CN100587113C - 放电表面处理方法及放电表面处理装置 - Google Patents

Abstract

为了利用放电表面处理进行厚膜的形成，检测放电中电极与工件之间的电压，在检测出该电压下降的情况下，判断为放电表面处理状态异常，由此，准确地检测放电表面处理的不稳定现象，可以在由该不稳定现象引起覆盖膜状态及电极状态恶化之前，实施适当的应对处理。也就是说，通过判定放电表面处理的稳定性，防止覆盖膜及电极的损伤。

Description

放电表面处理方法及放电表面处理装置

技术领域

本发明涉及一种放电表面处理技术，详细地说，涉及一种放电表面处理方法及放电表面处理装置，其以将金属粉末、金属化合物粉末或者陶瓷粉末压缩成型的粉末压缩体电极作为电极，使电极和工件之间产生脉冲状放电，利用其能量，在工件表面形成由电极材料或者电极材料利用放电能量反应后的物质构成的覆盖膜。

背景技术

现有的放电表面处理着眼于常温下的耐磨损，形成TiC(碳化钛)等硬质材料的覆盖膜(例如，参照专利文献1)。

专利文献1：国际公开第99/85744号小册子

但是，近年来，不仅要求以常温下的耐磨损为目的的硬质陶瓷覆盖膜，而且对形成大于或等于100μm左右的厚膜的要求也强烈起来。而且，作为对厚膜所要求的功能，有高温环境下的耐磨损性、润滑性等，形成具有这种功能的厚膜的对象是在高温环境下使用的部件等。

为了形成这种厚膜，与用于形成硬质陶瓷膜的以陶瓷为主要成分的电极不同，是使用将以金属成分为主要成分的粉末压缩成型，然后根据需要经加热处理而形成的电极。

此外，要通过放电表面处理形成厚膜，必须使电极具有使电极的硬度降低到某种程度等规定的特征。这是因为，必须要利用放电脉冲向工件侧大量地供给电极材料。

然而，放电表面处理通常可以稳定地形成覆盖膜，但存在这样的问题，即覆盖膜形成会突发性地成为不稳定状态，而一旦成为不稳定状态则很难恢复到稳定状态。被认为这是由于以下原因产生的。即，突发性的不稳定状态的产生是由于放电集中造成的，一旦成为不稳定状态，则电极放电集中的部分出现广泛的熔融·再凝固。在这里，如果电极的部分熔融，则该部分的电极形状产生变形，成为容易产生放电的状态。

而且，由于电极的熔融·再凝固的部分产生放电，从而使熔融·再凝固的范围进一步扩大。此外，如果放电集中到电极熔融的部分上，则因为该部分被加热，所以成为更容易发生放电的状态。

这样，电极中一旦放电集中的部分成为容易产生放电的状态，则由于该部分的损伤扩大，因而难以恢复到覆盖膜形成的稳定状态。

但是，如果在覆盖膜形成成为不稳定状态的初期阶段，实施延长放电脉冲的间歇时间等处理，有时也可以使覆盖膜形成恢复到稳定状态。因此，在放电表面处理成为不稳定状态的情况下，必须准确地检测覆盖膜形成的不稳定现象，在由该不稳定现象引起覆盖膜状态及电极状态恶化之前，实施适当的对应处理。

本发明正是鉴于上述问题而提出来的，其目的在于提供一种放电表面处理方法及放电表面处理装置，其可以准确地检测覆盖膜形成的不稳定现象，并在由该不稳定现象引起覆盖膜状态以及电极状态恶化之前，实施适当的对应处理。

发明内容

本发明涉及一种放电表面处理方法，其是以将金属粉末、金属化合物粉末或陶瓷粉末压缩成型的粉末压缩体作为电极，使电极和工件之间产生脉冲状放电，利用其能量，在工件表面形成由电极材料构成的覆盖膜，或形成由电极材料利用放电能量反应后的物质构成的覆盖膜，其特征在于，检测包含放电中的电极和工件之间的电弧电压、以及电极上的电压降在内的电压，根据该检测结果，在由于因放电集中导致的电极熔融而引起的电极的电压降下降的情况下，判断为放电表面处理状态异常。

