專利名稱：一種自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料表面改性與再制造技術(shù)領(lǐng)域，更具體地說(shuō)，涉及一種自動(dòng)微弧電火花沉積系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在現(xiàn)代化的生產(chǎn)中，機(jī)械設(shè)備、零件維修的重要性越來(lái)越突出。維修也是一種投資，它是與固定資產(chǎn)同樣重要的投資。從這個(gè)角度來(lái)說(shuō)，維修也是生產(chǎn)力。電火花表面沉積與修復(fù)能夠用于已磨損的模具、量具和機(jī)器零件的微量修補(bǔ)，使得設(shè)備正常運(yùn)行，有著顯著的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。電火花沉積是直接利用電火花放電的高密度能量對(duì)金屬的表面進(jìn)行沉積處理的工藝。它把電極材料(硬質(zhì)合金如WC、TIC等)作為工作電極(陽(yáng)極)，在氫氣氣氛中使之與被沉積的金屬工件(陰極)之間產(chǎn)生火花放電，在10_5-10_6秒內(nèi)電極與工件接觸的部位達(dá)到8000 25000°C的高溫，直接利用火花放電的能量，將電極材料轉(zhuǎn)移至工作表面，構(gòu)成沉積層的沉積方法。電極材料與工件材料產(chǎn)生冶金結(jié)合形成沉積層。由于形成含電極材料的合金化的表面沉積層，使工件表面的物理性能、化學(xué)性能和力學(xué)性能得到改善，而其心部的組織和力學(xué)性能不發(fā)生變化。電火花沉積可有效提高零件表面的耐磨性、耐蝕性、熱硬性和高溫抗氧化性等，同時(shí)會(huì)增大表面粗糙度和影響材料的疲勞性能。附圖1給出了電火花沉積的物理過(guò)程。如圖1所示，電火花放電過(guò)程具有接觸放電與擠壓融化兩個(gè)關(guān)鍵步驟，如圖1(b)和(c)所示，接觸放電的電流量由電火花沉積設(shè)備中的電容放電控制，擠壓融化階段的擠壓力基本由操作工掌握，由于采用人工操作，擠壓力難以嚴(yán)格控制，多數(shù)沉積層出現(xiàn)沉積層不連續(xù)、孔隙等缺陷。由于沉積質(zhì)量無(wú)法控制造成該工藝的工業(yè)應(yīng)用遇阻。由于人工進(jìn)行難以對(duì)操作參數(shù)進(jìn)行有效控制，所以沉積質(zhì)量波動(dòng)很大影響了該工藝的工業(yè)應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)中人工操作的不足，研發(fā)和設(shè)計(jì)自動(dòng)的電火花沉積設(shè)備對(duì)于目前電火花沉積工藝的應(yīng)用具有積極的作用，該技術(shù)方案可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電極工件擠壓力的精確控制，實(shí)現(xiàn)擠壓力的檢測(cè)、顯示和反饋控制，能夠保證0-10N(牛頓)的穩(wěn)定擠壓力輸出，為電火花沉積工藝的發(fā)展提供設(shè)備保證。本發(fā)明的目的通過(guò)下述技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)一種自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)，包括沉積槍、電火花沉積電源、工作臺(tái)，其中所述工作臺(tái)上設(shè)置有夾具，用于加持和固定待加工的材料；所述工作臺(tái)上設(shè)置有二維移動(dòng)平臺(tái)，所述二維移動(dòng)平臺(tái)在平面中的運(yùn)動(dòng)軌跡由XY 軸運(yùn)動(dòng)控制器予以控制；所述夾具上設(shè)置有壓力傳感器，用于探測(cè)沉積槍與待加工材料之間的壓力信號(hào)， 并將所述壓力信號(hào)傳遞給Z軸壓力反饋控制器；
所述Z軸壓力反饋控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值和探測(cè)到的壓力信號(hào)，通過(guò)ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制沉積槍的上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在沉積過(guò)程中壓力的穩(wěn)定。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，可采用將沉積槍固定在步進(jìn)電機(jī)(即ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu))上， 再通過(guò)Z軸壓力反饋控制器控制步進(jìn)電機(jī)的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的控制。在本發(fā)明的技術(shù)方案中，XY軸運(yùn)動(dòng)控制器、Z軸壓力反饋控制器可以是兩個(gè)彼此分離的控制電路或者單片機(jī)，分別進(jìn)行預(yù)設(shè)和控制；也可以在一個(gè)單片機(jī)中，設(shè)定兩個(gè)控制模塊，分別作為XY軸運(yùn)動(dòng)控制器、Z軸壓力反饋控制器，實(shí)施預(yù)設(shè)和控制。