Устройство электроискрового легирования металлов

Полезная модель относится к области электрофизических методов обработки металлов, а конкретно, к технологии обработки металла воздействием электрического тока высокой плотности, и может быть использована для увеличения твердости, жаро- и износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин, а также для их маркировки. Предложенное устройство позволяет производить электроискровое легирование металлов с высоким качеством и высокой производительностью. Оно просто в изготовлении, имеет малые весо-габаритные характеристики, низкую себестоимость. Такой технический эффект получен нами, когда в устройстве электроискрового легирования металлов, включающем источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод - детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй - между отрицательной обкладкой конденсатора и электродом-детали, новым является то, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным. Предложено выполнить малоиндуктивный разрядный контур конденсатора коаксиальным кабелем или изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу. 2 з.п.ф. 3 илл.

Предлагаемая полезная модель относится к области электрофизических методов обработки металлов, а конкретно, к технологии обработки металла воздействием электрического тока высокой плотности, и может быть использована для увеличения твердости, жаро- и износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин, а также для их маркировки.

Известно устройство электроискрового легирования (Пат. РФ №2140834, МПК В23Н 9/00, приор. 19.01.1999), которое содержит два источника питания постоянного тока, электрод-инструмент с наконечником, электрод-детали, два ключа и формирователь импульсов, состоящий из двух катушек индуктивности, одна из которых включена в цепь тока легирования. Недостатком такого устройства является низкая производительность и большое энергопотребление, что вызвано малым током легирования из-за дополнительно включенной в разрядный контур конденсатора индуктивности формирователя импульсов.

Наиболее близким к заявленному устройству, выбранному нами в качестве прототипа, является устройство электроискрового легирования металлов [см. Паспорт, установка UR-121 ЕИГА, 443227.001 ПС, Московская обл., г.Подольск, 2007.] (копию документа прилагаем), включающее источник переменного напряжения, подключенные к источнику напряжения катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, при этом разрядный контур

конденсатора выполнен из двух изолированных проводников, один из которых соединяет положительную обкладку конденсатора с электродом-инструментом, а второй - отрицательную обкладку конденсатора с электродом-детали, к которому подключено легируемое изделие.

В этом устройстве под действием переменного тока в катушке индуктивности происходит периодическое втягивание электромагнитным полем электрода-инструмента, вызывая его вибрацию. При касании изделия наконечником электрода-инструмента происходит разряд конденсатора, импульсный ток которого вызывает плавление и испарение твердосплавного наконечника электрода-инструмента и его полярный перенос на изделие.

Основным недостатком этого устройства также являются невысокие производительность и качество легированного покрытия. Это вызвано малой величиной тока разряда конденсатора.

Предлагаемое нами устройство позволяет производить электроискровое легирование металлов с высоким качеством и высокой производительностью. Оно просто в изготовлении, имеет малые весо-габаритные характеристики, низкую себестоимость.

Такой технический эффект получен нами, когда в устройстве электроискрового легирования металлов, включающем источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй - между отрицательной

обкладкой конденсатора и электродом-детали, новым является то, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным. ^* (^* Под малоиндуктивным в электротехнике традиционно понимают контур, в котором выполняется соотношение <R_к, где - волновое сопротивление контура; L и С - индуктивность и емкость контура соответственно; R_к - контактное сопротивление между наконечником и легируемым изделием во время разряда конденсатора. Оно имеет величину (40-60)×10 ^-3 Ом.)

Нами экспериментально было показано, что схемные решения, при которых разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным, приводят к увеличению производительности и качества легируемого покрытия. Это происходит вследствие того, что при малоиндуктивном контуре резко возрастает амплитуда тока разряда, а поскольку тепловое действие тока пропорционально квадрату его величины, то и эффективность вклада запасенной энергии конденсатора значительно больше.

Нами предложено выполнить малоиндуктивный разрядный контур конденсатора коаксиальным кабелем (п.2 Формулы) или изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу (п.3 Формулы).

На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства: фиг.1а - вариант с выполнением разрядного контура конденсатора коаксиальным кабелем, фиг.1б - вариант с выполнением разрядного контура конденсатора изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу, где источник 1 переменного напряжения, катушка 2 вибратора, электрод-инструмент 3, наконечник 4, электрод-детали 5, активное сопротивление 6, конденсатор 7, разрядный контур 8 конденсатора, изделие 9, выпрямитель 10 мостовой.

На фиг.2 представлены осциллограммы тока разряда в установке-прототипе (1), в предлагаемом устройстве, где разрядный контур выполнен коаксиальным кабелем (2) и где разрядный контур выполнен проводниками, расположенными вплотную друг к другу (3), где I - ток (в амперах), t - время (в микросекундах).

На фиг.3 представлен опытный образец предлагаемого устройства электроискрового легирования металлов (вариант по п.3 Формулы).

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Вариант по п.2. Формулы. В исходном состоянии напряжение с источника 1 питания подают на катушку 2 вибратора, ток в которой вызывает периодические, с удвоенной частотой источника 1 питания притягивания к ней электрода-инструмента 3, возврат в исходное состояние которого осуществляется за счет пружины (на фиг. не показана). Одновременно с этим, через выпрямитель 10 мостовой и активное сопротивление 6 заряжается конденсатор 7. При соприкосновении наконечника 4 с изделием 9 через место контакта происходит импульсный разряд конденсатора 7 по цепи: "+" конденсатора 7 - жила коаксиального кабеля 8 - электрод-инструмент 3 - наконечник 4 - изделие 9 - электрод - детали 5 - оплетка коаксиального кабеля 8 - "-" конденсатора 7. Ток разряда вызывает плавление и испарение материала наконечника 4, продукты которого, диффундируя внутрь и осаждаясь на поверхности изделия 9, образуют легирующий слой в месте контакта.