由本发明，通过检测包含放电中的电极和工件之间的电弧电压、以及电极上的电压降在内的电压，根据该检测结果，在由于因放电集中导致的电极熔融而引起的电极的电压降下降的情况下，判断为放电表面处理状态异常，可以在放电表面处理时准确地检测放电表面处理的不稳定现象。由此，可以在由放电表面处理的不稳定现象引起覆盖膜的形成状态以及电极状态恶化之前，实施适当的对应处理。也就是说，通过判定放电表面处理的稳定性，可以防止覆盖膜以及电极的损伤。

附图说明

图1表示放电表面处理用电极制作的工序。

图2是表示利用使用了厚膜形成用的放电表面处理用电极的放电表面处理装置进行放电表面处理的情况的图。

图3是表示图2的电路的图。

图4(A)是表示放电表面处理正常进行的情况下的电压波形的特性图。

图4(B)是表示与图4(A)的电压波形相对应的电流波形的特性图。

图5(A)是表示放电表面处理异常情况下的电压波形的特性图。

图5(B)是表示与图5(A)的电压波形相对应的电流波形的特性图。

图6是表示电极的一部分利用过度的热量而熔融的状态的图。

具体实施方式

为了更详细地说明本发明，下面按照附图说明本发明的实施方式。此外，本发明并不限于下述内容，在不超出本发明主旨的范围内可以适当变更。此外，在附图中，为了容易理解，有时各部件的比例尺不同。

首先，说明为了利用放电表面处理形成厚膜所必要的技术思想。

我们发现，在为了利用放电表面处理形成厚膜，使用以金属成分为主要成分的材料形成的电极作为电极，使用油作为加工液的情况下，如果电极中大量含有易形成碳化物的材料，则因为该易形成碳化物的材料与加工液即油中所包含的碳发生反应而成为碳化物，所以难以形成厚膜。

发明人通过研究发现，在利用使用大约数μm的粉末制造出的电极来形成覆盖膜的情况下，如果不使电极中含有Co(钴)、Ni(镍)、Fe(铁)等难以形成碳化物的材料，则很难稳定地形成致密的厚膜。

在这里，虽然由所使用的粉末粒径、材质等来决定，但大体而言，要形成厚膜，必须包含大于或等于40体积％的如上所述的难以形成碳化物的材料。通过使电极中包含大于或等于40体积％的难以形成碳化物的材料，可以稳定地形成致密的厚膜。但是，如果粒径小于1μm，则即使不含有上述量的这些材料，有时也能形成厚膜。

下面，说明本实施方式涉及的放电表面处理方法。图1是表示本发明的实施方式1中的放电表面处理用电极的制造方法概念的剖面图。首先参照图1，作为本发明中使用的电极的一个例子，对电极材料中使用了Co合金粉末的情况进行说明。在图1中，在由金属模具的上冲头2、金属模具的下冲头3、金属模具的阴模4围成的空间中，填充了Co合金粉末1。通过将该Co合金粉末1压缩成型而形成粉末压缩体。在放电表面处理中，该粉末压缩体用作放电电极。

图1所示的电极的制作工序如下所述。首先，将Co合金粉末1装入金属模具中，利用上冲头2以及下冲头3对该Co合金粉末1施加压力进行冲压。通过像这样，向Co合金粉末施加规定的冲压压力，该合金粉末1聚合，成为粉末压缩体。

如果为了冲压时使冲压的压力很好地传递到Co合金粉末1的内部，而在Co合金粉末1中混入石蜡等蜡，则可以改善Co合金粉未1的成型性。但是，电极内的蜡的残留量越多导电性就越差。因此，在Co合金粉末1中混入蜡的情况下，优选在其后的工序中去除蜡。

