CN111168268A - 一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，该装置主要由气缸、滑台、底座、砝码、夹持机构、角度调节装置、节流阀、压力表和气门嘴等组成，气缸活塞的移动方向与滑台移动方向一致，活塞移动时带动滑台移动，从而带动电极上下移动，向下移动时使电极与工件接触，利用密闭气动系统中气缸产生的推力抵消了滑动部件的重力，以砝码的重力推动滑动部件向下运动形成电极与工件的接触力，密闭气动系统中的节流阀对活塞的移动产生阻尼，抑制电极与工件运动过程中产生反冲力而引起的电极振动；在电火花沉积堆焊过程中，随着电极损耗和滑台的移动，可确保电极与工件稳定接触和接触力的恒定，工作可靠，调节方便。

Description

一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置

技术领域

本发明涉及电火花沉积技术领域，具体涉及一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置。

背景技术

电火花沉积堆焊技术是利用电火花加工过程中工具电极材料迁移到工件表面发生合金化反应形成致密的强化层，从而提高工件表面性能的一种表面处理技术。

电火花沉积堆焊过程中需要电极与工件不断接触产生电火花进行沉积和堆焊，电极与工件之间的接触力是控制沉积堆焊的效率和沉积层质量的关键因素。然而现在，电火花沉积堆焊大多是由人工操作完成，工作人员通常是凭借经验，大概保持一定的接触力进行堆焊，存在较大的随意性，不能保证电极与工件的接触力大小及沉积时的相对位置，导致堆焊的表面层质量存在不均匀、不致密等问题，影响沉积质量和生产效率。

无论是旋转电极还是超声振动电极，操作时电极与工件之间接触力都要求不大(大约0.5N-5N左右)，但是电极与工件的相对运动会产生较大的振动，其冲击力有时远大于其接触力，常常会导致接触力传感器过载而失效。

实现电火花沉积堆焊的自动化，有利于确保沉积质量，提高沉积效率，有利于电火花沉积堆焊技术的推广应用，电极与工件之间接触力的自动控制是实现电火花沉积堆焊自动化的关键。

目前一些电火花沉积堆焊的接触力自动控制装置已经设计出来，但大都比较复杂，且在较小接触力的情况下缺少阻尼功能，导致振动比较严重，影响操作的稳定性和质量。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，在电火花沉积堆焊过程中，可确保电极与工件接触力的恒定，并能够利用节流阀对活塞的移动产生阻尼，确保电火花沉积堆焊过程中电极与工件的稳定接触，工作可靠，调节方便。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，主要包括底座、滑台、砝码、夹持机构、角度调节装置以及与滑台连接的气动系统，所述滑台滑动设置在底座上，底座安装在角度调节装置上，砝码设置在滑台顶部，所述夹持机构安装在滑台上，电极安装在夹持机构末端，电极的轴线方向与滑台的移动方向水平；所述气动系统主要由气缸、节流阀、压力表和气门嘴组成，气缸的进气口和出气口通过两个方向相反的单向节流阀并联后连通，活塞两侧气缸内的气体压力相同，压力表用于实时监测气缸内的压强大小，气缸内的压强大小可通过向气门嘴充气来调整；通过调节节流阀的开度可调节气缸的阻尼作用，所述气缸的外壳安装在底座上，气缸的活塞杆与滑台相连，气缸活塞移动方向与滑台移动方向一致，活塞移动时带动滑台移动，从而带动电极上下移动；

在电火花沉积实验前，滑台上不施加砝码，电极与工件未接触，通过气门嘴向气缸内充气，调整气缸两侧的气体压强，使滑台的受力达到平衡；在电火花沉积实验时，在滑台上施加砝码，使滑台的受力平衡被打破，滑台向下移动，带动电极向下移动与工件接触形成接触力，电极与工件的接触力使滑台受力重新达到平衡，通过调整砝码重力即可调整电极与工件的接触力大小；在电火花沉积堆焊过程中，随着电极损耗，滑台向下移动受力重新达到平衡，可确保电极与工件的接触位置保持不变以及接触力的恒定；节流阀限制气体的流速，产生额外的阻力，能够对活塞的移动产生阻尼，抑制电极与工件运动过程中产生反冲力而引起的电极振动。

