CN108699703A - 表面强化涂层的制备装置及方法 - Google Patents

Abstract

表面强化涂层的制备装置包括位移平台(1)、电极夹具(4)、片状电极(6)、涂层(7)、工件夹具(10)及电火花加工电源(11)。电火花加工电源(11)的正极电连接于电极夹具(4)，负极电连接于工件夹具(10)，电极表面设有涂层(7)。当电火花加工电源(11)开启后，位移平台(1)带动由电极夹具(4)夹持的片状电极(6)移动，片状电极(6)对工件(8)的待加工面(9)加工，在待加工面(9)形成强化涂层，用以提高表面性能，减小表面磨损，提高服役寿命。与常规能量束涂层、PVD、热喷涂等涂层技术相比，该表面强化涂层的涂层制备装置及方法可以实施窄缝、小孔等细小结构的内表面加工，尤其对于铝合金型材热挤压模具较为适用。

Description

表面强化涂层的制备装置及方法

技术领域

本发明属于涂层加工技术领域，更具体地说，是涉及表面强化涂层的制备装置及方法。

背景技术

铝型材具有轻质、低价、可回收等特点，广泛应用于建筑、电力、汽车制造、电子及机械设备等领域。随着社会经济的不断发展，全球铝型材市场需求逐年增长，同时也带动了铝材加工行业的迅速壮大。在此激烈的行业竞争下，各企业都加大了成本的管控，在保证生产质量的前提下，尽量压缩生产成本。挤压模具是铝型材生产的重要工具，也是生产中的消耗品，模具的使用性能、维护成本和服役寿命将直接影响到产品质量和生产成本。就挤压模具而言，其定径带，即工作带表面在服役过程中承受高温、高载荷和高挤压速度，因此极易磨损，可以说工作带的表面性能和状态直接影响到模具的使用性能和服役寿命。如何强化挤压模具工作带的表面性能，增强其硬度和耐磨性是提高模具服役寿命，降低生产成本的关键因素。

目前，模具制造企业主要采用表面氮化技术来改善挤压模具的表面性能。氮化技术主要有三种，即：液态氮化、气态氮化和离子氮化，其中液态氮化会造成环境问题；气态氮化方法虽然更加环境友好，但会产生相对较厚的氮化层，容易降低模具强度；离子氮化不利于加工挤压模具中的狭槽结构。另外，氮化技术制造的氮化层会随着温度提高会逐渐消失，进而失去强化效果。不仅如此，氮化技术是仅利用渗氮原理使合金材料内生成氮化物来提高合金材料的表面性能，虽然能够有效强化模具的整体表面性能，但却难以对局部区域，特别是工作带等需要特殊强化的表面区域进行针对性处理，且由于强化方法相对单一，对于材料表面的增强作用也相对有限。

涂层技术是提高材料表面性能的重要方法。涂层技术不仅能够提高基材的表面性能，而且能够将具有特殊性能的涂层材料，例如陶瓷颗粒、固体自润滑剂、合金元素等，引入基材，还可以使廉价金属获得高性能表面。因此，在模具制造行业中，激光熔覆/合金化、电弧堆焊、等离子束熔覆/合金化、PVD(物理气相沉积)等涂层技术已经广泛应用于强化模具表面性能。然而，这些技术都是基于利用能量束对待加工面进行直接辐照或溅射的方法进行加工，对于制造热挤压模具，尤其是具有窄缝或工作带在内部的模具，难以实施。目前可以适用于热挤压模具制造的涂层技术，主要是CVD(化学气相沉积)技术，CVD技术所产生的涂层具有减少铝和模具之间的磨擦，降低挤压模具磨耗的功能，然而CVD技术却存在制造成本较高、效率较低、污染环境等不足之处，且处理温度较高，容易影响模具的整体尺寸、形状和材料性能，因此在工业中实际应用相对较少。

发明内容

本发明的目的在于提供表面强化涂层的制备装置及方法，以解决现有技术难以对窄缝、小孔等细小结构的内表面进行涂层制备的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供一种表面强化涂层的制备装置，包括：

位移平台；

安装于所述位移平台且由所述位移平台驱动移动的电极夹具；

由所述电极夹具夹持的片状电极；

用于固定工件的工件夹具；

设于所述片状电极的表面的涂层；以及

具有正极与负极的电火花加工电源，所述正极与所述电极夹具电连接，所述负极与所述工件夹具电连接。

进一步地，所述电极夹具的数量为二，两个所述电极夹具相间隔设置，两个所述电极夹具同时夹持所述片状电极。

进一步地，所述电极夹具连接有阳极接线柱，所述正极与所述阳极接线柱之间通过阳极电缆电连接。

进一步地，所述工件夹具连接有阴极接线柱，所述负极与所述阴极接线柱之间通过阴极电缆电连接。

进一步地，工件的待加工面的法线方向垂直于水平面向上，所述片状电极所在平面平行于水平面。

进一步地，所述工件具有缝隙，所述工件的待加工面为所述缝隙的内表面，所述片状电极穿设于所述缝隙。

进一步地，所述工件为具有工作带的热挤压模具，所述工件的待加工面为所述工作带的内表面，所述片状电极穿设于所述工作带。

进一步地，所述片状电极为铜电极。

进一步地，所述涂层的厚度范围是0.1mm至0.2mm。

本发明提供表面强化涂层的制备方法，采用上述表面强化涂层的制备装置，所述表面强化涂层的制备方法包括以下步骤：

S10)制备涂层；制备片状电极，将所述涂层附着在片状电极的表面；将工件装夹在工件夹具；

S20)将所述片状电极装夹在所述电极夹具使所述片状电极绷直，并控制所述位移平台使得所述片状电极靠近于工件的待加工面，再使所述片状电极抬起到工作距离；

S30)设定电火花加工参数；

S40)对工件的待加工面进行电火花放电沉积加工，所述位移平台在加工时驱动所述片状电极相对于工件的待加工面移动。

进一步地，所述涂层为以陶瓷、金属或合金为主要成分的亚微米粒度粉末以及导电胶混合形成。

进一步地，在步骤S40)中，在惰性气体保护下，对工件的待加工面进行电火花放电沉积加工。

进一步地，在步骤S40)中，所述位移平台在加工时驱动所述片状电极相对于工件的待加工面沿所述片状电极的长度或宽度方向水平移动；或者，所述位移平台在加工时驱动所述片状电极相对于工件的待加工面上下往复移动。

进一步地，在步骤S40)后还包括步骤S50)，对加工后的工件的待加工面进行清洗。

进一步地，在步骤S50)后还包括步骤S60)，对工件进行精加工。

本发明相对于现有技术的技术效果是：电火花加工电源的正极电连接于电极夹具，负极电连接于工件夹具，电极表面设有涂层。当电火花加工电源开启后，位移平台带动由电极夹具夹持的片状电极移动，片状电极对工件的待加工面加工，在待加工面形成强化涂层，用以提高表面性能，减小表面磨损，提高服役寿命。与常规能量束涂层、PVD、热喷涂等涂层技术相比，该表面强化涂层的涂层制备装置及方法可以实施窄缝、小孔等细小结构的内表面加工，尤其对于铝合金型材热挤压模具较为适用。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的表面强化涂层的制备装置的结构示意图；

图2为图1的表面强化涂层的制备装置所加工的工件的主视图；

图3为图2的工件沿A-A线的剖视图；

图4为图2的工件的工作带的放大示意图；

图5为图1的表面强化涂层的制备装置中应用的片状电极的结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

请参阅图1，先对本发明提供的表面强化涂层的制备装置进行说明。表面强化涂层的制备装置，包括位移平台1、安装于位移平台1且由位移平台1驱动移动的电极夹具4、由电极夹具4夹持的片状电极6、用于固定工件8的工件夹具10、设于片状电极6的表面的涂层7、以及具有正极与负极的电火花加工电源11，正极与电极夹具4电连接，负极与工件夹具10电连接。

电火花加工电源11的正极电连接于电极夹具4，负极电连接于工件夹具10，电极表面设有涂层7。当电火花加工电源11开启后，位移平台1带动由电极夹具4夹持的片状电极6移动，片状电极6对工件8的待加工面加工，在待加工面9形成强化涂层，用以提高表面性能，减小表面磨损，提高服役寿命。

与常规能量束(激光、电子束、等离子束、电弧)涂层、PVD、热喷涂等涂层技术相比，表面强化涂层的涂层制备装置可以实施窄缝、小孔等细小结构的内表面加工，尤其对于铝合金型材热挤压模具较为适用。

与CVD工艺相比，表面强化涂层的涂层制备装置的加工效率更高，环境相对友好，无工件热畸变，且工艺更为灵活，所获涂层7适用范围更加广泛；

与常规渗氮工艺相比，表面强化涂层的涂层制备装置可通过调整涂层粉末成分、配比等获得性能更为优越的功能表面，其材料选择范围广，工艺柔性更高；

与渗氮技术和CVD技术相比，表面强化涂层的涂层制备装置可对模具局部区域进行选择性强化，针对性更强，能耗更低；

电火花设备和工艺较为成熟，相比其他表面涂层加工技术，设备和加工制造成本更低。

片状电极6为薄片电极或箔结构电极，片状电极6的两表面涂覆有涂层7，用于对工件8的待加工面9进行电火花沉积放电加工。

位移平台1为XYZ位移平台，配置有三个方向的驱动件，能带动位移平台1在空间内移动至预定位置。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，电极夹具4的数量为二，两个电极夹具4相间隔设置，两个电极夹具4同时夹持片状电极6。片状电极6的两端部分别由一个电极夹具4夹持，使得片状电极6绷紧拉直。在位移平台1带动电极夹具4时，片状电极6能平稳移动。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，电极夹具4连接有阳极接线柱2，正极与阳极接线柱2之间通过阳极电缆12电连接。电极夹具4上的阳极接线柱2通过阳极电缆12与电火花加工电源11的正极连接，该结构容易装配。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，工件夹具10连接有阴极接线柱3，负极与阴极接线柱3之间通过阴极电缆13电连接。工件夹具10上的阴极接线柱3通过阴极电缆13与电火花加工电源11的负极相连接，该结构容易装配。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，工件8的待加工面9的法线方向垂直于水平面向上，片状电极6所在平面平行于水平面。该结构便于片状电极6对工件8的待加工面9进行电火花沉积放电加工。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，工件8具有缝隙，工件8的待加工面9为缝隙的内表面，片状电极6穿设于缝隙。实现面向细小结构(窄缝、小孔等)内表面的涂层7加工。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，工件8为具有工作带的热挤压模具，工件8的待加工面9为工作带的内表面，片状电极6穿设于工作带。实现铝合金型材热挤压模具工作带处的表面强化，用以提高模具工作带的表面性能，减小表面磨损，提高模具的服役寿命。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，片状电极6为铜电极。该结构便于片状电极6对工件8待加工面9进行电火花沉积放电加工。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备装置的一种具体实施方式，涂层7的厚度范围是0.1mm至0.2mm。该结构便于片状电极6对工件8待加工面9进行电火花沉积放电加工，在工件8待加工面9形成表面强化涂层。

本发明还提供表面强化涂层的制备方法，采用上述任一实施例表面强化涂层的制备装置，表面强化涂层的制备方法包括以下步骤：

S10)制备涂层7，根据工件8的强化需求、工作条件等要求，选择合适的涂层7粉末材料成分和配比，并将其通过球磨、搅拌、合金化等方式混合均匀；

制备片状电极6，根据工件8的结构形状，选择合适厚度和宽度的薄铜板或铜箔，将其加工至适合工件8待加工面9结构的形状和尺寸；通过涂覆、粘结、热喷涂等方式将所制备的涂层7附着在片状电极6表面，厚度根据工件8结构、沉积涂层7厚度要求、电火花沉积工艺参数等因素制定；

待加工工件8的装夹和定位，将待加工工件8装夹在电火花机床的工件夹具10上，并使待加工面9垂直向上。

S20)片状电极6的装夹和对刀。将所制备的片状电极6装夹在电极夹具4上夹紧，并调节电极夹具4距离使片状电极6绷直；控制位移平台1使片状电极6缓慢靠近装夹后的工件8待加工面9，完成对刀过程；对刀完成后，将片状电极6略微抬起到工作距离。

S30)设定电火花加工参数，根据加工需求设置电火花加工工艺参数，包括电流、电压、脉冲频率等。

S40)根据设定后的工艺参数，启动电源开关，开始实施电火花沉积加工，对工件8的待加工面9进行电火花放电沉积加工，位移平台1在加工时驱动片状电极6相对于工件8的待加工面9不断匀速移动。一方面使片状电极6上的涂层7均匀消耗，另一方面使涂层在工件8的待加工面9的沉积更加均匀。

电火花加工电源11的正极电连接于电极夹具4，负极电连接于工件夹具10，电极表面设有涂层7。当电火花加工电源11开启后，位移平台1带动由电极夹具4夹持的片状电极6移动，片状电极6对工件8的待加工面加工，在待加工面9形成强化涂层，用以提高表面性能，减小表面磨损，提高服役寿命。

与常规能量束(激光、电子束、等离子束、电弧)涂层、PVD、热喷涂等涂层技术相比，表面强化涂层的涂层制备装置及方法可以实施窄缝、小孔等细小结构的内表面加工，尤其对于铝合金型材热挤压模具较为适用。

与CVD工艺相比，表面强化涂层的涂层制备装置及方法的加工效率更高，环境相对友好，无工件热畸变，且工艺更为灵活，所获涂层7适用范围更加广泛；

与常规渗氮工艺相比，表面强化涂层的涂层制备装置及方法可通过调整涂层粉末成分、配比等获得性能更为优越的功能表面，其材料选择范围广，工艺柔性更高；

与渗氮技术和CVD技术相比，表面强化涂层的涂层制备装置及方法可对模具局部区域进行选择性强化，针对性更强，能耗更低；

电火花设备和工艺较为成熟，相比其他表面涂层加工技术，设备和加工制造成本更低。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备方法的一种具体实施方式，涂层7为以陶瓷、金属或合金为主要成分的亚微米粒度粉末以及导电胶混合形成。该方案形成的涂层7能较好地在工件8的待加工面9形成强化涂层，用以提高表面性能。合金是高性能合金。亚微米粒度粉末可以是WC、Co、Ti、TiC、SiC、Ni等组分中的一种或多种，按需配制。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备方法的一种具体实施方式，在步骤S40)中，在氮气、氩气或其它惰性气体保护下，对工件8的待加工面9进行电火花放电沉积加工，能提高加工质量。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备方法的一种具体实施方式，在步骤S40)中，位移平台1在加工时驱动片状电极6相对于工件8的待加工面9沿片状电极6的长度或宽度方向水平移动，适用于工件8的待加工区域宽度较大的情况，实现待加工面9的电火花放电沉积加工；或者，位移平台1在加工时驱动片状电极6相对于工件8的待加工面9上下往复移动，适用于工件8的待加工区域宽度较小的情况，实现待加工面9的电火花放电沉积加工。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备方法的一种具体实施方式，在步骤S40)后还包括步骤S50)，对加工后的工件8的待加工面9进行清洗，清除电火花沉积过程中产生的积碳、碎屑等。

进一步地，作为本发明提供的表面强化涂层的制备方法的一种具体实施方式，在步骤S50)后还包括步骤S60)，对工件8进行精加工。清理后的工件8根据生产需要，对其进行精加工处理，包括研磨、抛光等，使其满足生产要求。

以加工图2、图3所示的直角铝型材热挤压模具为例，详细阐述本发明表面强化涂层的制备装置及方法。该模具结构如图2、图3所示，其工作带结构为窄缝结构，窄缝宽度设计尺寸为1.5mm，工作带外壁长度L为50×50mm，内壁长度为48.5×48.5mm，工作带加工面宽度W为5mm，模具整体厚度为60mm。该工作带放大图及需要加工涂层的区域如图4所示，该模具共有A、B、C、D、E、F六个涂层加工面，各加工面的涂层具体加工过程如下：

S10)将WC、Co、Ti的亚微米粒度粉末，按照体积比4:2:4的比例均匀混合，并混入导电胶，作为涂层材料；

根据窄缝宽度1.5mm、模具整体厚度60mm、以及工作带长度等参数，选择厚度为0.8mm的薄铜板作为片状电极6，并将其尺寸切割为120mm×20mm和80mm×1.5mm的两组片状电极6；将所制备的涂层材料均匀地喷涂在所制备的薄片状电极6的两表面上，形成涂层7，喷涂厚度为0.1mm；

将模具装夹在电火花机床上，选择加工面A作为第一个加工面，并使其法线方向垂直于水平面向上；

S20)将所制备好的片状电极(尺寸120mm×20mm)穿过模具工作带缝隙，并将其两端夹持在电极夹具4上，调整电极夹具4距离使片状电极6绷直；驱动位移平台1使片状电极6涂层面逐渐接近模具工作带的待加工面9，当听到短路报警后停止，并设置零点，随后驱动片状电极6远离待加工面9一定距离；

S30)设置电火花沉积加工参数为电流：10A，电压：100V，脉冲频率：2000Hz，保护气体(氮气)流量：8L/min，电极移动速度10mm/min，电极移动方向：沿工作带长度方向水平移动；

S40)开启电火花加工电源11，进行电火花沉积加工，直至该工作带外壁加工完成；

S41)在步骤S40)完成后，拆卸片状电极6，将模具旋转90°至加工面B，重复步骤S20)至S40)，直至另一加工面完成加工，其中需要注意的是，片状电极6对加工面B的加工位置6b需错开对加工面A所用电极的位置6a，如图5所示，片状电极6具有位于两端的夹持部61；

S42)重复步骤S20)至S40)，完成加工面C、D的加工；

S43)更换片状电极(尺寸80mm×1.5mm)，重复步骤S20)至S40)，完成加工面E的加工，其中需要注意的是，加工过程中片状电极6不需水平移动，而进行上下往复移动；

S44)重复步骤S43)，完成加工面F的加工，最终模具工作带上的所有加工面均已完成涂层7加工；

S50)对加工完成后的模具进行清理，去除加工残留；

S60)对模具工作带涂层7进行打磨抛光，直至符合生产要求。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (15)

1.表面强化涂层的制备装置，其特征在于，包括：

位移平台；

安装于所述位移平台且由所述位移平台驱动移动的电极夹具；

由所述电极夹具夹持的片状电极；

用于固定工件的工件夹具；

设于所述片状电极的表面的涂层；以及

具有正极与负极的电火花加工电源，所述正极与所述电极夹具电连接，所述负极与所述工件夹具电连接。

2.如权利要求1所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述电极夹具的数量为二，两个所述电极夹具相间隔设置，两个所述电极夹具同时夹持所述片状电极。

3.如权利要求1所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述电极夹具连接有阳极接线柱，所述正极与所述阳极接线柱之间通过阳极电缆电连接。

4.如权利要求1所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述工件夹具连接有阴极接线柱，所述负极与所述阴极接线柱之间通过阴极电缆电连接。

5.如权利要求1所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，工件的待加工面的法线方向垂直于水平面向上，所述片状电极所在平面平行于水平面。

6.如权利要求1至5任一项所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述工件具有缝隙，所述工件的待加工面为所述缝隙的内表面，所述片状电极穿设于所述缝隙。

7.如权利要求1至5任一项所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述工件为具有工作带的热挤压模具，所述工件的待加工面为所述工作带的内表面，所述片状电极穿设于所述工作带。

8.如权利要求1至5任一项所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述片状电极为铜电极。

9.如权利要求1至5任一项所述的表面强化涂层的制备装置，其特征在于，所述涂层的厚度范围是0.1mm至0.2mm。

10.表面强化涂层的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1至9任一项所述的表面强化涂层的制备装置，所述表面强化涂层的制备方法包括以下步骤：

S10)制备涂层；制备片状电极，将所述涂层附着在片状电极的表面；将工件装夹在工件夹具；

S20)将所述片状电极装夹在所述电极夹具使所述片状电极绷直，并控制所述位移平台使得所述片状电极靠近于工件的待加工面，再使所述片状电极抬起到工作距离；

S30)设定电火花加工参数；

S40)对工件的待加工面进行电火花放电沉积加工，所述位移平台在加工时驱动所述片状电极相对于工件的待加工面移动。

11.如权利要求10所述的表面强化涂层的制备方法，其特征在于，所述涂层为以陶瓷、金属或合金为主要成分的亚微米粒度粉末以及导电胶混合形成。

12.如权利要求10所述的表面强化涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S40)中，在惰性气体保护下，对工件的待加工面进行电火花放电沉积加工。

13.如权利要求10所述的表面强化涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S40)中，所述位移平台在加工时驱动所述片状电极相对于工件的待加工面沿所述片状电极的长度或宽度方向水平移动；或者，所述位移平台在加工时驱动所述片状电极相对于工件的待加工面上下往复移动。

14.如权利要求10所述的表面强化涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S40)后还包括步骤S50)，对加工后的工件的待加工面进行清洗。

15.如权利要求14所述的表面强化涂层的制备方法，其特征在于，在步骤S50)后还包括步骤S60)，对工件进行精加工。