CN101942691B - 一种控制电解电流密度的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种控制电解处理中电流密度的方法和装置，利用工业计算机或单片机等控制系统软硬件，实时自动采集、记录零件在电解加工过程中的电流、电压、温度、时间(时刻)等工艺参数；让控制系统按建立的数学模型公式，实时计算出阳极氧化过程中的电流密度并实现自动控制，使现场生产工人能实时、精确、直观地了解掌握零件在电解加工过程中的电流密度，从而实现对产品零件加工过程准确的质量控制，确保产品质量稳定。

Description

一种控制电解电流密度的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种电源，特别是用于电解处理的直流电源。

背景技术

在电镀、阳极氧化等电解处理过程中，通过零件的电流密度是进行处理过程重要的一项工艺参数，它直接关系到处理的零件是否因电流密度过小出现膜厚不足或无镀膜、氧化膜生成，或因电流密度过大而出现烧蚀等严重质量问题。

但现有设备只具有电流、电压、处理时间、总安时数、恒流/恒压氧化处理方式选择等显示、控制功能，无显示电流密度的功能，更无法直接控制电流密度的大小。

根据定义，电流密度是指工件单位表面积上通过的电流，即：电流密度＝回路总电流/零件总表面积。由此可知，电流密度的大小直接取决于通过零件的总电流和零件的总表面积，即要想知道电流密度的大小，必须知道通过零件的总电流和零件的总表面积。在电路上，通过零件的总电流是很容易检测得到的，但要想测算出每次所处理零件的总表面积几乎是不可能的，因为每次所氧化处理零件的外形和数量都会各种各样、多少不一，因此，给生产工人预置、控制电流密度带来不可逾越的困难。

由于目前国内研制生产的各种电源均无显示和控制电流密度的功能，现场生产工人只能凭经验来粗略掌握控制零件在电解处理过程中的电流密度，对电流密度值无法进行精确、量化、直观的显示和控制。对产品质量无法实现准确的过程控制，从而影响加工产品质量的稳定性。

发明内容

本发明通过试板与零件类比的方法，利用工业计算机或单片机等控制系统软硬件，实时自动采集、记录零件在电解加工过程中的电流、电压、温度、时间(时刻)等工艺参数；让控制系统按建立的数学模型公式，实时计算出阳极氧化过程中的电流密度并实现自动控制，使现场生产工人能实时、精确、直观地了解掌握零件在电解加工过程中的电流密度，从而实现对产品零件加工过程准确的质量控制，确保产品质量稳定。

本发明方法步骤为：

1)标定：

a、制作试板，表面积为S；

b、将试板表面积S数据预置入控制装置中；

c、设定电源的输出电压或电流，将装挂好的未处理试板浸没放入槽液中；

d、启动电源输出进行电解，控制装置在程序控制下在设定时刻采集、记录此时电源输出的电压(U₀)、输出的总电流(I_0j)和槽液温度(t_j)；

e、本次标定完成，取出试板；

f、将槽液温度分别控制在各种常用温度下，重复上述c、d步骤；

2)电解加工：

a、将零件装挂在挂架上；

b、将零件放入槽液中，启动电源输出，控制装置在规定的时刻采集、记录电源输出的电压(U_x0)、输出的总电流(I_x0)和槽液温度(t_j)。

c、控制装置根据槽液温度t_j对应的I_0j、U₀，计算

$k=\frac{U_{x0}}{U_0}.\frac{I_{0j}}{I_{x0}}.\frac{1}{S}$

3)电流密度控制：

零件电解处理的电流密度为

i_x＝kI_x

I_x为电源输出的总电流

一种可控制电流密度的电源，包括电源、电流密度控制装置，电流密度控制装置包括：

数据存储单元，存储标定时，试板面积S、温度t_j及其对应的电流电压；

控制单元，根据电解加工时电压U_x0、电流I_x0和槽液温度t_j，及对应温度下的标定数据电压U₀、输出的总电流I_0j，得到

则零件电解处理的电流密度为i_x＝kI_x，再与设定的电流密度i_x0比较，根据比较结果，调节电流或电压，使i_x＝i_x0。

本发明具有以下有益效果：

可使现场生产工人能实时、精确、直观地了解掌握零件在电解处理过程中的电流密度等关键工艺数据，从而使这些关键工艺参数从目前只能模糊粗略、滞后的凭操作人员经验控制的状况，转变为清晰量化、实时、自动控制，实现对产品零件加工过程准确的质量控制，提高产品质量的稳定性。

附图说明

图1可控制电流密度的电源示意图

具体实施方式

参见图1，本发明以阳极氧化为例进行说明：

在由电流密度控制电源、槽液、零件(或试板)、线路铜排、阳极零件挂架和阴极铅板等组成的阳极氧化处理回路中，回路负载主要由零件(或试板)表面所对应的槽液等效电阻、零件表面生成的氧化膜等效电容、以及该氧化膜的漏电阻构成；

对于阳极氧化，加电氧化处理初期，零件(或试板)表面的氧化膜还未形成，整个电路的负载特性表现为纯电阻性，即负载为零件(或试板)表面所对应槽液的等效电阻R_x，此时氧化膜的等效电容C_m＝0，氧化膜的漏电阻R_m＝0；

随着氧化处理的进行，零件表面的氧化膜逐渐生成；随着氧化膜的生成，回路负载的电容特性逐渐表现出来。但由于整个零件表面氧化膜的厚度δ_m都极薄(一般只有几μm～几十μm)，且表面积S_x较大，根据平板电容表达式：

可知，零件表面氧化膜的等效电容C_m很大，而容抗

很小；又由于氧化膜为电气绝缘体，所以其漏电阻R_m很大。在氧化电路中X_o与R_m为并联关系，所以氧化膜的等效阻抗Z_m：

即：

由于式中ωC_m·R_m＞＞1，所以：对于氧化膜的阻抗而言，其漏电阻R_m可以忽略不计；

由此可知，整个零件表面氧化膜阻抗是很小的。在零件阳极氧化加工过程中，电气回路的负载电气特性主要由槽液性质决定。零件表面氧化膜的大电容特性主要影响电压的波形，对回路电流影响较小。

标定

将试板夹持在零件挂架上并放入槽液中，待电流密度控制电源有电流输出后，控制装置的控制单元对试板阳极氧化处理初期阶段某规定时刻的电压U₀、电流I_0j、槽液温度t_j这3个数据自动进行采集并保存到控制装置的数据存储单元。

试板左右两侧对应槽液的导电面积分别记为：S_0l、S_0r；左右侧距阴极导电板最近的距离分别记为：L_0l、L_0r；各自对应的槽液电阻分别为：R_0l、R_0r。

由于零件挂架及试板放入氧化处理槽后均位于氧化槽的中间位置，所以试板左右两侧距阴极导电板的距离基本相等，且可近似为槽宽的一半，即因此有：

在整个槽液标定系统中，由于试板左右侧导电表面所对应的槽液电阻在系统电路上为相互并联关系，所以在某一槽液温度下处理初期有槽液总电阻R₀：

即：

根据欧姆定律，该槽液温度下有：

因此有：得：

${\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}=2\·\frac{U_0}{I_{0j}}\·\frac{S}{W}$ .................①

由于槽液电阻率ρ_ti随温度发生一定变化，相同电源输出电压U₀下由于槽液温度t_j的不同，相同试板会产生不同的总电流I_0j。因此，在对槽液电气特性进行标定，对相同输出电压、不同槽液温度下的总电流进行标定。控制装置的控制单元按下表将数据计入数据存储单元：

阳极氧化

设共有n个各型零件夹持在零件挂架上同时放入槽液中进行处理加工。各个零件左侧对应槽液导电表面积分别记为：S_1l、S_2l、S_3l、…、S_il、…、S_nl，右侧对应槽液导电表面积分别记为：S_1r、S_2r、S_3r、…、S_ir、…、S_nr；各个零件左侧距阴极导电板最近的距离分别记为：L_1l、L_2l、L_3l、…、L_il、…、L_nl，右侧距阴极导电板最近的距离分别记为：L_1r、L_2r、L_3r、…、L_ir、…、L_nr；各自对应的槽液电阻分别为：R_1l、R_2l、R_3l、…、R_il、…、R_nl和R_1r、R_2r、R_3r、…、R_ir、…、R_nr。

由于零件挂架及零件放入处理槽后均位于槽的中间位置，所以各零件左右表面距阴极导电板的距离基本相等，且可近似为槽宽的一半，即

因此有：

$L_{11}=L_{21}=L_{31}=...=L_{\mathrm{il}}=...=L_{\mathrm{nl}}=L_{1r}=L_{2r}=L_{3r}=...=L_{\mathrm{ir}}=...=L_{\mathrm{nr}}=\frac{1}{2}\·w$

在整个氧化系统中，由于各零件导电表面之间、同一零件的左右侧导电表面之间所对应的槽液电阻在系统电路上为相互并联的关系，所以有槽液总电阻R_x：

$\frac{1}{R_x}=\frac{1}{R_{1l}}+\frac{1}{R_{1r}}+\frac{1}{R_{2l}}+\frac{1}{R_{2r}}+\frac{1}{R_{3l}}+\frac{1}{R_{3r}}+...+\frac{1}{R_{\mathrm{il}}}+\frac{1}{R_{\mathrm{ir}}}+...+\frac{1}{R_{\mathrm{nl}}}+\frac{1}{R_{\mathrm{nr}}}=\frac{2\·S_x}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}\·W}$

由上式可知：

$S_x=\frac{1}{2}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{ti}}\·W}{R_x}$ ..................②

同理，在零件电镀过程中和未形成氧化膜的氧化处理初期，等效电容C_m＝0，等效电阻R_m＝0，根据欧姆定律有氧化初期总电流：

即：

将上面①、③两式代入②中得：

根据电流密度定义式

并将上面④式代入后得：

即

得电流密度的一般表达式为：

$i_x=\frac{U_{x0}}{U_0}\·\frac{I_{0j}}{I_{x0}}\·\frac{1}{S}\·I_x$

设： $k=\frac{U_{x0}}{U_0}\·\frac{I_{0j}}{I_{x0}}\·\frac{1}{S},$

则：i_x＝k·I_x  .......................................⑤

在

式中S、I_0j、U₀这3个物理值在试板“标定”时通过操作者预置和控制装置在处理初期自动采集、记录并保存到控制装置中；I_x0、U_x0这2个物理量值则是在零件“加工”时通过控制装置在处理初期自动采集、记录并保存到控制装置去中的；控制装置在采集I_x0、U_x0值时，同时还自动采集、记录了初期对应时刻的槽液温度，并根据实际槽液温度自动选取对应的回路总电流值I_0j，当实际槽液温度处于标定时的某两个温度之间时，控制装置将自动取两个温度对应电流的平均值作为该温度下的标定回路总电流I_0j。所以，上面⑤式中的k值是以每次零件阳极氧化开始处理后的初期(如加电后5秒)的电流、电压为基准，由控制装置自动计算出，在整个电解处理过程中k为一恒定值，电流密度i_x与电源输出总电流I_x成正比。

零件在电解处理过程主要有两种控制模式：恒压控制与恒流控制。当同时需要控制电流密度时，可以以电流密度为参照进行电流、电压控制：

a调节电流密度i_x，使电压恒定：

$U_x=\frac{i_x}{k}\·Z_x$

b调节电流密度i_x，使电流恒定：

$I_x=\frac{i_x}{k}$

当零件的宏观性状不发生变化时，上述内容也适用与电镀等电解处理过程，只是整个电路的负载特性表现为纯电阻性。

Claims (4)

1.一种控制电解电流密度的方法，其步骤为：

1)标定：

a、制作试板，表面积为S；

b、将试板表面积S数据预置入控制装置中；

c、设定电源的输出电压或电流，将装挂好的未处理试板浸没放入槽液中；

d、启动电源输出进行电解，控制装置在设定时刻采集、记录此时电源输出的电压U₀、输出的总电流I_0j和槽液温度t_j；

e、本次标定完成，取出试板；

f、将槽液温度分别控制在各种常用温度下，重复上述c、d步骤；

2)电解加工：

a、将零件装挂在挂架上；

b、将零件放入槽液中，启动电源输出，控制装置实时或在规定的时刻采集、记录电源输出的电压U_x0、输出的总电流I_x0和槽液温度t_j；

c、控制装置根据槽液温度t_j对应的I_0j、U₀，计算

$k=\frac{U_{x0}}{U_0}\·\frac{I_{0j}}{I_{x0}}\·\frac{1}{S}$

3)电流密度控制：

零件电解处理的电流密度为

i_x＝kI_x

I_x为电源输出的总电流。

2.采用权利要求1所述控制电解电流密度的方法进行恒压控制的的方法，其特征在于，调节电流密度i_x，使电压：

$U_x=\frac{i_x}{k}{\·Z}_x$

Zx为回路阻抗。

3.采用权利要求1所述控制电解电流密度的方法进行恒流控制的方法，其特征在于，调节电流密度i_x，使电流：

$I_x=\frac{i_x}{k}.$

4.一种控制电流密度的电源，包括电源、电流密度控制装置，其特征在于，所述电流密度控制装置包括：

数据存储单元，存储标定时，试板面积S、温度t_j及其对应的电流电压；

控制单元，根据电解加工时电压U_x0、电流I_x0和槽液温度t_j，及对应温度下的标定数据电压U₀、输出的总电流I_0j，得到

则零件电解处理的电流密度为i_x＝kI_x，再与设定的电流密度i_x0比较，根据比较结果，调节电流或电压，使i_x＝i_x0。

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