进一步地，所述夹持机构为焊枪，所述滑台上还设有安装板、固定板、配重板和夹紧卡环，所述固定板通过螺钉固定在滑台上，配重板装配在固定板上方，安装板固定在固定板上，夹紧卡环安装在安装板上，焊枪被固定于夹紧卡环上，电极安装在焊枪上，电极与工件保持接触，它们之间的接触力通过在配重板上施加砝码的重力来确定。

进一步地，所述滑台和底座之间通过直线导轨配合连接，所述滑台上还设有前端限位器和后端限位器，所述前端限位器安装在滑台顶部，后端限位器固定在滑台底部，防止滑台滑动时脱离直线导轨，前端限位器与后端限位器之间的距离即是滑台滑动时的最大移动量程。

进一步地，角度调节装置能够调整电极与工件之间的夹角θ，调整范围为45°～90°。

进一步地，所述气动系统的各部件之间通过三通气管接头及PU管连接。

进一步地，定义沿活塞轴线和滑台运动方向为A向，垂直于活塞轴线和滑台运动方向为B向，气缸活塞两侧充满相同压强P的空气，由于活塞两侧面积的不同，气缸活塞会产生一个沿A向的力F₁；

气缸活塞两侧的气体压强相同，则活塞在A向产生的推力为：

F₁＝P(D₁-D₂)＝PD₃ (1)

式(1)中D₁是气缸活塞下表面的面积；D₂是气缸活塞上表面的面积；D₃是气缸活塞杆截面的面积；P是气缸内气体的压强；

在电火花沉积实验前，先不施加砝码，电极与工件未接触，通过气门嘴向气缸内充气，调整气缸的压强P，使滑动部分的受力达到平衡，满足公式(2)：

F₁+f₁+f₂＝ G₁sinθ (2)

式(2)中：f₁是活塞与气缸壁之间的摩擦力；f₂是滑台与底座导轨之间的摩擦力；G₁是包括夹持机构、滑台、电极的滑动部分的重力之和；θ是滑台运动方向与水平面的倾角；

在电火花沉积实验时，在滑台上施加砝码，受力平衡被打破，滑台向下移动，使电极与工件接触，电极与工件的接触力使受力重新达到平衡，受力如公式(3)所示：

F₁+f₁+f₂+ F₂sinθ＝ G₁sinθ+ G₂sinθ (3)

式(3)中：F₂是工件对电极的支反力，即电极与工件之间的接触力；G₂是砝码的重力；

结合公式(2)和(3)可推出：

F₂ ＝ G₂ (4)

即此时电极与工件的接触力大小刚好等于施加砝码的重力，调整砝码的重力即可调整电极与工件的接触力，受力达到平衡后，滑台停止运动；

在电火花沉积堆焊过程中，如果其它各外力大小不变，电极与工件的接触力F₂的大小也不会改变，当电极消耗变短时，各外力继续促使滑台向下移动，仍然使电极与工件的接触力F₂保持不变。

有益效果：1.本发明装置利用密闭气动系统中气缸产生的推力抵消了滑动部分的重力，以砝码的重力推动滑动部分向下运动形成电极与工件的接触力，在电火花沉积堆焊过程中，随着电极损耗和滑台的移动，仍可确保电极与工件接触力的恒定，工作可靠，调节方便。

2.本发明装置利用密闭气动系统中的节流阀对活塞的移动产生阻尼，抑制电极与工件运动过程中产生反冲力而引起的电极振动，从而确保电火花沉积堆焊过程中电极与工件的稳定接触。

