CN109852968A

CN109852968A - 一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置及其使用方法

Info

Publication number: CN109852968A
Application number: CN201910159093.5A
Authority: CN
Inventors: 陈海涛; 李忠盛; 吴护林; 张敏; 丛大龙; 何庆兵; 张隆平; 赵子鹏
Original assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Current assignee: No 59 Research Institute of China Ordnance Industry
Priority date: 2019-03-04
Filing date: 2019-03-04
Publication date: 2019-06-07
Anticipated expiration: 2039-03-04
Also published as: CN112522700A; CN109852968B

Abstract

一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：包括惰性气体气瓶（1），阀门（2），气管（3），1号丝杠（4），1号步进电机（5），沉积枪（6），导线（7），CHB‑200s型霍尔电流传感器（8），沉积枪装夹台（9），钢工件（10），三爪卡盘（11），传动轴（12），6204轴承（13），安装架（14），2号步进电机（15），2号丝杠（16），电极（17），固定筒（18），三角皮带（19），工作台（20），控制器（21），皮带轮（22），3号步进电机（23），智能电火花沉积堆焊修复电源（24）；其具有半自动化程度高、操作简单、工作可靠性强、性能稳定等优点。

Description

一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置及其使用方法

技术领域

本发明涉及钢工件异型内孔表面功能性防护涂层的制备，尤其涉及一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置及其使用方法。

背景技术

基体材料表面制备钨合金防护涂层的技术，已被广泛应用于电子、航空航天等领域，如火箭发动机及空间动力系统的喉衬材料、X射线和γ射线的器件材料、各种武器表面涂层及新型药型罩材料等。随着美国宣布时速20×10³ km/h、能量32 MJ、射程350 km的超高速电磁轨道炮试射成功后，利用钨合金涂层作为轨道炮导轨材料表面耐磨、抗高温烧蚀涂层的技术，已经在全世界范围内引起了越来越多的关注和研究。

电火花沉积技术是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料作为工作电极（阳极），在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件（阴极）表面微小区域产生火花放电，在10^－5～10^－6s时间内电极与工件接触部位瞬间达到8000～25000℃的高温，在火花放电能量和电场作用下，将电极材料转移至工件表面，形成一层优质防护涂层的强化方法，电极材料与工件基体材料通过冶金结合形成强化层。该技术具有热影响区小，工件不变形，涂层与基体冶金结合强度高，工件温升低不影响基材力学性能等特点。目前，电火花沉积技术在应用中大多是针对工件上平面或者外圆表面的沉积，针对工件上异型内孔--例如喷管类异型内孔--的电火花沉积工装几乎没有，更没有可应用于工件异型内孔表面涂层的沉积装置。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，该沉积装置设计合理，自动化程度高，且能实现在钢工件异型内孔表面制备得到高度均匀的防护涂层。

本发明的另一目的在于提供上述钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置的使用方法。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：惰性气体气瓶1，阀门2，气管3，1号丝杠4，1号步进电机5，沉积枪6，导线7，CHB-200s型霍尔电流传感器8，沉积枪装夹台9，工件10，三爪卡盘11，传动轴12，6204轴承13，安装架14，2号步进电机15，2号丝杠16，电极17，固定筒18，三角皮带19，工作台20，控制器21，皮带轮22，3号步进电机23，智能电火花沉积堆焊修复电源24。

所述沉积枪装夹台9用于装夹沉积枪6，固定和夹紧沉积枪6，且能调节沉积枪6与水平面之间的夹角。

所述控制器21能够控制1号步进电机5、2号步进电机15和3号步进电机23的转速和转动模式，也能够控制三个步进电机协调转动。所述控制器21内部包括三个步进电机驱动器。所述控制器21采用STC89C52单片机作为处理器，并用C语言编制涂层自动沉积控制程序。

所述控制器21设计有CHB-200s型霍尔电流传感器8，采集导线7上的电流。当电流大于35A，控制器21控制1号步进电机5和2号步进电机15正向或者反向旋转。

所述安装架13上分别设有所述三爪卡盘11、所述传动轴12、所述6204轴承13、所述固定筒18、所述3号步进电机23。所述三爪卡盘11通过传动轴12采用6204轴承13固定在固定筒18上；所述传动轴12的左端固定有所述三爪卡盘11，所述传动轴12的右端带有固定皮带轮；所述步3号进电机23的输出轴上设有皮带轮22；所述传动轴12上的固定皮带轮与所述3号步进电机23上的皮带轮22之间采用三角皮带19传动；所述惰性气体气瓶1通过气管3与所述沉积枪6尾部接口连接。

作为进一步优化，上述安装架14包括有顶板和底板两层，所述3号步进电机设于所述底板上，所述固定筒设于所述顶板上。

作为进一步优化，上述工作台20内部为中空设计，所述控制器21安装、固定于工作台中空内腔。

上述智能电火花沉积堆焊修复电源24，可选用为产自上海锐巨机电设备有限公司、型号为ZY-12的智能电火花沉积堆焊修复设备。

上述轴承13优选使用6204轴承。

上述钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置的使用方法，其特征在于，依次包括以下步骤：

（1）钢工件的预处理

作为进一步明确，上述预处理，具体是用汽油、煤油等有机溶剂进行清洗常规操作。

（2）装备与工装

将沉积枪6安装于沉积枪装夹台9上。

将钢工件10装夹在上述三爪卡盘11上；将电极17装夹到所述沉积枪6头部；将所述智能电火花沉积堆焊修复设备的阳极、阴极，分别对应连接到所述沉积枪6、所述安装架14上。

将惰性气体气瓶1与所述沉积枪6采用气管3通过阀门2连接起来。

（3）沉积涂层及其参数设定

开启上述惰性气体气瓶1，惰性气体气瓶1内装有氩气或者氮气等保护气体。

开启上述智能电火花沉积堆焊修复设备，设定沉积参数为：沉积功率为1000～1500W、沉积电压为80～100V、频率375～700Hz。

开启控制器，用STC89C52单片机作为处理器，根据涂层厚度要求，调节设定1号步进电机5、2号步进电机15和3号步进电机23的转速和转动模式，同时实现三个步进电机协调转动，控制沉积枪将电极材料沉积到钢工件上的异型内孔表面，涂层制备过程中，采用氩气或者氮气等保护气体进行保护，保护气体的流量控制在4±1 L/min。

所述1号步进电机、2号步进电机、3号步进电机均采用－亿星科技 86步进电机型号：86BYG250H；

（4）后处理

采用常规的磨削方法对沉积的涂层进行打磨。

本发明具有以下有益效果：

本发明提供了一种钢工件异型内孔表面涂层的自动沉积装置，该装置设计合理，它将工件可靠装夹后，用控制器控制三个步进电机可控旋转和协调工作，实现了钢工件异型内孔表面涂层的自动沉积。例如，可以用一个步进电机带动丝杠的移动，自动测试出钢工件需要制备涂层的位置，用另两个步进电机协调旋转实现钢工件异型内孔涂层的沉积，其中一个步进电机带动钢工件旋转，另一个步进电机带动丝杠移动，通过步进电机的正/反转，控制沉积枪上下移动，实现电极材料完整沉积到钢工件的异型内表面，其自动化程度高，实现了在钢工件异型内孔表面得到钨合金等功能性防护涂层。此外，本发明中还提供了该沉积装置的使用方法，实现了采用电火花沉积技术，在钢工件异型内孔表面可靠地制备了钨合金等功能性防护涂层，赋予了工件基体材料耐磨损、抗烧蚀等独特的机械、物理和化学性能，提高了工件极端工况下的工作可靠性，以满足现代工业和国防军工对新型高性能材料的要求。

附图说明

图1是本发明所述沉积钢工件异型内孔面涂层的装置结构主视图。

图2是本发明所述沉积钢工件异型内孔面涂层的装置结构俯视图。

图3是本发明所述沉积钢工件异型内孔面涂层的装置电路连接图。

图4是实施例1采用的具有异型内孔的钢工件结构示意图及沉积方向示意。

图5是本发明实施例1中钢工件涂层制备过程中的电极运动轨迹图；（a）为位置25面涂层制备轨迹，（b）为位置26面涂层制备轨迹，（c）为位置27面涂层制备轨迹。

图6是本发明实施例1中制备的钨涂层的截面微观形貌。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例，对本发明技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例 1

实施例1采用如图5所示结构钢工件作为本发明沉积装置沉积钨涂层的应用验证对象。

如附图1-2所示，一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，包括惰性气体气瓶1，阀门2，气管3，1号丝杠4，1号步进电机5，沉积枪6，导线7，CHB-200s型霍尔电流传感器8，沉积枪装夹台9，工件10，三爪卡盘11，传动轴12，6204轴承13，安装架14，2号步进电机15，2号丝杠16，电极17，固定筒18，三角皮带19，工作台20，控制器21，皮带轮22，3号步进电机23，智能电火花沉积堆焊修复电源24。

控制器21选用STC89C52单片机，控制器21内部步进电机驱动器选用普菲德MA860H，1号步进电机5、2号步进电机15、3号步进电机23均选用86BYG250H；主要电路连接方式如图4所示；CHB-200 s型霍尔电流传感器8连接于STC89C52单片机P3~P6引脚；智能电火花沉积堆焊修复电源24连接于STC89C52单片机P21~P25引脚；其余电源、接地等连线均按产品说明书常规连线连接。

该钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置的使用方法，依次包括以下步骤：

（1）钢工件的预处理

用汽油、煤油等有机溶剂对钢工件异型内孔表面进行常规的清洗。

（2）装备与工装

将惰性气体气瓶1与所述沉积枪6采用气管3通过阀门2连接起来；

将钢工件装夹在三爪卡盘上，旋紧三爪卡盘；

将电极装夹到沉积枪头部，电极材料为钨合金；

将沉积枪安装于沉积枪装夹台上；

再将智能电火花沉积堆焊修复电源的阳极、阴极，分别对应连接到沉积枪、安装架上。

（3）沉积涂层及其参数设定

首先，手动调节沉积枪装夹台上沉积枪与水平面间的夹角为30度，完成钢工件位置25（见图5）的涂层沉积，具体如下：

开启气瓶，气瓶内装有氩气；

开启智能电火花沉积堆焊修复电源，设定沉积参数为：沉积功率为1000W、沉积电压为80V、频率375Hz；

开启控制器，通过控制器调节2号步进电机正向旋转，保证电极与工件位置25面接触；

根据涂层厚度要求，控制1号步进电机与3号步进电机协调旋转，即3号步进电机每旋转一步（1度左右），控制1号步进电机正向旋转，保证电极与钢工件位置25面接触一次，当霍尔传感器检测到导线上瞬时电流大于35A后，控制1号步进电机反向旋转，保证电极与钢工件位置25面分离；

重复上一步骤直至钢工件旋转360度为止，完成钢工件位置25面中28轨迹（见图6）的360度圆周方向涂层沉积。

通过控制器调节1号步进电机反向旋转一步，进行钢工件位置25面中29轨迹的360度圆周方向涂层沉积；

重复控制1号步进电机与3号步进电机协调旋转，即3号步进电机每旋转一步，控制1号步进电机正向旋转，保证电极与钢工件位置25面接触一次，当霍尔传感器检测到导线上瞬时电流大于35A后，控制1号步进电机反向旋转，保证电极与钢工件位置25面分离；

重复上一步骤直至钢工件旋转360度为止，完成钢工件位置25面中29轨迹的360度圆周方向涂层沉积。

重复以上步骤指导完成钢工件位置25面中30和31轨迹的360度圆周方向涂层沉积；

通过控制器调节2号步进电机反向旋转；

关闭气瓶和智能电火花沉积堆焊修复电源。

其次，手动调节沉积枪装夹台上沉积枪与水平面间的夹角为0度，完成钢工件位置25的涂层沉积，具体如下：

开启气瓶，气瓶内装有氩气；

开启控制器，通过控制器调节2号步进电机正向旋转，保证电极与工件位置26面接触后，控制2号步进电机反向旋转一步；

根据涂层厚度要求，控制1号步进电机与3号步进电机协调旋转，即3号步进电机每旋转一步，控制1号步进电机正向旋转，保证电极与钢工件位置26面接触一次，当霍尔传感器检测到导线上瞬时电流大于35A后，控制1号步进电机反向旋转，保证电极与钢工件位置26面分离；

重复上一步骤直至钢工件旋转360度为止，完成钢工件位置26面中32轨迹的360度圆周方向涂层沉积。

通过控制器调节2号步进电机反向旋转；

关闭气瓶和智能电火花沉积堆焊修复电源。

最后，手动调节沉积枪装夹台上沉积枪与水平面间的夹角为60度，完成钢工件位置27的涂层沉积，具体如下：

将钢工件从三爪卡盘上取下，反向安装钢工件到三爪卡盘上；

开启气瓶，气瓶内装有氩气；

开启控制器，通过控制器调节2号步进电机正向旋转，保证电极与工件位置27面接触；

根据涂层厚度要求，控制1号步进电机与3号步进电机协调旋转，即3号步进电机每旋转一步，控制1号步进电机正向旋转，保证电极与钢工件位置27面接触一次，当霍尔传感器检测到导线上瞬时电流大于35A后，控制1号步进电机反向旋转，保证电极与钢工件位置27面分离；

重复上一步骤直至钢工件旋转360度为止，完成钢工件位置27面中33轨迹的360度圆周方向涂层沉积。

通过控制器调节1号步进电机反向旋转一步，进行钢工件位置27面中34轨迹的360度圆周方向涂层沉积；

重复控制1号步进电机与3号步进电机协调旋转，即3号步进电机每旋转一步，控制1号步进电机正向旋转，保证电极与钢工件位置27面接触一次，当霍尔传感器检测到导线上瞬时电流大于35A后，控制1号步进电机反向旋转，保证电极与钢工件位置27面分离；

重复上一步骤直至钢工件旋转360度为止，完成钢工件位置27面中34轨迹的360度圆周方向涂层沉积。

重复以上步骤指导完成钢工件位置27面中35和36轨迹的360度圆周方向涂层沉积；

通过控制器调节2号步进电机反向旋转；

关闭气瓶和智能电火花沉积堆焊修复电源；

将钢工件从三爪卡盘上取下。

（4）后处理

对沉积有钨合金涂层的钢工件采用常规磨削工艺或手工方法进行打磨，达到表面粗糙度Ra1.6以上，即实现了在钢工件异型内孔表面制得了钨合金防护涂层。

Claims

1.一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：包括惰性气体气瓶（1），阀门（2），气管（3），1号丝杠（4），1号步进电机（5），沉积枪（6），导线（7），CHB-200s型霍尔电流传感器（8），沉积枪装夹台（9），钢工件（10），三爪卡盘（11），传动轴（12），6204轴承（13），安装架（14），2号步进电机（15），2号丝杠（16），电极（17），固定筒（18），三角皮带（19），工作台（20），控制器（21），皮带轮（22），3号步进电机（23），智能电火花沉积堆焊修复电源（24）；

所述沉积枪装夹台（9）用于装夹沉积枪（6），固定和夹紧沉积枪（6），且能调节沉积枪（6）与水平面之间的夹角；

所述控制器（21）内部包括三个步进电机驱动器，分别与1号步进电机（5）、2号步进电机（15）和3号步进电机（23）连接，并对其转速和转动模式进行控制；

所述控制器（21）连接 CHB-200s型霍尔电流传感器（8），采集导线（7）上的电流；

所述安装架（14）上分别设有所述三爪卡盘（11）、所述传动轴（12）、所述6204轴承（13）、所述固定筒（18）、所述3号步进电机（23）；

所述三爪卡盘（11）通过传动轴（12）采用6204轴承（13）固定在固定筒（18）上；

所述传动轴（12）的左端固定有所述三爪卡盘（11），所述传动轴（12）的右端带有固定皮带轮；

所述步3号进电机（23）的输出轴上设有皮带轮（22）；

所述传动轴（12）通过固定皮带轮与所述3号步进电机（23）上的皮带轮（22）之间采用三角皮带（19）传动；

所述惰性气体气瓶（1）通过气管（3）与所述沉积枪（6）尾部接口连接。

2.如权利要求1所述一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：所述安装架（14）包括有顶板和底板两层，所述3号步进电机（23）设于所述底板上，所述固定筒（18）设于所述顶板上。

3.如权利要求2所述一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：工作台（20）内部为中空设计，所述控制（21）安装、固定于工作台中空内腔。

4.如权利要求3所述一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：所述控制器（21）选用STC89C52单片机作为处理器，内部步进电机驱动器选用普菲德MA860H。

5.如权利要求4所述一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：所述智能电火花沉积堆焊修复电源（24）选用为产自上海锐巨机电设备有限公司、型号为ZY-12的智能电火花沉积堆焊修复设备。

6.如权利要求5所述一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置，其特征在于：所述1号步进电机（5）、2号步进电机（15）、3号步进电机（23）均选用86BYG250H。

7.一种钢工件异型内孔表面涂层的沉积装置使用方法，其特征在于：按照如下步骤进行：

S1：钢工件预处理，使用有机溶剂对钢工件内孔表面进行清洗；

S2：装备与工装，顺序步骤如S201~S205：

S201：将惰性气体气瓶（1）与所述沉积枪（6）采用气管（3）通过阀门（2）连接起来；

S202：将钢工件（10）装夹在三爪卡盘上（11），旋紧三爪卡盘（11）；

S203：将电极（17）装夹到沉积枪头部，电极（17）材料为钨合金；

S204：将沉积枪（6）安装于沉积枪装夹台（9）上；

S205：:将智能电火花沉积堆焊修复电源（24）的阳极、阴极，分别对应连接到沉积枪（6）、安装架（14）上；

S3：参数设置，具体为开启智能电火花沉积堆焊修复电源（24），设定沉积参数为：沉积功率为1000W、沉积电压为80V、频率375Hz；

S4：沉积枪（6）转态调整；具体为根据钢工件需沉积面，通过手动调整沉积枪夹台（9），使得沉积枪（6）头部电极（17）与钢工件需沉积面呈一定夹角；

S5：打开气瓶，开启控制器（21）；所述控制器（21）按如下流程工作：

S5001：控制3号步进电机（23）匀速转动；

S5002：控制1号步进电机（5）正向转动，使得沉积枪（6）与钢工件（10）表面接触，完成点沉积；

S5003：控制器（21）连接 CHB-200s型霍尔电流传感器（8），采集导线（7）上的电流，当瞬时电流大于35A时，控制1号步进电机（5）反向转动，使得沉积枪（6）与钢工件（10）表面分离；

S5004：控制器（21）检测到导线（7）上的电流小于35A时，控制1号步进电机（5）正向转动，使得沉积枪（6）与钢工件（10）表面接触，完成点沉积；不断重复S5002~S5004过程一定时间，完成由点沉积到一周的线沉积；

S5005：控制2号步进电机（15）转动一定角度；再重复S5002~S5004过程一定时间，完成由点沉积到一周的线沉积；

S5006：重复S5005步骤，完成钢工件该表面的沉积；

再重复S4~S5；完成钢工件其他表面的沉积；关闭步进电机、气瓶以及智能电火花沉积堆焊修复电源；取出钢工件；

S6：后处理，对沉积有完的钢工件采用常规磨削工艺或手工方法进行打磨，达到表面粗糙度Ra1.6以上，即实现了在钢工件异型内孔表面制得了钨合金防护涂层。