Управление технологическими процессами электрохимических ванн линий гальванопокрытий

Главная » Литература » Статьи » Управление технологическими процессами электрохимических ванн линий гальванопокрытий
Автор: Литовка Ю.В., Елизаров A.M., Дубинин А.А., Михеев В.В., Ерочин Д.А.

Электролитические процессы нанесения металлопокрытий применяются для защиты изделий от коррозии, защитно-декоративной отделки, восстановления формы изношенных деталей, повышения сопротивления механическому износу, сообщения антифрикционных свойств, отражательной способности, повышения поверхностной твердости, снижения переходного электросопротивления и других целей.

Электролитические процессы нанесения металлопокрытий применяются для защиты изделий от коррозии, защитно-декоративной отделки, восстановления формы изношенных деталей, повышения сопротивления механическому износу, сообщения антифрикционных свойств, отражательной способности, повышения поверхностнойтвердости, снижения переходного электросопротивления и других целей.

Оборудование для нанесения электрохимических покрытий отличается большим многообразием, что вызвано очень широким диапазоном тех¬нических требований, которые не могут быть обеспечены аппаратурой какого-то одного типа. Наибольшее распространение во всех отраслях промышленности получили автооператорные механизированные и автоматизированные гальванические линии благодаря их широким функциональным свойствам.

Гальваническая линия представляет из себя набор ванн, в которых осуществляется один из следующих процессов: подготовительный (обезжиривание, травление, активирование, полирование, промывка); собственно нанесение покрытия; заключительный (нейтрализация, пассивирование, осветление, хроматирование, промывка, сушка).

Во всей технологической цепочке основной является электрохимическая ванна нанесения покрытия, работа которой и определяет результаты функционирования всей линии.

Управление технологическими процессами электрохимической ванны ставит своей целью повышение производительности гальванической линии и улучшение качественных показателей получаемого покрытия. Тесно связана с указанными задача расчета изменения концентрации компонентов электролита по косвенным измерениям.

Ниже рассматриваются разработанные алгоритмы и системы управления технологическими процессами гальванических ванн, позволяющие решать названные задачи.

Управление технологическими процессами может осуществляться как по отдельным критериям, так и с учетом нескольких показателей. Рассмотрим вначале управление процессами по отдельным критериям.

Производительность. 
В качестве критерия производительности будем использовать время 1 нанесения покрытия заданной толщины. Из закона Фарадея следует, что:

где 5з - заданная толщина покрытия; р — плотность металла покрытия; ВТк - катодный выход по току; ik - средняя катодная плотность тока; Э - электрохимический эквивалент.

В предлагаемой системе управления, исходя из уравнения (1), рассчитывается значение средней катодной плотности тока, обеспечивающее наименьшее время нанесения покрытия заданной толщины [1], то есть наибольшую производительность гальванической ванны.

Качественные показатели. 
Одним из важнейших качественных показателей гальванического процесса является равномерность наносимого покрытия. В гальванической ванне электрическое поле будет неоднородным, что приводит к различной толщине покрытия в разных точках поверхности. Неравномерность - явление негативное, так как приводит к дополнительному расходу электроэнергии и металла покрытия, что особенно нежелательно при использовании благородных металлов. Если на некоторых участках покрытие будет иметь толщину меньше заданной (или отсутствовать), то это приводит к браку. Излишняя толщина покрытия может привести к превышению по сравнению с разрешенными допусками линейных раз* меров деталей, в результате могут быть нарушены технологические процессы сборки (например, брак резьбовых соединений).