3.本发明装置使电极的轴线方向与滑台的运动方向保持水平，当电极损耗时，电极与工件的接触位置仍可保持不变，确保了自动沉积和堆焊过程中电极运动位置的控制精度。

附图说明

图1是本发明的结构原理图；

图2是本发明的受力分析图；

图3是本发明具体实施例机械部分的主视图；

图4是本发明具体实施例机械部分的左视图；

图5是本发明具体实施例气动部分的连接图。

附图标记：1底座，2滑台，3砝码、4夹持机构、5电极，6工件，7角度调节装置，8气缸、9活塞，10节流阀、11压力表，12气门嘴，13焊枪、14夹紧卡环、15安装板、16固定板、17配重板、18气动滑台、19前端限位器、20后端限位器、21排气孔、22进气孔、23磁性开关。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细的说明。

一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，主要包括机械部分与气动部分，其中机械部分主要由滑台2、底座1、砝码3、夹持机构4、角度调节装置7等组成，气动部分主要由气缸8、节流阀10、压力表11和气门嘴12等组成，其结构原理图如图1所示，滑台2滑动设置在底座1上，所述气缸8外壳安装在底座1上，气缸8的活塞杆与底座1上的滑台2相连，夹持机构4和砝码3安装在滑台2上，电极5安装在夹持机构4上，底座1安装在角度调节装置7上，通过角度调节装置7可调整电极5与工件6之间的夹角θ，调节范围是45°～90°，气缸活塞9的移动方向与滑台2移动方向一致，活塞9移动时带动滑台2移动，从而带动电极5上下移动，向下移动时使电极5与工件6接触。

其中，气缸8的进气口和出气口通过两个方向相反的单向节流阀10并联后连通，所以活塞9两侧气缸8内的气体压力相同，其压强大小可由压力表11显示，其压强大小可由气门嘴12充气进行调整；两个节流阀10的开度都调到很小，可以保证气缸活塞9在慢速下顺利移动，当活塞9要快速移动时，气体需要较快速流动，节流阀10就起到了阻碍作用，产生与运动方向相反的阻力，对活塞9的运动产生阻尼作用。

本发明控制装置的滑动部分的受力图如图2所示，定义沿活塞9轴线和滑台2运动方向为A向，垂直于活塞9轴线和滑台2运动方向为B向，气缸活塞9两侧充满相同压强P的空气，由于活塞9两侧面积的不同，气缸活塞9会产生一个沿A向的力F₁；N₁是B向上气缸8缸体对活塞9的支反力；f₁是活塞9与气缸壁之间的摩擦力；N₂是底座1对滑台2的支反力；f₂是滑台2与底座1之间的摩擦力；滑台2、夹持机构4和电极5的总重力为G₁，加载砝码3的重力为G₂，当G₁和G₂在A向上的分力之和G₁sinθ+G₂sinθ大于F₁+f₁+f₂时，滑台2就向下运动，使电极5与工件6接触，电极5与工件6的接触力为F₂，受力达到平衡后，滑台2停止运动；在电火花沉积堆焊过程中，如果其它各外力大小不变，电极5与工件6的接触力F₂的大小也不会改变；当电极5消耗变短时，各外力继续促使滑台2向下移动，仍然使电极5与工件6的接触力F₂保持不变；具体分析如下：

气缸活塞9两侧的气体压强相同，则活塞9在A向产生的推力为：

F₁＝P(D₁-D₂)＝PD₃ (1)

式(1)中D₁是气缸活塞下表面的面积(m²)；D₂是气缸活塞上表面的面积(m²)；D₃是气缸活塞杆截面的面积(m²)；P是气缸内气体的压强(Pa)。

在电火花沉积实验前，先不施加砝码3，电极5与工件6未接触，通过气门嘴12向气缸8内充气，调整气缸8的压强P，使滑动部分的受力达到平衡，满足公式(2)：

F₁+f₁+f₂＝ G₁sinθ (2)

式(2)中：f₁是活塞与缸体的摩擦力(N)；f₂是滑台与导轨的摩擦力(N)；G₁是包括夹持机构、滑台、电极等滑动部分的重力之和(N)；θ是滑台运动方向与水平面的倾角(°)。