При отрыве электрода-инструмента 3 от изделия 9 за счет роста тока в катушке 2 вибратора начинается повторный заряд конденсатора 7 от источника 1 питания.

Ток разряда I определяется по формуле:

где U₀ - зарядное напряжение конденсатора (В);

- волновое сопротивление разрядного контура (Ом);

С - величина емкости конденсатора (Ф);

L - индуктивность разрядного контура (Гн),

которая для коаксиального кабеля определяется по формуле:

где ₀=4×10^-7 (Гн/м) - абсолютная магнитная проницаемость изоляции кабеля;

=1 - относительная магнитная проницаемость изоляции кабеля;

l - длина кабеля (м);

D и d - диаметры оплетки и жилы кабеля, соответственно.

Расчеты показывают, что величина индуктивности разрядного контура, соединения в котором выполнены коаксиальным кабелем, более чем в 2 раза меньше величины индуктивности, когда соединения выполнены изолированными проводниками, произвольно расположенными в отдалении друг от друга. При этом амплитуда тока возрастает и, как следствие, пропорционально квадрату тока увеличивается тепловыделение в месте контакта, ведущее к увеличению площади легирования, равномерности и "сплошности" покрытия. Все это увеличивает производительность и качество легирования.

Вариант по п.3 Формулы. Исходное состояние, процессы заряда и разряда конденсатора 7 аналогичны рассмотренному выше. Отличительным является то, что ток идет по цепи: "+" конденсатора 7, верхний изолированный провод 8, электрод-инструмент 3, наконечник 4, изделие 9, электрод-детали 5, нижний изолированный провод соединения 8,: "-" конденсатора 7. В этом случае величина индуктивности разрядного контура определяется по формуле:

где L₁, L₂ - величины индуктивности изолированных проводников, соединяющих обкладки конденсатора 7 с электродом-инструментом и с электродом-детали и рассчитываемых как индуктивности уединенных проводников;

М - коэффициент взаимоиндукции между этими проводниками.

Чем ближе проводники расположены друг к другу в контуре, тем больше коэффициент взаимоиндукции М, а, следовательно, уменьшается полная индуктивность L.

Пример конкретного исполнения (вариант по п.3 Формулы).

В качестве источника питания был использован трансформатор ТП154-62 мощностью 60 вт, мост диодный - ВК 1010 (10А.1000 В), активное сопротивление - С5-35 20 ом 50 Вт, конденсатор - К73-16 8,2 мкФ, 100 В, шесть штук, соединенных параллельно; наконечник электрода выполнен из твердого сплава ВК6-М; соединения конденсатора с электродом-инструментом и с электродом-детали выполнены кабелем ШВВП - 2×0,75, длиной 0,9 м (длина проводника в устройстве-прототипе около 1 м).

Было обработано более десяти сверл 10 мм из быстрорежущей стали марки Р6М5. Легировалась заборная часть режущей кромки сверл шириной 2 мм и длиной 10 мм.

В известном устройстве (фиг.2-1) ток разряда имел амплитуду в 1,42 раза меньшее значение, чем в предлагаемом устройстве (фиг.2-3). Поскольку тепловое действие пропорционально квадрату его величины, то в предлагаемом устройстве эффективность вклада запасенной энергии конденсатора 7 - примерно в 2 раза больше.

Следствием этого является то, что при использовании предлагаемого устройства ширина легирующего слоя в 1,3-1,5 раз больше, чем в известном устройстве (измерения осуществлялись штангенциркулем). Кроме того, легирующий слой, полученный предлагаемым устройством, имеет более равномерное и сплошное покрытие (определение посредством лупы с 10-кратным увеличением).

Время, затраченное на легирование одного сверла, было в 1,5-1,7 раз меньше, чем в известном устройстве.

На нашем предприятии отработана технология изготовления опытных образцов предлагаемых вариантов устройств. Идет разработка конструкторской документации,

готовится мелкосерийное производство переносного, малогабаритного устройства электроискрового легирования режущего инструмента, в частности сверл, фрез, метчиков, пил, ножей разного типо-размера со следующими параметрами:

Вес источника питания - 2,5 кг (прототип - 7,8 кг).;

Вес вибратора - 0,11 кг (прототип - 0,7 кг);

Габариты: источник питания - 150×170×90 мм (прототип 264×236×125 мм);

вибратор - 20 мм, l=160 мм (прототип 135×80×45 мм).

Предлагаемыми устройствами электроискрового легирования металлов была также осуществлена маркировка деталей. Благодаря тому, что вибратор устройства весит всего 0,11 кг и имеет малые габариты, оно удобно удерживается в пальцах руки (тип "электрокарандаша"), что ведет к увеличению скорости маркировки и четкости цифро-буквенной информации.

1. Устройство электроискрового легирования металлов, включающее источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй - между отрицательной обкладкой конденсатора и электродом-детали, отличающееся тем, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что малоиндуктивный контур конденсатора выполнен коаксиальным кабелем.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что малоиндуктивный контур конденсатора выполнен изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу.