Способ электроэрозионного легирования токопроводящих материалов

 

Использование: нанесение покрытий на токопроводящие материалы. Сущность изобретения: электроэрозионное легирование проводят с наложением на электрод-инструмент ультразвуковых колебаний. Подачу импульсов технологического тока синхронизируют с колебаниями электрода-инструмента подают между двумя контактированиями электрода с деталью. Перед импульсами технологического тока осуществляют подачу импульсов тока возбуждения начинают в момент контакта электрода с деталью и заканчивают после подачи импульса технологического тока. Время перекрытия импульсов определяют по приведенной зависимости, включающей амплитуды токов и длительность импульса технологического тока. Длительность импульса технологического тока выбирается в зависимости от качества и производительности процесса. Способ обеспечивает высокую стабильность получаемого качества покрытия. 1 ил., 3 табл.

Изобретение относится к электрофизическим методам обработки токопроводящих материалов и может быть использовано для формирования покрытий на деталях машин и инструментальной оснастке с определенными физико-техническими и химическими свойствами. Известен способ электроискрового легирования в условиях периодического контактирования электродов с ультразвуковой частотой и модуляцией импульсов разрядного тока, возбуждаемых только на траектории сближения электродов. Недостатками данного способа являются нарушение условий модуляции при изменении частоты ультразвукового генератора и длины электродов в процессе обработки при использовании программного модулятора из-за изменения фазовых соотношений между колебаниями ультразвукового генератора и конца электрода, а также отсутствие синхронизации начала импульсов тока по отношению к колебаниям электрода-инструмента. При этом электроискровой разряд может начинаться в любой момент времени на траектории сближения электродов, что делает процесс нестабильным при низком коэффициенте использования энергии импульса. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ электроэрозионного легирования в условиях периодического контактирования электрода-инструмента с обрабатываемой деталью с ультразвуковой частотой. Недостатками данного способа является то, что импульсы электроискрового разряда могут начинаться только в момент отрыва электродов. При этом, во-первых, в случае больших амплитуд колебаний и малом времени контактирования часть энергии импульса тока будет уходить при нарастании амплитуды на создание токопроводящего канала, а импульс тока при наибольшей длительности, равной 1/2 периода ультразвуковых колебаний, заканчиваться близко к максимуму амплитуды, что снижает коэффициент использования энергии импульса и производительность процесса. Во-вторых, при уменьшении времени нахождения на зазоре меньше 1/4-1/2 периода ультразвуковых колебаний импульсы тока будут заканчиваться на контакте, что приведет к появлению токов короткого замыкания, снижению производительности, увеличению шероховатости, ухудшению качества, а также к отсутствию воспроизводимости результатов. Целью изобретения является повышение качества покрытия на счет уменьшения шероховатости поверхности, повышение производительности процесса, воспроизводимости результатов. Поставленная цель достигается тем, что согласно способу электроэрозионного легирования, при котором электроду-инструменту задают колебания ультразвуковой частоты, фиксируют контакт электрода с деталью и с заданной частотой подают импульсы технологического тока в интервалах между последовательными контактированиями электрода с деталью, перед импульсами технологического тока осуществляют подачу импульсов тока возбуждения, при этом в пределах одного периода ультразвуковых колебаний импульс тока возбуждения начинают в момент контакта электрода с деталью и заканчивают после подачи импульса технологического тока, а время перекрытия Δt импульсов тока возбуждения и технологического тока выбирают из условия где I_тех амплитуда импульса технологического тока; I_воз амплитуда импульса тока возбуждения; t_тех длительность импульса технологического тока. Установлено, что уменьшение шероховатости поверхности покрытия, повышение производительности, воспроизводимость результатов, формирование покрытия с заданными физико-техническими и химическими свойствами возможно только в случае подачи импульсов тока возбуждения, формирующего токопроводящий канал, подачи импульса технологического тока в промежутках между контактированиями электрода инструмента, перекрытия импульсов тока возбуждения и технологического тока. Введение тока возбуждения, позволяет начинать импульс технологического тока в любой момент времени на траектории движения электрода-инструмента как на отходе, так и на подходе к обрабатываемой поверхности при напряжении электроискрового разряда намного меньше пробивного для данного зазора, что исключает влияние условий пробоя межэлектродного промежутка на процесс формирования электроискрового разряда. Введение жесткой синхронизации колебаний технологического тока с привязкой к моменту начала и окончания контактирования позволяет более оптимально использовать энергию импульса технологического тока. При этом формирование импульса технологического тока между двумя контактами замыкания и выброс материала, повышает коэффициент массопереноса, исключает возможность "залипания" электродов и ухудшения шероховатости, повышает качество обрабатываемой поверхности. Величина импульса тока возбуждения может изменяться в предварительно определенном диапазоне. Диапазон величин импульсов тока возбуждения связан с обрабатываемым материалом и материалом электрода-инструмента. Минимальная величина импульса тока возбуждения (I_{возб.макс}) связана с возможностью создать токопроводящий канал за время одного колебания электрода-инструмента. Если на максимальном межэлектродном зазоре величины импульса тока возбуждения не хватает для создания токопроводящего канала, то при подаче импульса электроискрового разряда часть энергии расходуется на его создание. В результате этого снижается коэффициент использования энергии импульса электроискрового разряда, что приводит к снижению производительности процесса. Максимальная величина импульса тока возбуждения (I_{возб.макс}) связана с началом структурных изменений в поверхностном слое обрабатываемого изделия при контактировании электрода-инструмента с обрабатываемым изделием, превышение которой приводит к снижению производительности, выбросам материала, увеличению шероховатости поверхности обрабатываемого изделия. Под структурными изменениями подразумевается изменение фазового состава, а именно, появление дополнительных дифракционных линий на дифрактограмме, полученной с обработанной поверхности при использовании дифрактометра типа ДРОН-3 по отношению к исходной дифтактограмме, полученной с необработанной поверхности. Максимальный ток возбуждения определяется предварительно путем постепенного увеличения его амплитуды при отсутствии импульса технологического тока и фиксирования изменения фазового состава обрабатываемой поверхности с использованием дифрактометра типа ДРОН-3. Диапазон амплитуды импульсов технологического тока выбирается от величины импульса тока возбуждения, при которой начинаются структурные изменения поверхностного слоя обрабатываемого изделия (I_{возб.