CN110814447B - 一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置及方法，属于材料表面工程领域。本发明采用在三维运动平台加装电极损耗自补偿系统，利用电火花放电信号触发电极夹持机构运动动态调节电极与工件表面间距。电极损耗自补偿系统由带有触发功能的示波器，Z₁轴和X₁轴两个运动轴、驱动器构成。沉积过程中利用示波器实时监测电极和工件间电流和/或电压。当检测到火花放电信号峰的触发预设的电平，示波器向Z₁和X₁两个运动轴的驱动器同时发出驱动信号，驱动Z₁和X₁轴同时产生补偿位移，从而实现电极损耗两个方向的自动补偿。本发明提出的装置和方法，可解决电火花沉积过程中的电极消耗自动补偿问题，实现涂层数控自动化连续沉积。

Description

一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置及方法

技术领域

本发明涉及一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置及方法，属于材料表面工程领域。

背景技术

表面工程技术采用物理、化学、机械等方法，在材料表面制备不同于基体材料的，且具有光、电、磁、热等特殊性能的覆层。它以新型的功能实现新的工程应用，改变材料表面及近表面区的形态、化学成分和组织结构，使工件表面具有强度高、硬度高、耐磨、耐蚀、耐热及抗咬合等超强性能。如通过表面技术改进模具表面的物理化学性能，可以经济合理地解决其磨损问题，对提高磨损部件服役寿命和性能具有重要工程应用价值，模具寿命可延长数倍至数十倍，成为这些领域修复部件、延长零件使用寿命的重要途径。因此，表面工程技术被广泛应用于工业生产中。

电火花沉积是利用电容储存电能，在基体材料(阴极)和电极(阳极)之间形成高频脉冲微电弧放电(10^-6～10^-5s)，使基体和电极之间的气体电离而形成瞬间的通道，电极材料在电场的作用下迁移到基体表面，并通过电极移动形成连续涂层的过程。

电火花沉积热输入小，对工件造成的热影响区和变形小；沉积涂层与基体为冶金熔合、结合强度高；电火花瞬时高温局部熔化的电极材料在工件表面迅速冷却，为非晶、纳米晶的形成创造了有利的条件，将有望成为替代电镀硬铬涂层技术的重要途径。电火花沉积过程不会产生有毒的、污染环境的物质，有利于可持续发展，是一种具有广泛发展前景的表面工程改性技术。通过电火花沉积技术，选择不同的电极材料，在各类的基体表面制备各异性能的涂层，能够提高工件表面的抗腐蚀能力、高温氧化性能、摩擦磨损等优良性能。电火花沉积技术近年来迅速发展，广泛用于航空航天、军事领域、机械制作业等行业零部件的表面强化方面，以及失效零部件表面的修复。

长期以来，电火花沉积均通过手工作业，加工的质量、速度直接取决于操作者的水平、经验，涂层的均匀度、批量生产的一致性得不到保证。沉积效率低、操作具有随意性和不可再现性，涂层质量难以控制，采用自动化的电火花沉积系统是一个必然的发展方向。然而，在电火花沉积的过程中，电极材料不断损耗，会引起旋转电极与工件之间的间隙变化，当电极消耗达到一定程度,即电极与工件表面之间的距离大于放电间隙时,电极和工件表面之间就无法形成间隙放电,这样就无法继续进行电火花沉积工作，只能实现极小范围内沉积涂层。在进行电火花沉积的自动化操作时,电极由机械手或其他机械机构操作,但电极与基体之间的间距需要进行单独的自动控制,目前尚未这样的技术和设备。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置及方法，通过电火花放电信号监测实时触发电极夹持机构运动动态调节电极与工件表面间距，解决电火花沉积过程中的电极消耗自动补偿问题，实现涂层数控自动化连续沉积。

本发明的技术方案如下：

一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置，包括电火花沉积电源、沉积枪、三维运动平台和电极损耗自补偿系统，其特征在于：

