手持式微弧氧化放電裝置的設(shè)計(jì)

呂鵬翔 尹婷婷 程良坤 王 松 許 鑫

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，大連 116200）

1 研究背景

微弧氧化（Micro-arc Oxidation，MAO）是近些年發(fā)展起來(lái)的新興技術(shù)。俄羅斯學(xué)者將其稱為等離子體電解氧化（Plasma Electrolytic Oxidation，PEO）[1]；英國(guó)學(xué)者認(rèn)為微弧氧化是陽(yáng)極火花沉積（Anodic Spark Deposition，ASD）[2]現(xiàn)象；我國(guó)學(xué)者如狄士春等人稱其為微弧氧化[3]；德國(guó)與美國(guó)學(xué)者更愿意稱其為等離子微弧氧化（Plasma Micro-arc Oxidation，PMAO）[4]。

微弧氧化技術(shù)能夠使鋁、鎂、鈦及其合金等閥金屬表面氧化出一層兼具耐磨性與耐腐蝕性的陶瓷膜層[5]，對(duì)提高和強(qiáng)化鋁、鎂、鈦及其合金的機(jī)械性能具有重要作用。它的工作液對(duì)環(huán)境友好，不會(huì)造成污染，是一種環(huán)保的表面處理技術(shù)，受到了工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的關(guān)注。當(dāng)前，微弧氧化處理系統(tǒng)主要由脈沖電源和作為對(duì)電極的工作液槽組成。工件接系統(tǒng)的正極，完全沉浸在工作液中。工作液槽作為對(duì)電極接系統(tǒng)負(fù)極，接通電源后通過(guò)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)在金屬表面生成陶瓷膜層。

微弧氧化后，鋁、鎂、鈦及其合金基材與陶瓷膜層之間的硬度相差明顯[6]。這種硬度梯度會(huì)影響陶瓷膜層與基材之間的結(jié)合力，導(dǎo)致工件在工作中銀膜層脫落而失效。另外，因?yàn)楣ぜ唧w結(jié)構(gòu)復(fù)雜多變，很難一直保證零件所有表面的電場(chǎng)均勻一致，甚至可能因工件尺寸過(guò)大而使其局部露在工作液外，導(dǎo)致處理后陶瓷膜層均勻性降低，使處理后的零件在使用中出現(xiàn)局部脫落的現(xiàn)象，尤其是那些受到較強(qiáng)摩擦力的部分。為了避免發(fā)生生產(chǎn)事故，保證零件能夠繼續(xù)使用，這些脫落表面需要利用微弧氧化局部修補(bǔ)技術(shù)進(jìn)行處理。

微弧氧化局部修補(bǔ)技術(shù)的主要工作目標(biāo)是僅在脫落的局部進(jìn)行微弧氧化處理。對(duì)于安裝精度較高且復(fù)雜的零件，會(huì)因?yàn)椴鸾庑扪a(bǔ)造成生產(chǎn)系統(tǒng)停工，導(dǎo)致時(shí)間和經(jīng)濟(jì)上的巨大浪費(fèi)。此外，現(xiàn)有微弧氧化的浸沒(méi)式處理方式，需要將整個(gè)零件運(yùn)到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行修補(bǔ)，實(shí)施非常困難。若零件出現(xiàn)局部膜層脫落，裸露在外的部分會(huì)受到工作環(huán)境中的酸堿等物質(zhì)的腐蝕，從而加速零件的損壞。輕者工件報(bào)廢，延誤工期，增加成本，重者造成生產(chǎn)事故，破壞生產(chǎn)設(shè)備，帶來(lái)重大損失。因此，設(shè)計(jì)一種便攜式的微弧氧化系統(tǒng)十分必要。

2 裝置的總體方案設(shè)計(jì)

基于上述背景的分析，研制了一種機(jī)理上與微弧氧化相同的手持式便攜裝置。具體設(shè)計(jì)方案是利用管狀電極作為放電的對(duì)電極代替工作液槽，工作液從內(nèi)部噴出，增加了放電間隙的調(diào)控與保持的控制機(jī)構(gòu)，使處理過(guò)程中的放電穩(wěn)定均勻，以利于手持式微弧氧化處理的加工。

針對(duì)上述變化，本文設(shè)計(jì)了手持式陰極噴槍，降低了電源功率，并設(shè)計(jì)了安全保護(hù)措施。它的工作原理如下：電源向極間提供參數(shù)可調(diào)的放電波，待修補(bǔ)零件接電源陽(yáng)極，掃描噴槍的管狀電極接電源陰極，而管狀電極的一端接水泵；修補(bǔ)處理時(shí)，工作液由管狀電極的另一端噴至修補(bǔ)表面，在極間形成微弧氧化放電與冷卻環(huán)境，放電后回流至溶液收集池，凈化后循環(huán)使用。

2.1 手持式微弧氧化電源設(shè)計(jì)

脈沖放電波在極間的電場(chǎng)具有尖端效應(yīng)，使得放電微孔的熔融氧化物溢出增多，有利于修補(bǔ)膜層的連續(xù)生長(zhǎng)，且能保證膜層降低孔隙率，提高硬度，使膜層具有更好的耐磨擦性與耐腐蝕性。因此，本文選用脈沖電源。