макс}), до амплитуды, при которой происходит расплавление электрода-инструмента и его деформирование при контактировании (I_{тех.макс}). Превышение величины амплитуды импульса технологического тока I_{тех.макс} приводит к расплавлению электрода-инструмента при контактировании с обрабатываемым изделием, что ухудшает шероховатость и снижает производительность процесса. Амплитуду импульса технологического тока определяют предварительно. Причем крайний предел амплитуды импульса технологического тока для конкретного материала электрода-инструмента и обрабатываемого материала в зависимости от сечения электрода-инструмента имеет различное значение. При одной и той же энергоемкости импульса технологического тока расплавление электрода-инструмента и его деформирование будет происходить быстрее с уменьшением сечения. Способ может быть осуществлен с помощью концентратора ультразвуковых колебаний, магнитостриктора генератора ультразвуковой частоты, генератора импульсов тока прямоугольной формы с регулированием длительности импульса и блока управления работой генераторов. Пропускание тока возбуждения можно осуществить с помощью стабилизатора тока со стробированием либо последовательно соединенных источника напряжения, токоограничивающего сопротивления и транзисторного ключа, работающего под воздействием блока управления. Момент контакта можно выявить с помощью датчика контакта, реагирующего на величину тока или напряжения от дополнительного источника, подключенного к электроду-инструменту и обрабатываемой поверхности, а в сигнале с датчика известными техническими средствами (дифференциатор) выделяется начало и окончание контакта. Начало импульса технологического тока осуществляется с задержкой по отношению к концу контакта. При этом регулирование времени задержки импульса технологического тока по отношению к концу контакта можно осуществить с помощью простейших средств аналоговой или цифровой техники (управляемый интегратор, счетчик, сумматор образцовых интервалов времени). Форма импульса тока возбуждения и импульса технологического тока близка к прямоугольной. Форма импульса технологического тока не влияет на достижение положительного эффекта, а связана только с его энергоемкостью. Энергоемкость импульса определяет время проработки единицы площади. Длительность импульса тока возбуждения устанавливается автоматически, так как импульс тока возбуждения начинается в момент начала контактирования электрода-инструмента с обрабатываемым изделием и заканчивается после подачи импульса технологического тока. Длительность технологического тока выбирается требуемым качеством и необходимой производительностью процесса. На чертеже приведена временная диаграмма реализации способа при начале импульса в конце контакта при t_зад=0 и при задержке импульса технологического тока на величину t_зад.1, где t_зад время задержки импульса технологического тока по отношению к концу контакта, t_конт время контакта электродов. В первом случае с начала контакта через контактирующие электроды пропускают ток возбуждения с перекрытием импульса технологического тока на величину Δt. С момента, определяемого t_зад=0, начинают импульс технологического тока длительностью t_тех.1 и оканчивают его до начала следующего контакта. Во втором случае с начала контакта через контактирующие электроды пропускают ток возбуждения с перекрытием импульса технологического тока на величину Δt. С момента, определяемого t_зад.1, в межэлектродном промежутке начинают импульс технологического тока длительностью t_тех.2 и оканчивают до начала следующего контакта. Привязка начала импульса технологического тока к концу контактирования электродов ведет к независимости процесса от шероховатости обрабатываемой поверхности, изменения периода ультразвуковых колебаний электрода-инструмента. Способ осуществляется следующим образом. Легирующий электрод-инструмент укрепляют в концентраторе ультразвуковых колебаний. Приводят электрод-инструмент, колеблющийся с периодом T_узг в соприкосновение с обрабатываемым изделием, устанавливают импульс тока возбуждения и импульс технологического тока. При этом предварительно определяют диапазон изменения импульсов тока возбуждения и диапазон изменения импульсов технологического тока. Примеры, характеризующие приведенные в формуле положения, приведены в табл. 1 3 для амплитуды колебания электрода-инструмента20 мкм, периоды T_узг= 45 мкс, t_конт=6 мкс, периода следования импульсов технологического тока=450 мкс. Выбор величины длительности импульса технологического тока от 5 мкс связан с переходными процессами, которые протекают при использовании элементной базы. Уменьшение длительности меньше 5 мкс ведет к снижению производительности процесса, т.к. импульс технологического тока развивается не полностью. При этом максимальная длительность импульсов тока электроискрового разряда выбирают величиной, непревышающей t_тех=T_узг-t_конт. Превышение длительности импульса тока электроискрового разряда больше длительности между концом и началом следующих друг за другом контактов электрода-инструмента с деталью приводит к попаданию разряда на контакт, что ведет к появлению токов короткого замыкания, снижению производительности процесса, появлению выбросов материала, ухудшению шероховатости поверхностного слоя обрабатываемого изделия. Так, например, при обработке изделия из быстрорежущей стали P18 с использованием в качестве материала электрода-инструмента твердого сплава ВК 8, минимальная величина тока возбуждения 3A, максимальная 15A. Максимальная величина амплитуды импульса технологического тока 32A. Приведенные данные свидетельствуют о достижении наилучших результатов по производительности и шероховатости обработанной поверхности при наличии тока возбуждения и импульса технологического тока длительность которого не превышает длительности между концом и началом следующих друг за другом контактов электрода-инструмента с обрабатываемым изделием. В табл. 2 приведены данные по производительности, шероховатости, фазовом составе обработанной поверхности при начале импульса тока возбуждения, сдвинутого относительно начала контактирования на 3 мкс и попадающего на середину контактирования, для примеров, приведенных в описании способа. Наблюдается снижение производительности процесса при начале импульса тока возбуждения на контакте электрода-инструмента и с обрабатываемой поверхностью. Очевидно это связано с предварительной ионизацией загрязнений на обрабатываемой поверхности, ее предварительной очистку и подготовку. В табл. 3 приведены данные по перекрытию величины импульса тока возбуждения и импульса технологического тока для примеров, приведенных в описании способа. При выходе за величину перекрытия Δt наблюдается снижение производительности.