利用上述自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)進(jìn)行恒定壓力沉積的方法，按照下述步驟進(jìn)行(1)在XY軸運(yùn)動(dòng)控制器中，設(shè)定工件上沉積面的運(yùn)動(dòng)軌跡(2)將沉積槍與ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，將ζ軸壓力反饋控制器與壓力傳感器進(jìn)行連接，同時(shí)在ζ軸壓力反饋控制器上設(shè)置沉積過(guò)程的壓力值(3)連接電火花沉積設(shè)備電源和保護(hù)惰性氣氛，設(shè)定電源的電壓、放電電容值、電流頻率、電極轉(zhuǎn)速參數(shù)(4)實(shí)施沉積工作，Z軸壓力反饋控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值和探測(cè)到的壓力信號(hào)，通過(guò)ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制沉積槍的上下運(yùn)動(dòng)，控制壓力在預(yù)設(shè)壓力范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電火花沉積過(guò)程。所述沉積過(guò)程的壓力值為0-10牛頓，優(yōu)選壓力值為1-5牛頓或者6-9牛頓，更加優(yōu)選的范圍是1.5-2. 5牛頓。由于電火花放電沉積熱輸入極小，該種方法可以應(yīng)用到精密零件的修復(fù)再制造領(lǐng)域，經(jīng)電火花沉積后，在零件表面上形成5 μ m 200 μ m的顯微硬度高達(dá)1100HV 1800HV 的白亮層，并存在過(guò)渡層，表面沉積層與基體的結(jié)合強(qiáng)度高。本發(fā)明還具有優(yōu)點(diǎn)如下(1)減少了由于人工操作所帶來(lái)的工藝參數(shù)難以控制的問(wèn)題，通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)的電火花沉積，避免了由于人為因素造成的沉積質(zhì)量不穩(wěn)定；(2)系統(tǒng)中ζ軸壓力反饋控制器可以實(shí)現(xiàn)一定壓力范圍內(nèi)的穩(wěn)定放電沉積；(3)在合理的壓力參數(shù)與沉積電參數(shù)配合下，可以實(shí)現(xiàn)使的沉積層更加均勻，同時(shí)沉積層中空隙缺陷的發(fā)生率與人工操作降低20-50%，同等條件下該系統(tǒng)對(duì)工件的沉積過(guò)程更穩(wěn)定，沉積層質(zhì)量更好。


圖1是電火花沉積的模型示意圖。圖2是本發(fā)明的技術(shù)方案的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是本發(fā)明的金相照片效果圖(a)不使用本系統(tǒng)所得到的沉積層表面；(b)使用本系統(tǒng)所得到的沉積層表面。圖4是ζ軸壓力反饋控制器示意圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明技術(shù)方案采用方形的304不銹鋼作為沉積工件，沉積電極選擇直徑為3mm 的304不銹鋼，電極與工件選用相同的材料，XY 二維移動(dòng)平臺(tái)選用天津奧特梅爾光電科技有限公司的TDJG-I型多軸型數(shù)控平臺(tái)，ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)選擇常州安科特電機(jī)有限公司57式步進(jìn)電機(jī)23HS4620，電火花沉積設(shè)備選用日本TechnoCoat公司生產(chǎn)的SparkD印o_200型電火花沉積設(shè)備。將沉積槍固定在步進(jìn)電機(jī)上的夾具上，將步進(jìn)電機(jī)與壓力傳感器(利用現(xiàn)有反饋控制原理和器件組裝，其示意圖如附圖4所示)進(jìn)行連接，在ζ軸壓力反饋控制器上設(shè)置沉積過(guò)程的壓力值；連接電火花沉積設(shè)備電源和保護(hù)惰性氣氛，設(shè)定電源的電壓、放電電容值、電流頻率、電極轉(zhuǎn)速參數(shù)。電極在工件的一個(gè)平面進(jìn)行，只進(jìn)行X軸一個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，采用高純氬氣進(jìn)行惰性氣體保護(hù)，氬氣流量為2. 5L/min，具體參數(shù)詳見(jiàn)下表。再利用相同的設(shè)備，采用人工進(jìn)行電火花沉積，然后將獲得的樣品進(jìn)行金相照片的表征，從附圖3所示的結(jié)構(gòu)可以看出，利用本發(fā)明的技術(shù)方案獲得沉積層的厚度比較一致(8. 85-12. 64um)，而且表面粗糙度更小，內(nèi)部的孔洞缺陷較好。
實(shí)驗(yàn)組號(hào)沉積電壓 (V)放電電容 (μΡ)頻率(Hz)電極轉(zhuǎn)速 (rad/min)壓力(N)110 010μ F75100-1502.024820μ F10 0100-1501.5 以上對(duì)本發(fā)明做了示例性的描述，應(yīng)該說(shuō)明的是，在不脫離本發(fā)明的核心的情況下，任何簡(jiǎn)單的變形、修改或者其他本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠不花費(fèi)創(chuàng)造性勞動(dòng)的等同替換均落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)，包括沉積槍、電火花沉積電源、工作臺(tái)，其中所述工作臺(tái)上設(shè)置有夾具，用于加持和固定待加工的材料；其特征在于，所述工作臺(tái)上設(shè)置有二維移動(dòng)平臺(tái)，所述二維移動(dòng)平臺(tái)在平面中的運(yùn)動(dòng)軌跡由XY軸運(yùn)動(dòng)控制器予以控制；所述夾具上設(shè)置有壓力傳感器，用于探測(cè)沉積槍與待加工材料之間的壓力信號(hào)，并將所述壓力信號(hào)傳遞給Z軸壓力反饋控制器；所述ζ軸壓力反饋控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值和探測(cè)到的壓力信號(hào)，通過(guò)ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制沉積槍的上下運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)在沉積過(guò)程中壓力的穩(wěn)定。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)，其特征在于，所述ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為步進(jìn)電機(jī)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)，其特征在于，所述XY軸運(yùn)動(dòng)控制器、Z軸壓力反饋控制器為兩個(gè)彼此分離的控制電路或者單片機(jī)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)，其特征在于，所述XY軸運(yùn)動(dòng)控制器、Z軸壓力反饋控制器設(shè)置在一個(gè)單片機(jī)中。
5.一種利用權(quán)利要求1所述的自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)進(jìn)行恒定壓力沉積的方法，其特征在于，按照下述步驟進(jìn)行(1)在XY軸運(yùn)動(dòng)控制器中，設(shè)定工件上沉積面的運(yùn)動(dòng)軌跡(2)將沉積槍與ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，將ζ軸壓力反饋控制器與壓力傳感器進(jìn)行連接，同時(shí)在ζ軸壓力反饋控制器上設(shè)置沉積過(guò)程的壓力值(3)連接電火花沉積設(shè)備電源和保護(hù)惰性氣氛，設(shè)定電源的電壓、放電電容值、電流頻率、電極轉(zhuǎn)速參數(shù)(4)實(shí)施沉積工作，Z軸壓力反饋控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值和探測(cè)到的壓力信號(hào)， 通過(guò)ζ軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制沉積槍的上下運(yùn)動(dòng)，控制壓力在預(yù)設(shè)壓力范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電火花沉積過(guò)程。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)進(jìn)行恒定壓力沉積的方法，其特征在于，所述沉積過(guò)程的壓力值為0-10牛頓。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)進(jìn)行恒定壓力沉積的方法，其特征在于，所述沉積過(guò)程的壓力值優(yōu)選為1-5牛頓或者6-9牛頓。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的利用自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)進(jìn)行恒定壓力沉積的方法，其特征在于，所述沉積過(guò)程的壓力值優(yōu)選為1. 5-2. 5牛頓。
全文摘要
本發(fā)明公開了自動(dòng)電火花沉積系統(tǒng)，包括(1)在XY軸運(yùn)動(dòng)控制器中，設(shè)定工件沉積面的運(yùn)動(dòng)軌跡；(2)將沉積槍與z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)連接，將z軸壓力反饋控制器與壓力傳感器進(jìn)行連接，同時(shí)在z軸壓力反饋控制器上設(shè)置沉積過(guò)程的壓力值；(3)連接電火花沉積設(shè)備電源和保護(hù)惰性氣氛，設(shè)定電源的電壓、放電電容值、電流頻率等參數(shù)；(4)實(shí)施沉積工作，Z軸壓力反饋控制器根據(jù)預(yù)先設(shè)定的壓力值和探測(cè)到的壓力信號(hào)，通過(guò)z軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)控制沉積槍的上下運(yùn)動(dòng)，控制壓力在預(yù)設(shè)壓力范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電火花沉積過(guò)程。本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電極工件擠壓力的精確控制，實(shí)現(xiàn)擠壓力的檢測(cè)、顯示和反饋控制，能夠保證0-10N(牛頓)的穩(wěn)定擠壓力輸出，為電火花沉積工藝的發(fā)展提供設(shè)備保證。
文檔編號(hào)C23C26/02GK102226280SQ201110156788
公開日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年6月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月13日
發(fā)明者力航, 韓敬華, 高瑩 申請(qǐng)人:天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué)