Патент на изобретение №2311995

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к технологии электроразрядной обработки поверхности, в частности к способу электроразрядной обработки поверхности и устройству для электроразрядной обработки поверхности с целью образования покрытия, состоящего из электродного материала или вещества, получающегося в результате воздействия на материал электрода энергии импульсного разряда между электродом и обрабатываемой деталью. При этом в качестве электрода применяется неспеченная прессовка, полученная с помощью прессования порошка металла, порошка смеси металлов или керамического порошка.

Уровень техники

Основной целью при нанесении покрытия из твердых металлов, таких как карбид титана (Ti С) традиционным методом электроразрядной обработки поверхности является достижение его износостойкости при комнатной температуре.

В настоящее время возрастает потребность в получении покрытия, которое обладает износостойкостью и смазочные свойства в условиях высокой температуры окружающей среды. В качестве примера рассмотрен случай лопасти турбины газотурбинного авиационного двигателя, показанного на Фиг.10.

Как показано на Фиг.10, турбинная лопасть 101 имеет большое количество лопаток, которые соприкасаются и закреплены между собой, причем лопатки вращаются вокруг вала (не показан). При вращении этих лопаток места их контакта подвергаются сильному изнашиванию и биению при воздействии высоких температур.

Стандартные покрытия, стойкие к изнашиванию и имеющие смазочную способность при обычной температуре, – неэффективны при высоких температурах (выше 700°С), при которых работает турбинная лопасть, поскольку покрытие окисляется под действием высокой температуры. Поэтому для деталей, используемых при высокой температуре, покрытие (толстое покрытие) выполняется из сплава, включающего в себя металл, для образования оксида, имеющего смазочную способность, и наносится посредством сварки или напыления.

Эти процедуры требуют квалифицированной ручной работы. При сварке концентрированный подвод тепла к поверхности приводит к образованию трещин и деформации. Для решения этих проблем возникает необходимость создания альтернативной технологии получения покрытия.

В связи с этим предлагается способ формирования покрытия на поверхности обрабатываемой детали при помощи импульсного разряда (в дальнейшем электроразрядная обработка поверхности) (патент Японии №3227454).

В последнее время возрастает потребность в получении не только твердого керамического покрытия с целью достижения износостойкости при обычной температуре, а также и плотного покрытия толщиной порядка 100 мкм при использовании электроразрядной обработки поверхности. Однако когда электроразрядная обработка поверхности происходит в диэлектрической жидкости, в частности масле, карбон в масле и металл реагируют друг с другом, образуя карбид. Поэтому чрезвычайно трудно получить покрытие из материала, образующего карбид, такого как титан, используя электроразрядный способ обработки поверхности.

Более того, предложены технологии получения покрытия с помощью прессования при использовании электрического разряда в газовой среде (см. выложенные заявки Японии №6-269936 и №11-264080). Однако покрытие формируется при ручном подключении напряжения 80-200 В между вращающимся электродом и обрабатываемой деталью, что затрудняет получение стойкого покрытия.

С учетом вышесказанного в последнее время требуются технологии формирования твердого керамического покрытия с целью увеличения износостойкости при обычной температуре, но также и плотного покрытия толщиной порядка 100 мкм посредством электроразрядной обработки поверхности, которая может быть произведена на конвейерной линии без применения ручного труда.

В способе изготовления электрода по упомянутому патенту Японии №3227454, основной задачей является получение тонкого покрытия, что делает невозможным обеспечение износостойкого покрытия при высоких температурах и его смазочной способности. Также не рассмотрен вопрос изготовления электрода с равномерной твердостью во время прессования порошка, т.е. твердость электрода может изменяться.

Большое влияние на характеристики покрытия при его формировании путем электроразрядной обработки поверхности оказывают такие факторы, как подача материала электрода и способ нанесения подаваемого материала на поверхность обрабатываемой детали. На подачу материала электрода влияет твердость электрода. Для формирования тонкого покрытия используется технология, раскрытая в патенте Японии №3227454. Поэтому если даже твердость электрода неравномерна до определенной степени, это мало влияет на характеристики тонкого покрытия.

Если электроразрядная обработка поверхности осуществляется при использовании электрода с неравномерной твердостью, невозможно получить покрытие равномерной толщины. Для получения плотного покрытия равномерной толщины путем электроразрядной обработки поверхности необходима равномерная подача большого количества электродного материала на обрабатываемую зону поверхности детали. Поэтому, если материал электрода имеет какую-то часть, твердость которой даже в незначительной степени неравномерна, то изменяется характер нанесения покрытия на эту часть, в силу чего невозможно сформировать покрытие равномерной толщины.

Более того, в силу вышесказанного свойства и скорость формирования покрытия изменяется, что делает невозможным достижение качественной обработки поверхности.

Настоящее изобретение исполнено с учетом вышеупомянутого. Целью изобретения является создание способа электроразрядной обработки поверхности и устройство для его осуществления для формирования покрытия на поверхности обрабатываемой детали с использованием импульсного разряда.

Другая цель изобретения – обеспечить высококачественное покрытие способом электроразрядной обработки поверхности без применения материала, образующего карбид при осуществлении импульсного разряда в масле.

Раскрытие изобретения

Способ электроразрядной обработки поверхности с точки зрения настоящего изобретения включает в себя генерирование импульсного разряда путем использования в качестве электрода неспеченной прессовки, полученной прессованием порошка металла, порошка смеси металлов или керамического порошка, и подачу напряжения, равного или более 500 В, между электродом и обрабатываемой деталью в газовой среде; а также формирование покрытия, состоящего из материала электрода или вещества, полученного в результате воздействия на материал электрода энергии импульсного разряда.

В соответствии с настоящим изобретением электроразрядная обработка поверхности выполняется с помощью импульсного разряда, генерируемого при подаче напряжения, равного или более 500 В между электродом и обрабатываемой деталью в газовой среде. При этом должно быть соблюдено соответствующее межэлектродное расстояние, т.е. расстояние между электродом и обрабатываемой деталью.

Учитывая это, электроразрядная обработка поверхности устойчиво происходит в газовой среде, что дает возможность получения высококачественного плотного покрытия.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показана принципиальная схема процесса изготовления электрода для электроразрядной обработки поверхности;

на фиг.2 – принципиальная схема процесса электроразрядной обработки поверхности;

на фиг.3А – график изменения напряжения во время электроразрядной обработки металла;

на фиг.3В – график изменения тока в зависимости от колебаний напряжения, изображенных на фиг.3А.

на фиг.4 – принципиальная схема осуществления электрического разряда в диэлектрической жидкости;

на фиг.5 – график зависимости межэлектродного расстояния от напряжения без нагрузки;

на фиг.6 – схематическое изображение процесса электроразрядной обработки поверхности согласно второму варианту реализации изобретения;

на фиг.7 – схематическое изображение процесса электроразрядной обработки поверхности согласно третьему варианту реализации изобретения;

на фиг.8 – схематическое изображение процесса электроразрядной обработки поверхности согласно четвертому варианту реализации изобретения;

на фиг.9 – схематическое изображение процесса электроразрядной обработки поверхности согласно пятому варианту реализации изобретения;

на фиг.10 – схематическое изображение турбинной лопасти газотурбинного авиационного двигателя.

Осуществление изобретения

Наиболее значимые варианты осуществления способа электроразрядной обработки поверхности и устройства для электроразрядной обработки поверхности согласно настоящему изобретению детально описаны ниже со ссылками на соответствующие чертежи. Заметим, что настоящее изобретение не ограничено последующим описанием, и может изменяться в соответствующих пределах, не отклоняясь от его сути. Кроме того, в приведенных схемах масштаб каждого элемента может отличаться от истинного в целях облегчения понимания.

В соответствии с настоящим изобретением требования, предъявляемые к характеристикам плотного покрытия, которое формируется при электроразрядной обработке поверхности, включает в себя износостойкость под действием высоких температур окружающей среды и смазочную способность.

Данное изобретение направлено на создание технологического процесса электроразрядной обработки поверхности деталей, эксплуатирующихся при высоких температурах окружающей среды.

При формировании плотного покрытия применен электрод, полученный в результате прессования порошка, главным ингредиентом которого является металл, с последующим нагреванием. Это отличает его от общепринятого электрода, главным ингредиентом которого является керамика, формирующая твердое керамическое покрытие.

Для получения большого количества электродного материала посредством импульсного разряда при формировании плотного покрытия к свойствам материала электрода и его твердости предъявляются определенные требования.

При формировании плотного покрытия посредством импульсного разряда, как описано выше, применяется электрод, главным ингредиентом которого является металл. Однако исследования, проведенные изобретателями, установили, что если электрод содержит материал, образующий карбид, то этот материал вступает в реакцию с карбоном, содержащимся в масле, которое является диэлектрической жидкостью, превращается в карбид, что создает определенные трудности при формировании плотного покрытия.

Таким образом, исследования показали, что при формировании покрытия с помощью электрода, выполненного путем прессования порошка, получить стойкое плотное покрытие можно применяя материалы электрода, не образующие карбид, такие как Со (кобальт), Ni (никель) и Fe (железо).

Однако промышленное изготовление плотного покрытия предполагает применение титана (Ti), образующего карбид. Настоящее изобретение обеспечивает получение плотного покрытия посредством импульсного разряда даже в случае применения материала, способного образовать карбид.

Ниже описан способ электроразрядной обработки поверхности в соответствии с первым вариантом реализации настоящего изобретения. На фиг.1 дана принципиальная схема процесса изготовления электрода для электоразрядной обработки поверхности.

В настоящем изобретении описан случай применения в качестве материала электрода порошка сплава кобальта (Со). На фиг.1 показано, что пространство между верхним пуансоном 2 пресс-формы, нижним пуансоном 3 пресс-формы и матрицы 4 пресс-формы заполняется порошком 1 кобальта, имеющим диаметр частицы порядка 1 мкм. Затем путем прессования этого порошка формируется неспеченная прессовка. При электоразрядной обработке поверхности эта неспеченная прессовка используется в качестве электрода.

Процесс изготовления электрода, показанный на фиг.1, состоит в следующем. Во-первых, порошок кобальта помещается в пресс-форму, и заданное давление воздействует на порошок 1 при помощи верхнего пуансона 2 и нижнего пуансона 3, в силу чего порошок кобальта коагулирует, создавая прессовку.

Для улучшения передачи давления с целью повышения прессуемости в порошок кобальта следует добавлять воск (парафин) в весовом соотношении от 1% до 10%. Однако поскольку остаточное количество воска значительно, это отрицательно влияет на электрическую проводимость во время электроразрядной обработки поверхности. Поэтому в этом случае предпочтительно добавлять воск на более позднем этапе процесса обработки.

Неспеченная прессовка, полученная прессованием, может быть использована в качестве электрода, с заданной твердостью и проводимостью. Твердость неспеченной прессовки может быть увеличена за счет нагревания, тем самым уменьшается электрическое сопротивление.

Если в качестве электрода для электроразрядной обработки поверхности используется неспеченная прессовка, подвергнутая нагреву, то предпочтительно, чтобы ее твердость соответствовала твердости мела. При добавлении воска в процессе прессования электрода электрод следует нагревать с целью удаления воска.

Порошок кобальта, помещенный в пресс-форму, должен иметь в среднем размер частиц не более 3 мкм, а лучше 1 мкм, как описано в первом варианте реализации.

На фиг.2 дана принципиальная схема осуществления электроразрядной обработки поверхности с помощью устройства для электроразрядной обработки поверхности с применением электрода, изготовленного в соответствии с вышеописанным процессом, при этом для формирования плотного покрытия электрод имеет низкую твердость. На фиг.2 представлен случай импульсного разряда. Как показано на фиг.2, устройство для электроразрядной обработки поверхности согласно первому варианту реализации изобретения включает в себя электрод 5 для электроразрядной обработки поверхности (далее – электрод 5), описанный выше и представляющий собой неспеченную прессовку, полученную или прессованием порошка кобальта, или подвергнутую нагреванию; газ аргон 7, заполняющий пространство, в котором находится электрод 5 и деталь 6; источник питания для электоразрядной обработки поверхности, обеспечивающий импульсный разряд (столб дуги 8) за счет приложения напряжения между электродом 5 и деталью 6.

На фиг.2 не показаны устройства вспомогательного характера, т.е. не имеющие прямого отношения к данному изобретению, например сервомеханизм для контроля расстояния между электродом 5 и деталью 6, хранилище для аргона 7 и др.

Для формирования покрытия на поверхности детали с помощью устройства для электроразрядной обработки поверхности электрод 5 и деталь 6 помещают в аргоновой среде напротив друг друга. Для получения импульсного разряда используется источник 9 питания, и между электродом 5 и деталью 6 происходит электродуговой разряд, столб дуги которого показан на фиг.2. В итоге на поверхности детали образуется покрытие из электродного материала или покрытие из вещества, полученного в результате воздействия энергии разряда на материал электрода. Электрод 5 имеет отрицательную полярность, сторона детали 6 – положительную.

На фиг.3А и 3В представлен импульсный режим разряда при осуществлении электроразрядной обработки поверхности с помощью устройства для электоразрядной обработки поверхности, описанного выше. На фиг.3А изображены изменение напряжения между электродом 5 и деталью 6 в процессе разряда, а на фиг.3В – изменение разрядного тока, величина которого положительна. Величина напряжения положительная, если сторона электрода 5 является катодом, а сторона детали 6 – анодом.

Как показано на фиг.3А, напряжение без нагрузки приложено между полюсами в момент времени t_o. Ток начинает протекать в момент времени t_i с задержкой по времени в связи с началом разряда. В процессе разряда напряжение имеет величину U_e, а ток в это время имеет пиковое значение, равное i_e. Протекание тока прекращается в момент времени t₂, когда снимается напряжение между полюсами.

Продолжительность по времени от момента t₂ до t₁ представляет собой ширину импульса t_e.

Импульсное напряжение в период между моментами времени t_o и t₂ периодически прикладывается между электродом 5 и деталью 6 через интервалы времени t_o.

Импульсный режим согласно первому варианту реализации изобретения выбран так, что пиковая величина тока i_e составляет 10 А, продолжительность электрического разряда (ширина импульсного разряда) t_e – 64 мкс, а время перерыва t_o – 128 мкс.

При таком разряде в газовой среде (аргон) в отличие от разряда в диэлектрической жидкости расстояние между электродами мало. При разряде в жидкости, как показано на фиг.4, между электродом 61 и деталью 62 присутствуют остатки порошка, в силу чего и возникает разряд. Поэтому расстояние между электродами велико.

При условии, что величина пикового тока i_e составляет 10 А, длительность электрического разряда (ширина разрядного импульса) t_e – 64 мкс, время перерыва t_o – 128 мкс, напряжение без нагрузки 80 В, расстояние между электродами во время электрического разряда составляет приблизительно от 40 до 50 мкм.

Далее описан способ электроразрядной обработки поверхности в газовой среде (применяемый газ – аргон) в соответствии со схемой на фиг.2. Когда происходит электрический разряд, часть столба электрической дуги 8 между электродом 5 и деталью 6 нагревается. Электрод 5 имеет низкую теплопроводность, поскольку изготовлен путем прессования порошка кобальта с диаметром частиц порядка 1 мкм, и при нагревании частично испаряется. Под действием ударной силы происходит переход материала электрода на поверхность детали, формируя таким образом покрытие. Учитывая эту особенность электроразрядной обработки поверхности в газовой среде, предпочтительно применять электрод, изготовленный из порошкового материала. В случае применения непорошкового материала электрода для нанесения покрытия на деталь требуется большая энергия, то есть трудно расплавить электрод с помощью импульсного разряда, имеющего малую энергию.

К тому же при электрическом разряде в газовой среде в отличие от разряда в диэлектрической жидкости не происходит разряд, вызванный остатками порошка. Поэтому электрод и деталь расположены на относительно малом расстоянии относительно друг друга так, чтобы была возможность возникновения электрического разряда под действием приложенного напряжения.

Однако поскольку при электрическом разряде создается утолщение следа разряда, при недостаточно большом расстоянии между анодом и катодом, т.е. расстоянии между электродом и деталью, величина утолщения следов электроразряда больше, чем межэлектродное расстояние. В этом случае при переносе электродного материала на поверхность детали посредством электрического разряда между полюсами возникает короткое замыкание.

Независимо от того, используется газовая среда или жидкость, величина следа разряда составляет порядка 10-20 мкм. Кроме того, при невысокой скорости подачи регулирующего воздействия между полюсами (например, порядка нескольких десятков герц) будет сложно добиться устойчивого разряда, пока не будет обеспечена величина межэлектродного расстояния, равного или более 30 мкм.

На фиг.5 показана графическая зависимость межэлектродного расстояния от напряжения между электродами в процессе электрического разряда в газовой среде (аргон), полученная при испытаниях с помощью лазерного прибора или датчика вихревых токов.

Этот график представляет зависимость расстояния между электродами от межэлектродного напряжения, измеренного во время электрического разряда, когда межэлектродное напряжение изменяется при условии, что пиковая величина тока i_e составляет 10 А, длительность электрического разряда (ширина разрядного импульса) t_e – 64 мкс и время перерыва t_o – 128 мкс.

Как можно понять из фиг.5, напряжение без нагрузки и межэлектродное расстояние имеют такую зависимость, что при возрастании напряжения межэлектродное расстояние увеличивается. Поэтому для получения устойчивого электрического разряда в газовой среде требуется напряжение, равное или более 500 В, хотя предпочтительно напряжение приблизительно 1000 В, для чего требуется выдерживать межэлектродное расстояние равным или более 30 мкм.

Если для заданного межэлектродного расстояния, равного 30 мкм, частота воздействия может быть выдержана на достаточно высоком уровне, то напряжение между электродами может быть равным или более 300 В. Однако на практике в лучшем случае частота воздействия составляет от 10 Гц до 20 Гц. Именно поэтому необходимо напряжение, равное или более 500 В.

Требование к величине напряжения между электродами более 500 В, а предпочтительно более 1000 В, объясняется тем, что желательно получить стойкий электрический разряд, не зависящий от материала электрода. Однако в некоторых случаях, например, когда плотность электрода низкая и при электрическом разряде происходит избыточная подача материала электрода, может потребоваться гораздо более высокое напряжение между электродами.

Примеры способа нанесения покрытия при электрическом разряде в газовой среде приведены в японских выложенных заявках №№6-269936, 6-269939, 9-108834. В этих изобретениях использован электрический разряд в газовой среде, происходящий между металлическим электродом, вращающимся на высокой скорости, и поверхностью детали. При разряде расплавленный электродный материал сцепляется с поверхностью детали. Отличие настоящего изобретения состоит в том, что между электродом и обрабатываемой деталью устанавливается заданное расстояние; при этом применяется в качестве электрода неспеченная прессовка, и под воздействием импульсного электроразряда материал электрода переносится на поверхность детали.

При этом в традиционных технологических процессах используется ручной труд, что исключает автоматизацию процесса и отрицательно сказывается на качестве покрытия.

В соответствии с первым вариантом реализации между электродом и деталью в газовой среде прикладывается напряжение, равное и более 500 В, для осуществления импульсного разряда с целью выполнения электроразрядной обработки поверхности. В результате формируется высококачественное плотное покрытие даже в газовой среде.

Поэтому выбрана технология электроразрядной обработки поверхности именно в газовой среде, а не в диэлектрической жидкости.

Способ электроразрядной обработки поверхности согласно второму варианту реализации изобретения представлен на фиг.6, где дана принципиальная схема осуществления электроразрядной обработки поверхности с помощью устройства для электроразрядной обработки поверхности и показано осуществление импульсного разряда.

В устройстве для электроразрядной обработки поверхности, показанном на фиг.6, в камеру 21 помещены электрод 23, обрабатываемая деталь 25 и др. Электрод 23 получен из порошка титана (Ti). Электрод 23 и деталь 25 соединены с источником 27 питания, расположенным вне камеры 21 и обеспечивающим импульсный разряд (столб электрической дуги 33) путем подачи напряжения между электродом 23 и деталью 25. В данной схеме ток I во время электрического разряда протекает в направлении от электрода 23 к источнику питания 27.

Кроме того, в камере 21 имеется отверстие 29 для подачи газа в камеру 21. Таким образом, электроразрядная обработка поверхности происходит в газовой среде. В соответствии со вторым вариантом предполагается, что через отверстие 29 в камеру 21 поступает аргон (Ar) 31 и заполняет камеру 21.

На фиг.6 отсутствуют приспособления, не имеющие прямого отношения к данному изобретению, такие как сервомеханизм для регулирования расстояния между электродом 23 и деталью 25 и др.

В данном случае титановый порошок, применяемый для изготовления электрода 23, трудно поддается размельчению. Так, в соответствии со вторым вариантом гидрид титана (TiH₂) размельчается так, чтобы диаметр частицы составлял от 2 до 3 мкм, затем прессуется и нагревается с целью удаления водорода, обеспечивая изготовление электрода 23.

Далее описывается процесс электроразрядной обработки поверхности в устройстве для электроразрядной обработки поверхности. Принцип и условия формирования покрытия подобны описанным в первом варианте реализации. Между электродом 23 и деталью 25 создается импульсный электрический разряд с целью переноса материала электрода на поверхность детали.

Согласно второму варианту электрод 23 и деталь 25 помещены в камеру 21, изолированную от внешней среды. Через отверстие 29 в камеру 21 подается инертный газ аргон (Ar) 31.

Согласно первому варианту описан случай использования электрода из кобальта. Кобальт не подвержен окислению, поэтому при использовании электрода из кобальта для электроразрядной обработки поверхности и осуществления электрического разряда в воздухе на поверхности детали может быть сформировано покрытие.

Но при осуществлении электрического разряда в воздухе с использованием такого материала, как титан (Ti), имеющего высокую химическую активность, последний сразу же переходит в оксид титана (TiO₂).

Оксид титана имеет свойства керамического материала и низкую теплопроводность, что отличает его от металла.

Таким образом, посредством электрического разряда в воздухе невозможно сформировать плотное покрытие, в котором основным ингредиентом служит титан.

Согласно второму варианту газ аргон 31 использован для устранения подобного химического воздействия. Инертный газ аргон (31) предотвращает изменение электрода. В связи с этим, несмотря на то что используемый в качестве материала электрода титан активен, он способен к переносу на поверхность детали и формированию титанового покрытия.

Поскольку в устройстве для электроразрядной обработки поверхности электрический разряд происходит в среде с инертным газом, эффект может быть достигнут даже в случае применения титана в качестве электродного материала. Происходит перенос титана в металлическом состоянии на поверхность детали с формированием титанового покрытия.

Следует отметить, что в качестве газа, вводимого в камеру 21, может использоваться не только аргон, но и другие инертные газы, такие как гелий (Не), неон (Ne) или азот.

Согласно второму варианту электроразрядная обработка поверхности выполняется с помощью камеры 21, в которую помещены электрод 23, обрабатываемая деталь 25 и др. Однако нет необходимости помещать электрод 23, обрабатываемую деталь 25 и др. в камеру 21. Обязательным условием является осуществление электрического разряда в среде инертного газа, такого как аргон. Например, способ может быть осуществлен при локальной подаче инертного газа в направлении от электрода 23 к месту разряда.

Одной из проблем при электрическом разряде в газовой среде является проблема нагревания электрода. При разряде в жидкости, даже если за счет энергии разряда электрод нагрет локально, он немедленно охлаждается. Однако при электрическом разряде в газовой среде охлаждение электрода представляется непростой задачей. Когда электрический разряд происходит в газовой среде, температура электрода возрастает, возрастает и твердость электрода. При увеличении твердости электрическое сопротивление электрода падает. В связи с этим напряжение разряда понижается по сравнению с нормальной величиной.

Когда твердость электрода высокая, то есть когда напряжение разряда ниже нормального значения, происходят такие явления, как запаздывание формирования покрытия при перемещении обрабатываемой детали. Исходя из этого, при осуществлении электрического разряда в газовой среде необходимо проводить охлаждение электрода.

Способ охлаждения электрода согласно третьему варианту реализации изобретения описан в соответствии с фиг.7. На фиг.7 представлена принципиальная схема выполнения электроразрядной обработки поверхности с помощью устройства для электроразрядной обработки поверхности.

Как показано на фиг.7, в камеру 41 помещен электрод 43 для электроразрядной обработки поверхности (в дальнейшем просто электрод 43), обрабатываемая деталь 45 и др. Электрод 43 и деталь 45 соединены с источником 47 питания, расположенным вне камеры 41, с помощью которого осуществляется импульсный разряд (столб электрической дуги 53) путем подачи напряжения между электродом 43 и деталью 45. В этом случае ток I протекает в направлении от электрода 43 к источнику питания 47. Кроме того, камера 41 снабжена отверстием 49 подачи газа в камеру 41 и охлаждения электрода.

Газ подается через отверстие 49 к электроду 43, помещенному в камеру 41.

В соответствии с третьим вариантом принимается, что камера 41 заполняется аргоном 51 через отверстие 49 подачи газа, и в камере создается среда аргона.

На фиг.7 не показаны приспособления, прямо не относящиеся к данному изобретению, такие как сервомеханизм для регулирования расстояния между электродом 43 и деталью 45 и др.

Далее описывается общая схема электроразрядной обработки поверхности в устройстве для электроразрядной обработки поверхности. Принципиально формирование покрытия, включая режим обработки, аналогично описанному выше первому варианту реализации, когда между электродом 43 и деталью 45 осуществляется импульсный разряд с целью переноса материала электрода на поверхность детали.

Газ аргон через отверстие 49 подается к электроду 43. При этом камера 41 оказывается заполненной аргоном, а электрод 43 охлаждается, т.е. электрод предохраняется от нагревания.

В результате охлаждение электрода предотвращает возрастание его твердости. Таким образом можно избежать изменения состояния электрода 43 в процессе электроразрядной обработки поверхности, поэтому достигается эффект формирования стойкого покрытия.

Цель четвертого варианта реализации данного изобретения – решить проблему нагревания электрода в результате электрического разряда в газовой среде.

Фиг.8, иллюстрирующая способ охлаждения электрода, представляет собой принципиальную схему режима выполнения электроразрядной обработки поверхности посредством устройства для электроразрядной обработки согласно четвертому варианту. На фиг.8 показан режим прохождения импульсного электроразряда.

В соответствии с фиг.8 устройство включает в себя камеру 61, в которую помещен электрод 63 для электроразрядной обработки поверхности (далее просто электрод 63), обрабатываемую деталь 65 и др. Электрод 63 изготовлен из порошка титана. Электрод 63 и деталь 65 соединены с источником питания 67, размещенным вне камеры 61 и осуществляющим импульсный электроразряд (столб электрической дуги 73) путем подачи напряжения между электродом 63 и деталью 65. В этой схеме ток во время прохождения разряда протекает в направлении от электрода 63 к источнику питания 67.

Кроме того, камера 61 снабжена отверстием 69 для подачи газа в камеру 61 и охлаждения электрода. Поэтому в описываемом устройстве для электроразрядной обработки поверхности газ подается в камеру 61 через отверстие 69, причем газ в камеру 61 подается через отверстие в направлении к электроду 63. Согласно четвертому варианту предполагается, что в камеру 61 вводится газ аргон (Ar) через отверстие 69, и в камере 61 создается газовая среда аргона.

На фиг.8 не показаны приспособления, не имеющие прямого отношения к данному изобретению, такие как сервомеханизм регулирования расстояния между электродом 63 и деталью 65.

Принципиально формирование покрытия, включая режим обработки, происходит аналогично описанному выше первому варианту реализации, когда между электродом 63 и деталью 65 осуществляется импульсный разряд с целью переноса материала электрода на поверхность детали.

Согласно четвертому варианту аргон 71 вводится через отверстие 69 и его введение в камеру 61 осуществляется через электрод 63. Электрод 63 изготовлен из порошка и имеет пористую структуру, что позволяет пропускать газ. В устройстве для электроразрядной обработки поверхности камера 61 заполнена аргоном 71, и электрод 63 находится в охлажденном состоянии и предохраняется от нагревания.

Часть электрода 63 закрыта элементом, выполненным из материала, не пропускающего газ, что делает возможным подачу аргона в ту зону, где разряд происходит с наибольшей эффективностью. Это достигается, например, как показано на Фиг.8, путем размещения электрода в цилиндр. При этом камера 61 заполняется аргоном 71, электрод 63 находится в охлажденном состоянии, и предотвращается его нагревание.

В результате эффективное охлаждение электрода препятствует возрастанию его твердости. В таком устройстве для электроразрядной обработки поверхности изменения состояния электрода 63 могут быть предотвращены, чем достигается стойкое покрытие.

Согласно четвертому варианту электрод может быть охлажден до степени, эквивалентной степени охлаждения электрода в диэлектрической жидкости при прохождении электрического разряда. В результате температура электрода всегда поддерживается на должном уровне. Поэтому изменения температуры электрода не влияют на формирования покрытия и его характеристики в процессе электрического разряда.

Пятый вариант реализации данного изобретения описан с помощью фиг.9. На фиг.9 представлена принципиальная схема осуществления электроразрядной обработки поверхности с помощью устройства для электроразрядной обработки поверхности. Также на фиг.9 показано прохождение импульсного электрического разряда.

В соответствии с фиг.9 устройство для электроразрядной обработки поверхности включает в себя электрод 83 для электроразрядной обработки поверхности (в дальнейшем электрод 83) и обрабатываемую деталь 85; жидкий аргон 89, являющийся диэлектрической жидкостью, в которую помещены электрод 83 и деталь 85; источник питания 87 для электроразрядной обработки поверхности, который создает импульсный разряд (столб электрической дуги 91) путем подачи напряжения между электродом 83 и деталью 85.

На фиг.9 не показаны приспособления, прямо не относящиеся к данному изобретению, т.е. сервомеханизм для регулирования расстояния между электродом 83 и деталью 85, емкость для хранения жидкого аргона 89 и др.

Принципиально формирование покрытия, включая режим обработки, осуществляется аналогично описанному выше первому варианту реализации, когда между электродом 83 и деталью 85 осуществляется импульсный разряд с целью переноса материала электрода на поверхность детали.

Пятый вариант электроразрядной обработки поверхности в среде инертного газа описан в виде схемы, позволяющей предохранить материал электрода, расплавленный подаваемой энергией разряда, от обугливания или окисления.

Поскольку сжиженный инертный газ используется в качестве диэлектрической жидкости, покрытие может быть сформировано тем же методом, что и при электроразрядной обработке поверхности в жидкости.

Однако к недостаткам этого варианта следует отнести тот факт, что приходится принимать соответствующие меры для недопущения слишком низкой температуры в устройстве для электроразрядной обработки поверхности.

Что касается обработки в газовой среде, то он может быть осуществлен достаточно просто даже в среде азота. Но в этом случае возникает проблема, заключающаяся в том, что при обработке в жидком азоте быстро происходит азотирование покрытия.

Но, несмотря на эти недостатки, можно добиться высокой стойкости покрытия. Хотя следует отметить, что при разряде в газовой среде нельзя добиться таких положительных качеств, как возможность осуществления устойчивого разряда с напряжением без нагрузки (напряжения между электродами) до 500 В, что упростило бы схемное решение.

Таким образом, при выполнении электроразрядной обработки поверхности в жидком аргоне условие подачи напряжения в 500 В, использующееся в описанном выше варианте, не может быть выполнено, и процесс обработки происходит при напряжении между электродами менее 500 В.

Причиной снижения напряжения между электродами при осуществлении электрического разряда в жидкости, полученной сжижением инертного газа, является то, что порошок при разряде остается в жидкости, вызывая тем самым разряд.

Согласно вариантам 1-5 реализации изобретения для электроразрядной обработки поверхности используется электрод, полученный из порошка. Исследования показали, что если материал электрода для электроразрядной обработки поверхности легко расходуется, подобный эффект может быть достигнут при изготовлении электрода из металла без его изменения.

Например, когда алюминий (100% алюминий или алюминиевый сплав) используется в качестве электрода для электроразрядной обработки поверхности, то материал электрода легко расходуется при электрическом разряде при переносе на поверхность детали. Таким образом, расходуемое количество электродного материала из алюминия столь же велико, как в случае применения электрода из порошка других материалов при распылении на поверхности детали. Когда распыляемый алюминий образует слой на поверхности детали, то этот алюминиевый слой окисляется под воздействием высокой температуры окружающей среды, предохраняя деталь от окисления, поскольку образуется защитное оксидированное покрытие. Алюминиевое покрытие образуется на поверхности детали вследствие комплексного процесса, называемого алюминизацией. При использовании импульсного электрического разряда достаточно просто получить алюминиевое покрытие.

Такое покрытие, формирование которого происходит в диэлектрической жидкости, например масле, включает в себя карбон, в некоторых случаях нежелательный. Если покрытие содержит карбон, то он может выделяться, уменьшая прочность покрытия через определенное время, либо в покрытии образуется карбид.

Во избежание этих недостатков предпочтительно проводить электроразрядную обработку поверхности в среде аргона, но, вообще говоря, достаточно хороший результат может быть получен и при использовании масла.

Кроме того, при проведении электроразрядной обработки поверхности в газовой среде, как описано выше, предпочтительно для осуществления импульсного разряда подавать напряжение между электродом и деталью, равное или более 500 В. При этом можно получить высококачественное покрытие при использовании алюминиевого электрода даже в газовой среде.

Согласно шестому варианту реализации данного изобретения в качестве электрода для электроразрядной обработки поверхности может быть использован алюминий, не требующий размельчения, при этом процесс формирования алюминиевого покрытия на поверхности детали прост в технологическом отношении.

Промышленное применение

Как указано выше, электрод для электроразрядной обработки поверхности в соответствии с данным изобретением может использоваться в областях промышленности, связанных с обработкой поверхности для нанесения покрытия на поверхность изделий и, в частности, связанных с образованием плотного покрытия на поверхности изделия.

Формула изобретения

1. Способ электроразрядной обработки поверхности, заключающийся в генерировании импульсного разряда путем использования в качестве электрода неспеченной прессовки из порошка металла, смеси металлов или керамического порошка при подаче напряжения, равного или более 500 В, между электродом и обрабатываемой деталью в газовой среде и формирование на обрабатываемой детали покрытия, состоящего из материала электрода или из вещества, полученного в результате воздействия на материал электрода энергией импульсного разряда.

2. Способ по п.1, характеризующийся тем, что в качестве газа используют инертный газ.

3. Способ по любому из пп.1 или 2, характеризующийся тем, что разряд генерируют в то время, когда электрод находится в охлажденном состоянии.

4. Способ по п.3, характеризующийся тем, что процесс охлаждения электрода осуществляют путем пропускания газа по поверхности электрода.

5. Способ по п.4, характеризующийся тем, что электрод размещают в герметичном цилиндре, причем газ подают как в цилиндр для охлаждения электрода, так и в область действия разряда.

6. Устройство для электроразрядной обработки поверхности, заключающейся в образовании на поверхности детали покрытия, состоящего из материала электрода или вещества, полученного в результате воздействия на материал электрода энергией импульсного разряда, включающее в себя электрод, выполненный в виде неспеченной прессовки, изготовленной прессованием порошка металла, смеси металлов или керамического порошка, источник питания для создания напряжения, равного или более 500 В, между электродом и деталью для образования импульсного разряда и блок подачи газа к электроду и обрабатываемой детали.

7. Устройство по п.6, характеризующееся тем, что блок подачи газа содержит инертный газ.

8. Устройство по любому из пп.6 или 7, характеризующееся тем, что электрод и обрабатываемая деталь расположены в камере, куда подается инертный газ для формирования покрытия в среде инертного газа.

9. Устройство по любому из пп.6 или 7, характеризующееся тем, что блок подачи газа содержит газ для охлаждения электрода.

10. Устройство по любому из пп.6 или 7, характеризующееся тем, что электрод заключен в герметичный цилиндр, в который подается газ для охлаждения электрода.

11. Способ электроразрядной обработки поверхности, заключающийся в генерировании импульсного разряда путем использования в качестве электрода неспеченной прессовки из порошка металла, смеси металлов или керамического порошка при подаче напряжения, равного или более 500 В, между электродом и обрабатываемой деталью в среде сжиженного газа и формирование на обрабатываемой детали покрытия, состоящего из материала электрода или из вещества, полученного в результате воздействия на материал электрода энергией импульсного разряда.

12. Устройство для электроразрядной обработки поверхности, заключающейся в образовании на поверхности детали покрытия, состоящего из материала электрода или вещества, полученного в результате воздействия на материал электрода энергией импульсного разряда, включающее в себя электрод, выполненный в виде неспеченной прессовки, изготовленной прессованием порошка металла, смеси металлов или керамического порошка, блок для хранения сжиженного газа и источник питания для создания импульсного разряда между электродом и деталью.

13. Способ электроразрядной обработки поверхности, включающий генерирование импульсного разряда при подаче напряжения, равного или более 500 В, между электродом, выполненным из металла, состоящего в основном из алюминия, и обрабатываемой деталью в газовой среде или в рабочей жидкости и формирование покрытия, состоящего из материала электрода или вещества, полученного в результате воздействия на материал электрода энергией импульсного разряда.

14. Способ по п.13, характеризующийся тем, что в качестве газа используют инертный газ.

РИСУНКИ