在电火花沉积实验时，在滑台2上施加砝码3，受力平衡被打破，滑台2向下移动，使电极5与工件6接触，电极5与工件6的接触力使受力重新达到平衡，受力如公式(3)所示：

F₁+f₁+f₂+ F₂sinθ＝ G₁sinθ+ G₂sinθ (3)

式(3)中：F₂是工件对电极的支反力，即电极与工件之间的接触力(N)；G₂是砝码的重力(N)。

由公式(2)和(3)可推出：

F₂ ＝ G₂ (4)

即此时电极5与工件6的接触力大小刚好等于施加砝码3的重力，调整砝码3的重力即可调整电极5与工件6的接触力。

电极5与工件6相对运动时，电极5与工件6的接触表面很不光滑，接触力F₂会产生突变，推动滑动部分向后跳动。此时，摩擦力f₁和f₂会改变方向，起到一定的阻尼作用。同时，气缸活塞9向上运动时，活塞9上部的气体要通过节流阀10到达活塞9的下部，节流阀10限制气体的流速，产生额外的阻力，对活塞9的移动也产生阻尼作用，减小电极5和滑动部分的振动。

电极5的轴线方向与滑台2的运动方向水平，否则当电极5损耗而缩短使滑台2继续向下确保电极5与工件6的接触力保持不变时，会导致电极5与工件6的接触位置发生变化，影响自动沉积和堆焊过程中电极5运动位置的控制精度。

实施例

以下结合具体的实施例进一步说明本发明的技术方案，本实施例选用SMC型MXS25*100气动滑台，该气动滑台18采用双活塞双缸，并将气缸8和直线导轨滑台2设计为一体，具有结构紧凑、导向精度高、传动平稳等优点；该气动滑台2每个气缸8的缸径为25mm，行程为100mm，活塞杆的直径为12mm，使用压力范围0.15-0.7MPa。

如图3-4所示，本实施例的控制装置包括工件6、电极5、焊枪13、夹紧卡环14、安装板15、固定板16、配重板17、砝码3、气动滑台18、前端限位器19、排气孔21、进气孔22、后端限位器20、角度调节装置7、磁性开关23等部件。

本实施例中的焊枪13对应夹持机构4，固定板16通过螺钉连接固定在气动滑台18的滑台2上，配重板17装配在固定板16上方，安装板15通过螺钉固定在固定板16上，夹紧卡环14安装在安装板15上，焊枪13被固定于夹紧卡环14上，电极5安装在焊枪13上，电极5与工件6保持接触，它们之间的接触力通过在配重板17上施加砝码3的重力来确定；前端限位器19通过螺钉安装在气动滑台18顶部，后端限位器20通过螺钉固定在气动滑台18底部，防止滑台滑动时脱离直线导轨，前端限位器19与后端限位器20之间的距离即是滑台滑动时的最大移动量程；角度调节装置7通过连接板与气动滑台18用螺栓固定；通过调节角度调节装置7能够改变电极5与工件6之间的倾角，进而可以进行不同角度(角度范围45°～90°)的沉积实验，磁性开关23安装在气动滑台18上，可检测气缸活塞9移动的极限位置。

图5是本实施例气动部分的连接图，气动部分主要由气动滑台18、压力表11、气门嘴12、两个单向节流阀10、三通气管接头及PU管等气压元件组成，排气孔21与进气孔22为气缸8的进气口和排气口，气动滑台18的气缸8的进气孔22通过方向相反的两个单向节流阀10并联后连接到气缸8的出气孔，压力表11用于实时监测气缸8内的压强大小；通过向气门嘴12充气来调整气缸8内的压强大小；通过调节节流阀10的开度可调节气缸8的阻尼作用。

