电路  48-51
    3.2.5 抗干扰措施  51-52
  3.3 各种输出方式的实现  52-55
    3.3.1 直流方式  52
    3.3.2 单极性脉冲输出方式  52-53
    3.3.3 双极性脉冲输出方式  53-54
    3.3.4 带放电回路的脉冲输出方式  54-55
  3.4 本章小结  55-56
第4章镁合金轮毂微弧氧化的过程控制  56-83
  4.1 控制电路设计  56-69
    4.1.1 单片机系统电路  56-59
    4.1.2 信号采样电路  59-60
    4.1.3 可控硅同步触发电路  60-65
    4.1.4 IGBT驱动电路  65-69
  4.2 控制系统软件设计  69-72
    4.2.1 输出脉冲波形调制  69-70
    4.2.2 PID控制  70-72
  4.3 过程控制程序流程  72-76
    4.3.1 微弧氧化操作主流程图  72-73
    4.3.2 手动方式参数设置  73-74
    4.3.3 程控方式参数设置  74-75
    4.3.4 微弧氧化过程控制程序流程  75-76
  4.4 过程控制系统及人机界面  76-82
    4.4.1 单片机系统电路  76-80
    4.4.2 串行接口及通讯协议  80-82
  4.5 本章小结  82-83
第5章工艺试验的比较研究及过程控制方案制定  83-107
  5.1 电源脉冲形式的影响及优化  83-89
    5.1.1 双极性脉冲模式  83-85
    5.1.2 带放电回路脉冲  85-87
    5.1.3 单极性脉冲  87-89
  5.2 输出伏安特性及加载方式的影响及优化  89-95
    5.2.1 恒流模式及优化  90-92
    5.2.2 恒电压增幅输出及优化  92-95
  5.3 脉冲参数的影响及优化  95-98
    5.3.1 脉冲频率的影响及优化  95-97
    5.3.2 占空比的影响及优化  97-98
  5.4 轮毂外观及装夹方式的影响  98-99
    5.4.1 轮毂缺陷的影响  98-99
    5.4.2 装夹方式的影响  99
  5.5 过程控制方案的制定  99-104
    5.5.1 恒流模式下的过程控制  100-103
    5.5.2 恒压模式下的过程控制  103-104
  5.6 参数的合理取值范围  104
  5.7 设备的实际应用性能  104-105
  5.8 本章小结  105-107
结论  107-109
参考文献  109-115
致谢  115-116
攻读学位期间发表的学术论文  116

镁合金轮毂微弧氧化电源及过程控制系统研制

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