В качестве управляющих воздействий для достижения наилучшей равномерности в предлагаемой системе управления могут использоваться (по выбору заказчика):

  • расположение относительно детали катода секций мозаичного анода, каждая секция которого может перемещаться в пространстве ванны;
  • напряжение, подаваемое от независимых источников тока на каждую неподвижную секцию мозаичного анода;
  • форма фигурного анода;
  • параметры реверсивного тока (т - часть периода, в течение которого осуществляется включение напряжения «прямой» полярности - в этом случае покрываемая деталь является катодом; т - часть
    периода, в течение которого осуществляется включение напряжения «обратной» полярности; Un, U^ - напряжения, в течение «прямого» и «обратного» включения напряжения соответственно);
  • параметры импульсного тока (амплитуда и частота импульсов);
  • форма и расположение биполярного электрода относительно анода и детали-катода.

Для всех случаев разработаны математические модели, по которым рассчитывается электрическое поле в объеме гальванической ванны и распределение металла покрытия по поверхности детали на основе уравнения Лапласа с нелинейными краевыми условиями 3-го рода, в которые входит геометрия электролитической ячейки (сюда включаются: форма и размер ванны; расположение, форма и размеры анодов и деталей-катодов; расположение, форма и размеры дополнительных элементов — биполярных электродов, токонепро-водящих экранов и т.д.). В эти же краевые условия входят функции анодной и катодной поляризации. 

Кроме того, в математическую модель входят закон Ома в дифференциальной форме, закон Фарадея и зависимости выхода по току от катодной плотности тока, температуры и концентрации компонентов электролита. Правильность расчетов по математическим моделям проверена по экспериментальным данным, как полученным авторами, так и взятыми из независимых литературных источников. Программа расчета осуществляет поиск решения уравнений для любых металлов покрытия и для любых электролитов, включая случаи нелинейной поляризационной кривой (в том числе N-образной, например для хромирования в стандартном электролите).

В предлагаемой системе управления рассчитываются выбранные заказчиком управляющие воздействия, обеспечивающие наилучшую равномерность наносимого покрытия, в том числе и многослойного [2 - 7].
Кроме равномерности наносимого покрытия предлагаемая система управления рассчитывает технологические режимы (катодную плотность тока, температуру), которые обеспечивают наи¬лучшие значения других качественные показатели: микротвердости, пористости и т.д. Расчет ведется по формальным математическим моделям, полученным экспериментально.

В ряде случаев необходимо учитывать сразу несколько критериев. Предлагаемая система способна решать и такие задачи, как например, обеспечить максимальную производительность при равномерности не хуже заданной.

Для управления процессами электрохимического нанесения гальванических покрытий требуется знание изменения концентраций компонен¬тов электролита, от значений которых зависит функция катодного выхода по току.

Для периодических процессов нанесения гальванопокрытий изменение концентрации электролита в ванне обусловлено следующими причинами: расходованием компонентов в процессе электрохимических реакций (особенно при существенной разности катодного и анодного выходов по току), а также химических реакций; испарением растворителя (воды); уносом электролита с обработанными деталями и замещением его водой, вносимой деталями, поступающими на обработку. Отсутствие приборов для прямого измерения концентрации большинства компонентов электролитов, значительные погрешности немногих имеющихся датчиков в условиях сильных электрических полей и высокой агрессивности электролитов приводит к необходимости поиска расчета изменения концентрации с использованием косвенных данных о силе тока, температуре и уровне электролита по математическим моделям электрохимического процесса.

В предлагаемой системе используется библиотека математических моделей, позволяющих рассчитать изменение концентрации для различных случаев: анодные и катодные превращения; наличие химических реакций между компонентами электролита; использование нерастворимого анода и т.д. [8].

Задача управления концентрацией электролита ставится следующим образом: определить моменты времени корректировки состава электролита и осуществить корректировку для выполнения условия:

, где Сmin, Сmax. . - соответственно, минимально и максимально допустимые значения концентрации i-ro компонента электролита.

Методика управления концентрацией заключается в расчете по математическим моделям изменения концентраций компонентов электролита с использованием косвенных данных (температуры, тока, уровня в ванне) и добавления израсходованных компонентов (или нейтрализаторов) [9].

После заполнения гальванической ванны свежим электролитом оператор вводит в систему управления значения исходных концентраций всех компонентов электролита. По поступлении каждой j -ой детали (или пакета деталей) на обработку в систему управления вводится площадь их поверхности.

