Устройство для электровзрывной обработки поверхности материалов
Владельцы патента RU 2473712:
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Сибирский государственный индустриальный университет" (RU)
Изобретение относится к устройству для электровзрывной обработки поверхности материалов. Устройство содержит источник постоянного напряжения для заряда конденсаторной батареи, коммутирующее устройство, силовую батарею конденсаторов, производящую разряд для взрыва фольги, разрядное устройство, электровзрывной ускоритель. Дополнительный независимый источник постоянного напряжения одним полюсом подключен к обрабатываемому изделию, другим полюсом - к электроду электровзрывного ускорителя, имеющему по отношению к нему противоположный потенциал, и через диод этим же полюсом - к электроду электровзрывного ускорителя противоположной полярности для выравнивания потенциалов на обоих электродах и фольге. Технический результат заключается в повышении коэффициента использования материала в электровзрывных установках. 2 ил.
Изобретение относится к технике нанесения металлических покрытий, в частности к электровзрывному легированию сверл, деталей машин и др.
Известно устройство [1] для электростатического нанесения порошкообразных материалов на подложку, содержащее камеру внешнего слоя с размещенным в ней узлом зарядки порошка, который выполнен в виде пары электродов, соединенных с высоковольтным импульсным источником.
Недостатком устройства является ограниченная производительность процесса покрытия изделия вследствие слабой электризации и слабой энергии активации, которая определяется энергией распыления и электростатическим полем, вследствие чего требуется производить несколько циклов напыления.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к заявляемому устройству является выбранное в качестве прототипа устройство [2] для нанесения покрытий электрическим взрывом фольги. Устройство содержит источник питания, конденсаторную батарею, вольтметр, ключ управления зарядкой конденсаторной батареи, разрядное устройство, электроды испарителя, испаряемый материал, изоляторные подложкодержатели, рабочую камеру. Недостатком прототипа является низкий коэффициент использования материала (КИМ) вследствие обтекания формируемой многофазной плазменной струей поверхности обрабатываемого изделия, с уносом части расплава фольги.
Задачей заявляемого изобретения является повышение КИМ формируемой плазменной струи на поверхность обрабатываемого изделия и улучшение качества покрытия за счет повышения равномерности распределения конденсата по поверхности подложки. Для чего к термодинамическим силам, производящим напыление, прибавляются электрические силы путем предварительной электризации взрываемой фольги и ускорения и направление расплава электростатическим полем.
Задача достигается тем, что устройство для электровзрывной обработки поверхности материалов содержит разрядную камеру с электродами, силовую батарею конденсаторов, предназначенную для разряда для взрыва фольги, разрядное устройство и источник постоянного напряжения для заряда батареи конденсаторов, оно снабжено дополнительным независимым источником постоянного напряжения, коммутирующим устройством для коммутации процесса заряда силовой конденсаторной батареи, электродом для создания дополнительного ускорения продуктов взрыва фольги и диодом, при этом электроды в разрядной камере разделены изолятором, один из них выполнен в виде цилиндрического коаксиально-торцевого электрода, а другой - в виде кольцевого электрода внешнего по отношению к цилиндрическому, один полюс дополнительного источника постоянного напряжения предназначен для подключения к обрабатываемому изделию, а другой полюс - для подключения к фольге, имеющей по отношению к нему противоположный потенциал, и через диод - к электроду в разрядной камере противоположной полярности для выравнивания потенциалов электродов и фольги.
К электровзрывной установке подводится напряжение от другого независимого источника постоянного напряжения таким образом, что на обрабатываемое изделие подается один потенциал, а на коаксиальные электроды подается обратный потенциал. Между электродами подключена электрическая цепь, содержащая диод, таким образом, что напряжение, подаваемое для взрыва фольги, имеет обратную полярность по отношению к диоду, потенциал, подключенный к фольге имеет прямую полярность по отношению к диоду, что позволяет придать фольге потенциал, и она будет иметь благодаря конденсаторной установке, установленной во втором независимом источнике питания избыток зарядов определенного знака. Использование диода позволяет выровнять потенциал между всеми частями фольги и обоими электродами, равномерно зарядить их зарядом выбранного знака на всем отрезке времени как до взрыва, также в момент взрыва и после взрыва. На обрабатываемом изделии напротив будет избыток зарядов противоположного знака. При проведении взрыва фольги многофазная плазменная струя увлекается в сопло газодинамическими и электрическими силами, при этом расплав фольги будет иметь приданный заряд и будет испытывать дополнительное усилие для концентрирования на обрабатываемом изделии под действием электростатического поля, подаваемого в зону взрыва от второго источника питания. Введение дополнительного электростатического поля повышает КИМ на 20…25% по сравнению с обработкой без него.
Устройство поясняется чертежом, где на фиг.1 представлено устройство для электровзрывной обработки поверхности материалов, на фиг.2 - импульсный плазменный ускоритель. Оно состоит из источника постоянного напряжения 1 для заряда конденсаторной батареи, производящей взрыв фольги; коммутирующего устройства 2; силовой конденсаторной батареи 3, производящей разряд для взрыва фольги; разрядного устройства 4; электровзрывного ускорителя 5; диода 6 для выравнивания потенциалов электродов и фольги; дополнительного независимого источника постоянного напряжения 7 для создания ускоряющего электростатического поля и придания потенциала взрываемой фольге и обрабатываемому изделию.