Формула изобретения

Способ электроэрозионного легирования токопроводящих материалов, при котором электроду-инструменту задают колебания ультразвуковой частоты, фиксируют контакт электрода с деталью и с заданной частотой подают импульсы технологического тока в интервалах между последовательными контактированиями электрода с деталью, отличающийся тем, что, с целью повышения качества покрытия за счет уменьшения шероховатости поверхности, повышения производительности процесса и воспроизводимости результатов, перед импульсами технологического тока осуществляют подачу импульсов тока возбуждения, при этом в пределах одного периода ультразвуковых колебаний импульс тока возбуждения начинают в момент контакта электрода с деталью и заканчивают после подачи импульса технологического тока, время перекрытия Δt импульсов тока возбуждения и технологического тока выбирают из условия где I_тех амплитуда импульса технологического тока; I_воз амплитуда импульса тока возбуждения; t_тех длительность импульса технологического тока.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5

PC4A - Регистрация договора об уступке патента Российской Федерации на изобретение

Номер и год публикации бюллетеня: 11-1998

(73) Патентообладатель:
Семеновских В.М.;Вохмянин П.Б.;Богданов В.С.;Шитов Ю.Н.;Бабинцев Е.И.

Договор № 4477 зарегистрирован 06.09.1996

Извещение опубликовано: 20.04.1998