После загрузки деталей в ванну и включения напряжения питания автоматически измеряются и вводятся в систему управления значения температуры и уровня электролита в ванне, а также величина силы тока. По математической модели осуществляется вычисление концентрации компонентов электролита.

После извлечения деталей из ванны концентрация компонентов электролита корректируется по уравнению, учитывающему унос электролита с обработанными деталями.

Алгоритм управления предусматривает добавление израсходованных компонентов в случае снижения их концентрации ниже заданного минимального предела или добавление нейтрализаторов при превышении концентрации компонента заданного максимального предела. Нейтрализаторы - это химические соединения, которые, входя в химическое взаимодействие с компонентами, концентрация которых превышает заданную, превращают их в нерастворимые соли.

Серьезной проблемой при осуществлении расчетов в системе управления является ввод геометрических характеристик детали, поступающей на обработку. Информация о геометрии детали требуется для расчета электрического поля при решении задачи улучшения равномерности наносимого покрытия. При вычислении изменения концентрации компонентов электролита требуется знать площадь деталей, поступающих на обработку. В предлагаемой системе управления создано программное обеспечение, позволяющее решать указанные геометрические задачи.

Исходной информацией об обрабатывавдетали является ее машиностроительный чертеж в одной, двух или трех проекциях (в зависимости от сложности детали). Далее осуществляется следующая последовательность действий.

  1. Отделение геометрических примитивов (отрезков прямых и кривых линий), имеющих отношение к проекции детали, от прочих элементов чертежа (линий выноски, размерных линий, штри¬ховки, различных текстовых пояснений и т.д.)
  2. Разделение полученного массива геометрических примитивов по принадлежности к проекциям - фронтальной, горизонтальной и профильной.

В случае, когда имеется лишь одна проекция детали (деталь - тело вращения), происходит выделение образующего контура, который при повороте вокруг оси симметрии детали даст ее объемное представление. В случае двух проекций, после получения модели детали вращением образующего контура из первой проекции, производится корректировка модели по характерным линиям второй проекции. Если проекции конечной модели не совпадают с исходными данными чертежа, то она корректируется до получения данного совпадения.

3. Приведение координат геометрических примитивов к декартовой системе координат с началом в одной из вершин модели. Пример полученного после этих этапов чертежа представлен на рис. 1.

4. Генерация каркасной оболочки. На этом этапе осуществляется переход к объемному представлению детали от плоских проекций. При этом в пространстве проецирующей системы координат отображаются все поверхности, ребра и вершины детали - как видимые, так и невидимые

(рис.2). Данный этап присутствует только дл случая трех проекций.

5. Построение полигональной поверхности детали по данным о ее каркасе и визуализация объемного представления детали с удалением невидимых линий. При этом строится трехмерное изображение требуемой детали с заливкой видимых поверхностей различным цветом для объемного восприятия (рис.3).

6. Ориентирование полученного трехмерного изображения детали относительно анода. Этап осуществляется в диалоге с пользователем. При этом под плоскостью анода понимается экран дисплея, а перемещение и вращение детали осуществляется с использованием-манипулятора "мышь". 

После завершения ориентирования изображения детали, осуществляется ввод координат ее поверхностей в программу расчета поля и оптимизации равномерности наносимого покрытия. Кроме того, рассчитываются общая площадь поверхности детали (для расчета изменения концентрации компонентов электролита) и площадь поверхностей, обращенных к аноду.

После завершения ввода геометрических характеристик детали, поступающей на обработку, решается задача получения наиболее равномерного покрытия. Полученное при этом распределение металла покрытия по поверхности детали представляется пользователю в удобной графической форме (рис.4).

На рис.4 представлен результат расчета распределения цинкового покрытия по поверхности детали, полученного из аммиакатного электролита. Для лучшего восприятия результата толщина покрытия увеличена в 1000 раз.