Источник постоянного напряжения 1 состоит из автоматического выключателя QS1, подающего напряжение на всю электроустановку; автоматического выключателя QS2, подающего напряжение на контур взрыва фольги; автотрансформатора TV1 и высоковольтного трансформатора TV2, создающих рабочее напряжение для контура взрыва фольги; выпрямительных диодов VD1-4, осуществляющих преобразование переменного напряжения в постоянное; резистора Rзар, осуществляющего ограничение амплитуды зарядного тока конденсаторной батареи.
Коммутирующее устройство 2 состоит из тиристора VS1, осуществляющего коммутацию процесса заряда силовой конденсаторной батареи СВ1; дросселя L, осуществляющего сглаживание пульсаций выпрямленного тока для обеспечения открытого состояния тиристора VS1 в период заряда.
Силовая конденсаторная батарея СВ1 состоит из параллельно подключенных импульсных конденсаторов. На шины батареи с обратной полярностью подключен диод VD5 для обеспечения апериодического характера процесса заряда и разряда батареи.
Разрядное устройство 4 состоит из тиристора VS2, включающего, по команде, процесс разряда силовой батареи СВ1 на фольгу.
Электровзрывной ускоритель 5 состоит из коаксиально-торцевых электродов - внутреннего цилиндрического электрода 8, внешнего кольцевого электрода 9, разделенных изолятором 10, и разрядной камеры 11, локализующей продукты взрыва и переходящей в сопло. Электровзрыв происходит в результате пропускания через проводник 12 тока большой плотности при разряде конденсаторной батареи. Продукты взрыва истекают в вакуумируемую технологическую камеру 13 с остаточным давлением 100 Па. Держатели образцов 14 обеспечивают фиксированное на определенной высоте от сопла положение облучаемого образца 15. За образцом находится электрод 16 для создания дополнительного ускорения продуктов взрыва.
Диод 6 состоит из диодной сборки, выдерживающей высоковольтные обратные напряжения.
Дополнительный независимы источник постоянного напряжения 7 состоит из автоматического выключателя QS3, осуществляющего подачу напряжения на электростатический контур; автотрансформатора TV3 и высоковольтного трансформатора TV4, создающего напряжение для получения статического поля для заряда фольги и обрабатываемого изделия; диоды VD 7-10 служат для преобразования переменного напряжения в постоянное; силовой батареи СВ2, служащей для создания электростатического поля и придания необходимых потенциалов фольге и изделию.
Устройство работает следующим образом. С помощью трансформаторов TV1 и TV2 устанавливается необходимая величина постоянного напряжения для заряда силовой батареи СВ1 зарядом нужной мощности. С помощью тиристора VS1 производится включение процесса заряда батареи СВ1 до нужного значения, тиристор VS1 закроется после того, как ток заряда станет равен нулю. Сглаживающий дроссель L служит для предотвращения закрывания тиристора VS1 при пульсациях выпрямленного напряжения. С помощью автоматического выключателя QS3 подается напряжение в схему дополнительного независимого источника питания. С помощью трансформаторов TV3, TV4 устанавливается необходимое постоянное напряжение, которое подается одним полюсом на обрабатываемое изделие, другим на фольгу. С помощью батареи СВ2 создаем необходимую электризацию фольги и изделия. Таким образом, получаем ускоряющее электростатическое поле и заряжаем фольгу и изделие противоположными потенциалами. С помощью диода VD6 предаем потенциал на противоположный электрод для того, чтобы электроды и фольга имели одинаковый электростатический заряд до взрыва, в момент взрыва и после взрыва. Включением тиристора VS2 производится разряд силовой батареи СВ1 на фольгу. При этом фольга взрывается, продукты взрыва газодинамическими силами и электростатическим полем выбрасываются через электровзрывной ускоритель на обрабатываемую поверхность. При этом расплав фольги, содержащейся в продуктах взрыва, и имеющий полученный заряд дополнительно ускоряется электростатическим полем и притягивается на изделие электростатическими силами, что увеличивает производительность работы установки, толщину и качество получаемого покрытия.
Источники информации
1. А.с. СССР 673154 В05D 1/06, В05В 1/08. Способ электростатического нанесения порошкообразных материалов на подложку и устройство для его осуществления.
2. А.Н.Головяшкин, Д.В.Лежнев. Получение тонких пленок медно-цинковых сплавов методом электрического взрыва в вакууме. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, 2001, №2 С.42-44.
Устройство для электровзрывной обработки поверхности материалов, содержащее разрядную камеру с электродами, силовую батарею конденсаторов, предназначенную для разряда для взрыва фольги, разрядное устройство и источник постоянного напряжения для заряда батареи конденсаторов, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным независимым источником постоянного напряжения, коммутирующим устройством для коммутации процесса заряда силовой конденсаторной батареи, электродом для создания дополнительного ускорения продуктов взрыва фольги и диодом, при этом электроды в разрядной камере разделены изолятором, один из которых выполнен в виде цилиндрического коаксиально-торцевого электрода, а другой - в виде кольцевого электрода внешнего по отношению к цилиндрическому, причем один полюс дополнительного источника постоянного напряжения предназначен для подключения к обрабатываемому изделию, а другой - для подключения к фольге, имеющей по отношению к нему противоположный потенциал, и через диод - к электроду в разрядной камере противоположной полярности для выравнивания потенциалов электродов и фольги.