考慮到手持式微弧氧化系統(tǒng)以修復(fù)為主要目標(biāo)，主要用來(lái)保護(hù)因裸露而遭到工作液酸堿腐蝕的膜層，因此耐腐蝕性能是膜層的首要特征，耐磨性較為次要。在微弧氧化放電模式中，最常見的有單向和雙向兩種放電模式。其中，單向放電獲得的陶瓷膜層具有很好的耐腐蝕性能。單向放電模式具有電源體積小和功率低、波形控制簡(jiǎn)單以及總體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易于設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。因此，本設(shè)計(jì)采用單向脈沖電源。

電源的輸出方式有恒壓方式和恒流方式兩種。恒壓方式是在微弧氧化放電過(guò)程中始終保持電源的輸出電壓不變，直到放電結(jié)束。該方式有利于控制膜層的最終厚度與粗糙度，且膜層孔隙率較低，具有較好的耐腐蝕性。恒流方式是在微弧氧化放電過(guò)程中始終保持電源的輸出電流不變，直到放電結(jié)束。該方式膜層生長(zhǎng)較快，但是膜層粗糙度和孔隙率較高，MC硬度較高?？紤]到耐腐蝕性是修補(bǔ)膜層的首要性能，故而選擇恒壓輸出方式。

2.2 脈沖電源方案設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了以絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）為核心器件的單向恒壓電源。該電源是典型的閉環(huán)控制，工頻電壓的形成過(guò)程為升壓、整流、濾波和由IGBT斬波后得到脈沖波形輸出到極間。電源的參數(shù)控制主要由單片機(jī)與CPLD和IGBT驅(qū)動(dòng)芯片共同實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)負(fù)責(zé)采集與比較輸入信號(hào)，將脈寬與脈間值解碼后傳給CPLD。CPLD將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭刂菩盘?hào)后輸送給驅(qū)動(dòng)芯片，最終控制IGBT導(dǎo)通與關(guān)斷，形成脈寬與脈間送往極間進(jìn)行放電。極間的檢測(cè)電路采集到電信號(hào)后，再輸送到單片機(jī)進(jìn)行比較，最終形成閉環(huán)反饋。

2.3 手持部結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

手持式微弧氧化系統(tǒng)的陰極為內(nèi)充液式管狀結(jié)構(gòu)，材料為316不銹鋼，安裝固定在手柄內(nèi)部。手柄的采用絕緣材料制成，如圖1所示。

圖1 手持端子結(jié)構(gòu)模型

工作液經(jīng)過(guò)水泵由管狀陰極后端輸入，再由前端噴向工件。管狀陰極表面敷有一層高可靠性的絕緣材料，以防止漏電而傷害操作人員。圖2中的擋板結(jié)構(gòu)主要是為了防止工作液的反向噴濺，也起到了保護(hù)操作人員的作用。管狀陰極與電源陰極導(dǎo)線相連接，并用螺釘緊固保證鏈接可靠。進(jìn)行手持式微弧氧化處理時(shí)，操作人員需握住手柄，使管狀陰極的前端接觸到待加工表面。調(diào)節(jié)好放電間隙后，在工件表面慢慢移動(dòng)，隨著放電的進(jìn)行，會(huì)在修復(fù)表面生成微弧氧化膜層。

工作液在手持式微弧氧化系統(tǒng)的工作過(guò)程中是循環(huán)利用的。噴向工件表面的工作液主要起到提供放電環(huán)境和冷卻的作用，進(jìn)行局部修補(bǔ)處理的同時(shí)，在工作區(qū)域下方利用收集池進(jìn)行收集，等待二次利用。需要指出的是，循環(huán)動(dòng)力源使用的是耐強(qiáng)酸強(qiáng)堿潛水泵。

3 安全保護(hù)措施的設(shè)計(jì)

由于電子器件的限制，在手持式修復(fù)處理過(guò)程中，陰極與陽(yáng)極不可發(fā)生短路。然而，人工手持操作很難保證萬(wàn)無(wú)一失，且很難保證極間的放電間隙穩(wěn)定。因此，本文設(shè)計(jì)了極間距離調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，以滿足上述要求。在管狀陰極的外表面安裝一個(gè)絕緣的硬管，該管緊貼在管狀陰極表面，可手動(dòng)調(diào)節(jié)，不易滑脫。加工時(shí)，根據(jù)修復(fù)工藝的要求，選擇適當(dāng)?shù)姆烹婇g隙，然后調(diào)節(jié)絕緣硬管至超出管狀陰極放電端，使得管狀陰極包含在硬管內(nèi)部。工人使用時(shí)，只需要將硬管的端部緊貼在修復(fù)表面，慢慢移動(dòng)即可。硬管端部設(shè)有鋸齒，以便工作液流出。整個(gè)裝置在工人使用時(shí)非常方便與安全，能夠很好地提高加工效率和膜層的質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了手持式微弧氧化放電裝置，包括有利于局部修復(fù)工藝的小功率單向恒壓脈沖電源設(shè)計(jì)、基于管狀陰極的手持式噴液機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及極間放電間隙的解決方案的設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了相關(guān)安全保護(hù)措施。