所述的电极损耗自补偿系统由带有触发功能的示波器，Z₁轴和X₁轴两个运动轴、驱动器构成；示波器的电流和/或电压探头与电火花两极放电电流相连，实时监测电极和工件间电流和/或电压；根据预先设置的触发电平和探测到的放电信号，示波器向Z₁轴和X₁轴两个运动轴的驱动器同时发出驱动信号，驱动Z₁轴和X₁轴同时产生补偿位移；所述的三维运动平台由X轴、Y轴和Z轴构成，在三维运动平台上设置有可夹持待沉积工件的沉积平台，沉积平台在平面中的运动由X轴和Y轴的运动驱动器予于控制；所述的基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置中电极损耗自补偿系统的Z₁轴装配在三维运动平台的Z轴上。

进一步地，沉积枪与工件表面成40～80°的α倾角，Z₁轴和X₁轴两个运动轴运动补偿满足ΔZ₁＝ΔX₁×tanα。

一种采用权利要求1所述装置的电火花自动沉积方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)将电极损耗自补偿系统的Z₁轴装配在三维运动平台的Z轴上；

2)将装有电极的沉积枪装配在电极损耗自补偿系统的X₁轴上，将待沉积的工件装夹在沉积平台，调节沉积枪与待沉积的工件表面成40～80°的α倾角；

3)电火花沉积电源正极输出线与沉积枪相连，负极输出线与待沉积的工件相连；

4)将示波器的电流探头装夹在电火花沉积电源正极输出线上，电压探头正、负接口分别与沉积枪、工件通过导线连接，示波器信号输出口与控制Z₁轴、X₁轴运动的驱动器相连接；

5)打开电火花沉积电源，设置示波器触发电平、触发输出信号，调节Z₁轴和X₁轴两个运动轴的驱动器使两运动轴在输出信号驱动下运动补偿满足ΔZ₁＝ΔX₁×tanα；

6)设计沉积枪与沉积平台三维相对运动轨迹，设置三维运动平台运动程序；

7)在工件待沉积表面进行三维运动平台运动程序控制下的自动沉积。

下面对本发明的技术方案进行说明：

将现有三维运动控制控制与电火花沉积技术相结合，通过三维运动平台搭载电火花沉积枪可实现平面、曲面的CNC控制下的机械自动化沉积。但在电火花沉积的过程中，电极材料不断损耗，会引起旋转电极与工件之间的间隙变化，当电极消耗达到一定程度,即电极与工件表面之间的距离大于放电间隙时,这样就无法继续进行电火花沉积工作，只能实现极小范围内沉积涂层。

图1给出了利用示波器电流和电压监测到的电火花沉积过程中电流、电压信号，当电极和工件表面产生电火花放电时，其电流、电压曲线会出现明显的放电峰。由于电极损耗是火花放电产生，因此，在监测到放电峰时给予电极一定的位移补偿就可以消除火花放电时电极损耗导致的电极与工件之间的间隙变化。本发明的思路是在现有技术基础上，在三维运动平台上增加电极损耗自补偿系统，利用可触发示波器实时监测电极和工件间电流和/或电压，当示波器检测到放电信号峰时触发输出驱动信号，从而做出一定的位移补偿，抵消电极放电产生的电极损耗。

在电火花沉积过程中电极产生消耗，由于旋转电极需保持一定的倾角(α)，在沉积过程中要通过补充动作使电极回归补充前位置，需在X轴和Z轴方向同时进行补充。图2给出了电极损耗补偿原理示意图，当电极产生消耗ΔL(由L₀变为L)，需在X轴和Z轴方向分别补偿ΔX、ΔZ，并满足(ΔX²+ΔZ²＝ΔL²，ΔZ＝ΔX×tanα)。

采用在现有三维运动平台Z轴加装图2所示电极损耗自补偿系统以实现电极损耗补偿，该系统通过电火花放电信号监测实时触发电极夹持机构运动动态调节电极与工件表面间距，包括带有触发功能的示波器，Z₁轴和X₁轴两个运动轴、驱动器。沉积过程中将示波器的电流和/或电压探头与电火花两极放电电流相连，实时监测电极和工件间电流和/或电压。当检测到火花放电信号峰的触发预设的电平，示波器向Z₁轴和X₁轴两个运动轴的驱动器同时发出驱动信号，驱动Z₁轴和X₁轴同时产生补偿位移。Z₁轴和X₁轴两个运动轴的补偿可通过驱动器调节使其满足ΔZ₁＝ΔX₁×tanα，从而实现电极损耗两个方向的自动补偿。

附图说明

图1为电极损耗补偿原理示意图；

图2为本发明采用的电火花沉积丝束电极结构图；

图3为电极电极损耗自补偿系统。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

电极损耗自补偿系统的Z₁轴装配在三维运动平台的Z轴上；装有电极的沉积枪装配在电极损耗自补偿系统的X₁轴上。将待沉积的45#钢板状工件装夹在沉积平台，调节沉积枪与待沉积的工件表面成60°。采用市售ESD 300型电火花沉积电源正极输出线与沉积枪相连，负极输出线与待沉积的工件相连。将示波器的电流探头装夹在电火花沉积电源正极输出线上，电压探头正、负接口分别与沉积枪、工件通过导线连接，示波器信号输出口与控制Z₁轴、X₁轴运动的驱动器相连接。打开电火花沉积电源，设置电源输出频率为1000HZ、电压为100V、电容为120μF。设置示波器为电压触发模式，触发电平设置为20V，调节触发输出信号和Z₁轴、X₁轴两个运动轴的驱动器使两运动轴在单个输出信号驱动下运动补偿分别为0.173μm、0.1μm。设置三维运动平台运动程序，在工件待沉积表面进行三维运动平台运动程序控制下的自动沉积，最终在45#钢表面获得8cm×8cm大小的沉积试样。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置，包括电火花沉积电源、沉积枪、三维运动平台和电极损耗自补偿系统，其特征在于：

所述的电极损耗自补偿系统由带有触发功能的示波器、Z₁轴和X₁轴两个运动轴、驱动器构成；示波器的电流和/或电压探头与电火花两极放电电流相连，实时监测电极和工件间电流和/或电压；根据预先设置的触发电平和探测到的放电信号，示波器向Z₁轴和X₁轴两个运动轴的驱动器同时发出驱动信号，驱动Z₁轴和X₁轴同时产生补偿位移；

所述的三维运动平台由X轴、Y轴和Z轴构成，在三维运动平台上设置有可夹持待沉积工件的沉积平台，沉积平台在平面中的运动由X轴和Y轴的运动驱动器予于控制；

所述的基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置中电极损耗自补偿系统的Z₁轴装配在三维运动平台的Z轴上。

2.如权利要求1所述基于放电信号反馈控制的电火花自动沉积装置，其特征在于：沉积枪与工件表面成40～80°的α倾角，Z₁轴和X₁轴两个运动轴运动补偿满足ΔZ₁＝ΔX₁×tanα。

3.一种采用权利要求1所述装置的电火花自动沉积方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

1)将电极损耗自补偿系统的Z₁轴装配在三维运动平台的Z轴上；

2)将装有电极的沉积枪装配在电极损耗自补偿系统的X₁轴上，将待沉积的工件装夹在沉积平台，调节沉积枪与待沉积的工件表面成40～80°的α倾角；

3)电火花沉积电源正极输出线与沉积枪相连，负极输出线与待沉积的工件相连；

4)将示波器的电流探头装夹在电火花沉积电源正极输出线上，电压探头正、负接口分别与沉积枪、工件通过导线连接，示波器信号输出口与控制Z₁轴、X₁轴运动的驱动器相连接；

5)打开电火花沉积电源，设置示波器触发电平、触发输出信号，调节Z₁轴和X₁轴两个运动轴的驱动器使两运动轴在输出信号驱动下运动补偿满足ΔZ₁＝ΔX₁×tanα；

6)设计沉积枪与沉积平台三维相对运动轨迹，设置三维运动平台运动程序；

7)在工件待沉积表面进行三维运动平台运动程序控制下的自动沉积。

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