反激式微弧氧化功率電源及其脈沖作用效能的研究.pdf

1、微弧氧化是一種在鋁、鎂、鈦等金屬及其合金表面原位生成陶瓷相氧化膜的表面改性新技術(shù)，因其生成的膜層具有優(yōu)良的耐磨、耐蝕性能而受到了廣泛的關(guān)注。在微弧氧化應(yīng)用研究中，提高膜層性能、拓展該技術(shù)的適用金屬范圍一直是研究的重點(diǎn)，而隨著該技術(shù)工業(yè)應(yīng)用的發(fā)展，由工藝能耗過(guò)大導(dǎo)致的成本過(guò)高的問(wèn)題日益突出，降低微弧氧化電能消耗也成為了研究的重點(diǎn)。脈沖電源是微弧氧化工藝中的關(guān)鍵設(shè)備，其特性和參數(shù)特別是脈沖形式和脈沖能量對(duì)膜層性能和工藝能耗有重要的影響，因此

2、研究微弧氧化脈沖電源的負(fù)載特性，明確脈沖對(duì)負(fù)載的作用效能，并在此基礎(chǔ)上改進(jìn)電源特性和脈沖形式，對(duì)改善膜層性能、降低工藝能耗從而促進(jìn)微弧氧化技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用有重要的意義。
　　通過(guò)研究方波電流脈沖幅值、占空比、頻率對(duì)膜層的影響，進(jìn)一步明確了脈沖能量是影響氧化過(guò)程的關(guān)鍵因素。以由電化學(xué)阻抗譜法得到的多孔膜等效電路模型為基礎(chǔ)，采用對(duì)微弧氧化電源負(fù)載實(shí)際波形進(jìn)行參數(shù)擬合的方法，得到了能夠反映負(fù)載在脈沖作用下的特性的等效電路模型。結(jié)合該等效

3、電路模型分析了電壓脈沖和方波電流脈沖對(duì)負(fù)載的作用效能，明確了無(wú)益于膜層生長(zhǎng)的多余能量的消耗，是導(dǎo)致工藝能耗增大、膜層質(zhì)量和性能下降的主要原因，為電源特性改進(jìn)和脈沖形式優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。
　　為了提高脈沖作用效能，同時(shí)有效控制脈沖能量，提出了一種可以輸出具有陡直前沿的尖峰電流脈沖的反激式微弧氧化功率電源方案，電源采用多電流脈沖單元組合結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同方式的組合可實(shí)現(xiàn)多種工作模式以滿(mǎn)足不同的工藝需要。電流脈沖單元利用耦合電感儲(chǔ)存、傳遞

4、能量，實(shí)現(xiàn)了高頻隔離，通過(guò)控制耦合電感原邊繞組峰值電流并配合頻率調(diào)節(jié)使脈沖單元工作在斷續(xù)或臨界斷續(xù)狀態(tài)，從而在負(fù)載上得到單個(gè)脈沖能量可控的尖峰電流脈沖。為提高脈沖能量、增大電源輸出功率，以具有高飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度的鐵基非晶合金為鐵芯設(shè)計(jì)了耦合電感。為保證輸出電流脈沖的能量可控，對(duì)脈沖波形控制進(jìn)行了研究，建立了在微弧氧化電源負(fù)載條件下，電流脈沖單元耦合電感原、副邊繞組進(jìn)行能量交換時(shí)的等效電路模型，分析了原、副邊繞組漏感和負(fù)載參數(shù)及其剩余電壓對(duì)

5、電流脈沖波形的影響，給出了控制脈沖波形的有效方法。
　　為了使反激式微弧氧化功率電源能靈活地構(gòu)成不同的工作模式，以滿(mǎn)足各種不同的微弧氧化工藝要求，研究了電流脈沖單元的多種并聯(lián)組合方式。分析了當(dāng)脈沖單元直接并聯(lián)時(shí)，各單元耦合電感原邊繞組電感量的差異對(duì)單元輸出脈沖能量一致性、脈沖輸出同步性的影響。并聯(lián)單元數(shù)量較多時(shí)，主要采用主從控制方式，確保脈沖同步性；并聯(lián)單元數(shù)量較少時(shí)，對(duì)各單元的峰值電流進(jìn)行修正，確保脈沖能量一致性。為了增加脈沖單

6、元在普通陽(yáng)極氧化階段的輸出功率，使負(fù)載上的平均電壓盡快達(dá)到起弧電壓，采用了單元交錯(cuò)并聯(lián)的控制方式，使脈沖頻率和輸出電流得以增大，同時(shí)又避免了單純?cè)龃髥卧}沖頻率時(shí)開(kāi)關(guān)管無(wú)法保持零電流開(kāi)通的問(wèn)題。分析了將兩單元直接反并聯(lián)構(gòu)成變極性電流脈沖電源時(shí)，在兩個(gè)耦合電感副邊繞組中形成的環(huán)流對(duì)輸出電流脈沖和開(kāi)關(guān)管開(kāi)通條件的影響，提出了一種利用帶有自續(xù)流電路的晶閘管作為阻斷環(huán)流開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)正、負(fù)雙向電流脈沖輸出的變極性電流脈沖組合拓?fù)洹?br>　　為了驗(yàn)

7、證反激式脈沖電源的節(jié)能效果和尖峰電流脈沖的作用效能，在以鑄鋁為基體材料的工件表面進(jìn)行了微弧氧化工藝實(shí)驗(yàn)研究。在加工工件數(shù)量及加工結(jié)束條件相同的條件下，對(duì)采用各自的優(yōu)化參數(shù)的方波電流脈沖電源和反激式脈沖電源的能耗進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明采用反激式脈沖電源，微弧氧化工藝的單位能耗明顯降低。在脈沖峰值和脈沖寬度相同的條件下，采用方波和尖峰電流脈沖得到的膜層厚度幾乎相同，但采用尖峰電流脈沖，電源輸出功率更低，脈沖作用效能更高。
　　另外，采用