以上述方式压缩成型的粉末压缩体，在通过压缩得到规定硬度的情况下，可以直接作为放电表面处理用的电极来使用。此外，在压缩成型的粉末压缩体未得到规定硬度的情况下，可以通过加热增加粉末压缩体的强度、即硬度。

图2是表示利用使用了上述工序制作出的厚膜形成用的低硬度放电表面处理用电极的、本发明涉及的放电表面处理装置，进行放电表面处理的情况的示意图。图2中，示出产生脉冲状放电时的状态。此外，图3是表示图2的电路的图。

如图2所示，本实施方式涉及的放电表面处理装置具有以下部分而构成：放电表面处理用电极11(以下有时简称为电极11)，其是上述的放电表面处理用电极，由将Co合金粉末1压缩成型的粉末压缩体、或对该粉末压缩体进行加热处理后的粉末压缩体构成；作为加工液13的油；以及放电表面处理用电源装置14，其向电极11和工件12之间施加电压，使其产生脉冲状放电(电弧柱15)。

在这里，放电表面处理用电源装置14具有：图3所示的电源主体14a；电压检测装置14b；开关元件S1、S2…；电阻器R1、R2…，它们与各开关元件相连接；以及控制电路14c，其使开关元件S1、S2…接通·断开。在图3中，为了便于理解而分开来表示。

此外，控制电极11和工件12的相对位置的驱动装置、储存加工液13的加工液槽等与本发明没有直接关系的部件，省略其说明。要利用该放电表面处理装置在工件表面形成覆盖膜，需要将电极11和工件12在加工液13中相对配置。然后，在加工液中，使用放电表面处理用电源装置14使电极11和工件12之间产生脉冲状放电。具体地说，通过利用控制电路14c来使开关元件S1或S2…接通·断开，向电极11和工件之间施加电压，使其产生放电。放电的电弧柱15如图2所示，在电极11和工件12之间产生。

使其接通·断开的开关元件由放电时希望流过的电流来决定。具体地进行说明，在图3中，各开关元件分别与具有规定电阻值的电阻相连接，如果在各个的开关元件接通状态下产生放电，则流过由电阻值和电源电压确定的电流。如果在多个开关元件接通状态下产生放电，则流过各个值的电流相加的值的电流。

例如，如果将直流电源的电压设为E，将极间电压设为Vg，则开关元件S1接通时流过的电流值为(E-Vg)/R1。同样地，开关元件S2接通时流过的电流值为(E-Vg)/R2。此外，开关元件S1和S2同时接通时流过的电流值为(E-Vg)/R1+(E-Vg)/R2。

此外，本电路是利用电阻器来限制电流的方式，但也可以采用将流过的电流定为所希望的值的电路方式。

于是，利用在电极11和工件12之间产生的放电的放电能量，在工件表面形成电极材料的覆盖膜，或者在工件表面形成电极材料利用放电能量反应后的物质的覆盖膜。极性为，电极11侧为负的极性，工件12侧为正的极性。

图4(A)和图4(B)示出在具有这种电路结构的放电表面处理装置中，进行放电表面处理的情况下的放电脉冲条件的一个例子。图4(A)和图4(B)是表示放电表面处理时的放电脉冲条件的一个例子的图，图4(A)表示放电时施加于电极11和工件12之间的电压波形，图4(B)表示放电时流过放电表面处理装置的电流的电流波形。如图4(A)所示，在时刻t0向两极间施加无负载电压ui，在经过放电延迟时间td后的时刻t1，两极间产生放电，流过电流。此时的电压是放电电压ue，此时流过的电流是峰值电流值ie。然后，如果在时刻t2停止向两极间供给电压，则电流停止流动。

将时刻t2-t1称之为脉冲宽度te。将该时刻t0～t2中的电压波形，间隔间歇时刻to反复施加于两极间。即，如该图4(A)所示，向电极11和工件12之间施加脉冲状的电压。

在正常进行放电表面处理的情况下，放电中的电压为大约50V的值，作为其范围，大多数情况下为大约40V～60V的值。不过，由于电极11的成型条件等各种条件，有时稍微会产生上下偏差。

在电极11制作得硬度较硬的情况下，电极11和工件12之间的电压低。另一方面，在电极11制作得硬度较软的情况下，电极11和工件2之间的电压高。

这种现象是由于以下的原因。电极11和工件12之间的电压，即电弧电压本身通常为25V～30V左右。但是，本发明中使用的厚膜形成用电极11，由于是使粉末固化而制作的，因而电阻值高。

因此，图3的电压检测装置14b的测定结果，为在电弧电压上加上电极11上的电压降的电压，与电极的电阻值低的情况相比，为更高的值。

如上所述可以看出，在利用放电表面处理稳定地形成厚膜的情况下，检测出的放电中的极间电压、即电极11和工件12间的电压V1，为图4(A)所示的高值，但在无法稳定地形成覆盖膜的情况下，如图5A所示，放电中的极间电压、即电极11和工件12间的电压V1下降。

这是由于以下的原因。在加工状态、即放电表面处理的处理状态不稳定的情况下，因放电集中，电极11的一部分利用放电的热量而被加热，如图6所示，产生熔融·再凝固的部分11a。于是，由于该熔融·再凝固的部分11a的电阻下降，所以电压检测装置14b的检测电压中电极11上的电压降变小。

此外，在图5(A)中，所有的脉冲放电电压都降低，但在加工(放电表面处理)突发性地不稳定的情况下，尤其是在初期阶段，多是放电电压出现低脉冲与高脉冲相混杂。

本发明人通过实验明确了，无论在哪种情况下，当产生这样的放电表面处理的不稳定现象时，如图6所示，都会成为电极11的一部分因过热而熔融·再凝固的部分11a的状态，在该熔融·再凝固的部分11a上产生放电的情况下，放电电压会变低。

一旦成为这种状态，则电极11的熔融·再凝固的部分11a变得与固态电极相同，电阻下降，放电容易在同一位置上产生，从而扩大了电极的损伤。

因此，在本发明中，利用图3所示的电压检测装置14b，检测放电中的电极11和工件12之间的电压，比稳定加工时、即放电表面处理稳定进行时低的情况。例如，可以考虑以下等方法，即产生放电后，在经过规定时间以后，产生极间电压检测定时脉冲，以该脉冲的定时，对极间电压和阈值进行比较，该阈值是稳定加工与不稳定的临界电压。上述检测定时，可以是从放电产生开始规定的时间，例如1μs～数μs，也可是放电持续时间的正中间这样的处理。然后，电压检测装置14b向控制电路14c发送规定的信号、例如电压的检测结果的信号。控制电路14c根据电压检测装置14b的检测结果，判断放电状态的好坏。控制电路14c在判断为放电状态异常(不好)的情况下，进而根据判断结果，通过断开例如开关元件S1或S2，使放电的产生完全停止。

由此，可以准确地检测放电表面处理的不稳定现象，在由该不稳定现象引起电极状态恶化之前，实施适当的对应处理。也就是说，可以通过判别放电表面处理的稳定性，来防止电极的损伤。

此外，在这里，说明了控制电路14c具有根据电压检测装置14b的检测结果来判断放电状态好坏的功能的情况，但也可以在控制电路14c之外，另设具有根据电压检测装置14b的检测结果来判断放电状态好坏的功能的单元。

检测电极11和工件12之间电压的定时，可以选择放电持续时间中的1点，或者也可以选择放电持续时间中的电极11和工件12之间的电压平均值。

稳定加工时的电极11和工件12之间的电压值，因所使用的电极不同而有差异，但每种电极均大体一致。因此，只要将阈值设定为比预先通过测定而确定的电压低的值，在低于该值的情况下判断为异常就可以。

此外，还可以配置计算某一数量的脉冲放电中电压值的平均值的电路，在产生比该电路计算出的平均值低规定比例、例如低10％的电压值的放电的情况下，判断为异常。

此外，作为简便的方法，还可使用下述方法。例如，因为在由金属构成电极，电极上没有电压降的情况下，放电表面处理时的极间电压值、即电极与工件之间的电压值落入25V～30V左右的范围内，因而，只要例如极间电压值大于或等于35V，就可判断为正常。

为了防止电极11的损伤，除了上述使放电的产生完全停止之外，例如延长放电间歇时间to等放电条件的操作也有效。例如，要通过延长放电间歇时间to来防止电极11的损伤，有以下等方法，即在产生了低于阈值的放电电压的脉冲的情况下，从下一脉冲开始将间歇时间设定为2倍。

但是，如果放电间歇时间to过长，则控制极间间隙的伺服机构的动作变得不稳定(这是因为，由于通常大致按照每个放电脉冲进行控制，所以控制间隔变长)，因而最好预先设定某种程度(例如1ms左右)的上限。

以上，记述了在利用放电表面处理形成覆盖膜情况下的、防止电极损伤的技术，通过上述本发明的试验结果中可以明确以下问题。在稳定加工中、即放电表面处理稳定进行时，作为放电电压上升原因的电极上的电压降，并不是在整个电极上产生，而是在电极表面的电弧柱的根部上产生。

这种情况可以推测是因为：电流在电极内部流动时，在很宽范围内流过电流，但电弧部分电流在非常狭小的部分流过，从而电阻变大。这可以从在电极的一部分熔融·再凝固而电阻局部下降的位置上产生放电时，电极中的电压降变小得到确认。

此外，在放电表面处理中，放电电压突然跳出规定范围，即超出规定范围，可以判断为是正在放电表面处理中电极产生异常的情况。此外，在放电电压一直不在规定范围内的情况下，可以判断为电极从最开始就处于异常状态。这是因为，在使用以正常状态制作的电极的情况下，放电中的电压会进入规定范围，在一直没进入该规定范围(超过规定的范围，或者低于规定的范围)的情况下，可以判断为电极从最开始就处于异常状态。

如上所述，在放电表面处理中，在放电电压突然偏离规定范围的情况下，判断为正在放电表面处理中电极变为异常状态，此外，在放电电压一直不在规定范围内的情况下，判断为电极从最开始就处于异常状态，由此，可以防止因在该时刻放电的集中，对电极、覆盖膜造成损伤的现象，因而可以有效防止电极的损伤。

此外，在放电表面处理中，必须要使电极材料熔融后，向工件侧移动，因此，电极必须处于电阻大到某种程度的状态。在放电表面处理中，如果发生放电集中产生于电极局部等异常状态，则电极上的该部分、即放电集中产生部分的熔融会加快进行。于是，在此情况下，电极的电阻值成为下降的状态。该电极状态的变化可以通过放电电压、即(极间的电弧电位)+(电极上的电压降)来进行检测。

放电电压下降的状态(由电极上的电阻引起的电压降变小的状态)，表示电极发生了异常，可以在放电发生数次的时机检测到该现象。

此外，与放电去除加工的情况不同，在通过放电表面处理在工件上形成覆盖膜的情况下，如果覆盖膜产生异常，则其修复非常困难。这是因为，如果不能以良好的状态形成覆盖膜而在覆盖膜上产生了凹陷，则即使继续进行放电表面处理，也无法填补该凹陷部分。为了将凹陷的覆盖膜修复到良好状态，只有去除该部分，进行追加处理的方法。

但是，如果在覆盖膜形成成为不稳定状态的初期阶段，实施延长放电脉冲的间歇时间等处理，则也可以使覆盖膜形成恢复到稳定状态。也就是说，在放电表面处理成为不稳定状态的情况下，必须要准确地检测覆盖膜形成的不稳定现象，并在由该不稳定现象引起覆盖膜的状态恶化之前，实施适当的对应处理。

因此，在本发明中，可以准确地检测放电表面处理的不稳定现象，在该不稳定现象引起覆盖膜的形成状态恶化之前，实施适当的对应处理。也就是说，可以通过判断放电表面处理的稳定性，防止覆盖膜的形成状态的恶化。

因此，由本发明，可以准确地检测突发性地产生的覆盖膜形成的不稳定现象，在由该不稳定现象引起覆盖膜状态及电极状态恶化之前，实施适当的对应处理。也就是说，由本发明，可以通过判定放电表面处理的稳定性，来防止覆盖膜以及电极的损伤。

此外，以上说明了在加工液中进行放电表面处理的情况，但本发明并不限于在加工液中进行放电表面处理时的情况，也可以适用于在气体气氛中进行放电表面处理的情况。

工业实用性

如上所述，本发明涉及的放电表面处理方法，适用于在被加工物表面形成覆盖膜的表面处理相关产业中，尤其适用于在被加工物表面形成厚膜的表面处理相关产业中。

Claims (9)

1.一种放电表面处理方法，其是以将金属粉末、金属化合物粉末或陶瓷粉末压缩成型的粉末压缩体作为电极，使前述电极和工件之间产生脉冲状放电，利用其能量，在前述工件表面形成由前述电极材料构成的覆盖膜，或形成由前述电极材料利用放电能量反应后的物质构成的覆盖膜，其特征在于，

检测包含放电中的前述电极和工件之间的电弧电压、以及前述电极上的电压降在内的电压，

根据前述检测结果，判断由于因放电集中导致的电极熔融而引起的电极的电压降的下降。

2.根据权利要求1所述的放电表面处理方法，其特征在于，

在检测出前述电压下降的情况下，判断为放电表面处理状态异常。

3.一种放电表面处理方法，其是以将金属粉末、金属化合物粉末或陶瓷粉末压缩成型的粉末压缩体作为电极，使前述电极和工件之间产生脉冲状放电，利用其能量，在前述工件表面形成由前述电极材料构成的覆盖膜，或形成由前述电极材料利用放电能量反应后的物质构成的覆盖膜，其特征在于，

检测包含放电中的前述电极和工件之间的电弧电压、以及前述电极上的电压降在内的电压，

根据前述检测结果，判断由于因放电集中导致的电极熔融而引起的电极的状态。

4.根据权利要求3所述的放电表面处理方法，其特征在于，

在前述电压总是不在规定范围内的情况下，判断为前述电极本身异常。

5.一种放电表面处理装置，其是以将金属粉末、金属化合物粉末或陶瓷粉末压缩成型的粉末压缩体作为电极，使前述电极和工件之间产生脉冲状放电，利用其能量，在前述工件表面形成由前述电极材料构成的覆盖膜，或形成由前述电极材料利用放电能量反应后的物质构成的覆盖膜，其特征在于，具有：

电压检测单元，其检测包含放电中的前述电极和工件之间的电弧电压、以及前述电极上的电压降在内的电压；以及

状态判断单元，其根据前述电压检测单元的检测结果，判断由于因放电集中导致的电极熔融而引起的电极的电压降的下降。

6.根据权利要求5所述的放电表面处理装置，其特征在于，

还具有控制单元，其根据前述状态判断单元的判断结果，停止放电或变更放电表面处理条件。

7.一种放电表面处理装置，其是以将金属粉末、金属化合物粉末或陶瓷粉末压缩成型的粉末压缩体作为电极，使前述电极和工件之间产生脉冲状放电，利用其能量，在前述工件表面形成由前述电极材料构成的覆盖膜，或形成由前述电极材料利用放电能量反应后的物质构成的覆盖膜，其特征在于，具有：

电压检测单元，其检测包含放电中的前述电极和工件之间的电弧电压、以及前述电极上的电压降在内的电压；以及

状态判断单元，其根据前述电压检测单元的检测结果，判断由于因放电集中导致的电极熔融而引起的电极的状态。

8.根据权利要求7所述的放电表面处理装置，其特征在于，

前述状态判断单元，在前述电压总是不在规定范围内的情况下，判断为前述电极本身异常。

9.根据权利要求5或7所述的放电表面处理装置，其特征在于，

前述电极含有大于或等于40体积％的难以形成碳化物的材料。

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