本实施例滑动部分的机械部件包括电极5、焊枪13、夹紧卡环14、安装板15、固定板16、配重板17、气动滑台18中的滑台2和活塞9，通过称重和计算的方式得出其总重量约为12kg，即为117.6N；在电火花沉积实验前，先不施加砝码3，电极5与工件6未接触，通过气门嘴12向气缸8内充气，调整气缸8的压强P，使滑动部分的受力达到平衡，满足公式(2)；通过公式(1)可求得压强P约为0.52MPa，满足气动滑台18的使用要求。

在电火花沉积实验时，在滑台2上施加砝码3，受力平衡被打破，滑台2向下移动，使电极5与工件6接触，电极5与工件6的接触力使受力重新达到平衡，受力满足公式(3)，结合公式(2)可知此时电极5与工件6的接触力大小刚好等于施加砝码3的重力，调整砝码3的重力即可调整电极5与工件6的接触力。

在电火花沉积堆焊过程中，砝码3的重力保持不变，电极5与工件6的接触力F₂的大小也保持恒定；当电极5消耗变短时，砝码3的重力继续促使滑台2向下移动，仍然使电极5与工件6的接触力F₂保持不变。

当接触力突变使电极5向后快速移动时，带阻尼功能的气路系统就会产生反作用力，抑制电极5的振动。

电极5的轴线方向与气动滑台2的运动方向保持水平，避免因电极5消耗而出现电极5相对工件6接触位置的横向偏差。

本发明利用密闭气动系统中气缸产生的推力抵消了滑动部件的重力，以砝码的重力推动滑动部件向下运动形成电极与工件的接触力；密闭气动系统中的节流阀对活塞的移动产生阻尼，抑制电极与工件运动过程中产生反冲力而引起的电极振动；在电火花沉积堆焊过程中，随着电极损耗和滑台的移动，可确保电极与工件稳定接触和接触力的恒定，工作可靠，调节方便；电极的轴线方向与滑台的运动方向保持水平，当电极损耗时，电极与工件的接触位置仍可保持不变，确保了自动沉积和堆焊过程中电极运动位置的控制精度。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，主要包括底座、滑台、砝码、夹持机构、角度调节装置以及与滑台连接的气动系统，所述滑台滑动设置在底座上，底座安装在角度调节装置上，砝码设置在滑台顶部，其特征在于：

所述夹持机构安装在滑台上，电极安装在夹持机构末端，电极的轴线方向与滑台的移动方向水平；

所述气动系统主要由气缸、节流阀、压力表和气门嘴组成，气缸的进气口和出气口通过两个方向相反的单向节流阀并联后连通，活塞两侧气缸内的气体压力相同，压力表用于实时监测气缸内的压强大小，气缸内的压强大小可通过向气门嘴充气来调整；通过调节节流阀的开度可调节气缸的阻尼作用，所述气缸的外壳安装在底座上，气缸的活塞杆与滑台相连，气缸活塞移动方向与滑台移动方向一致，活塞移动时带动滑台移动，从而带动电极上下移动；

在电火花沉积实验前，滑台上不施加砝码，电极与工件未接触，通过气门嘴向气缸内充气，调整气缸两侧的气体压强，使滑台的受力达到平衡；在电火花沉积实验时，在滑台上施加砝码，使滑台的受力平衡被打破，滑台向下移动，带动电极向下移动与工件接触形成接触力，电极与工件的接触力使滑台受力重新达到平衡，通过调整砝码重力即可调整电极与工件的接触力大小；在电火花沉积堆焊过程中，随着电极损耗，滑台向下移动受力重新达到平衡，可确保电极与工件的接触位置保持不变以及接触力的恒定；节流阀限制气体的流速，产生额外的阻力，能够对活塞的移动产生阻尼，抑制电极与工件运动过程中产生反冲力而引起的电极振动。

2.如权利要求1所述的一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，其特征在于，所述夹持机构为焊枪，所述滑台上还设有安装板、固定板、配重板和夹紧卡环，所述固定板通过螺钉固定在滑台上，配重板装配在固定板上方，安装板固定在固定板上，夹紧卡环安装在安装板上，焊枪被固定于夹紧卡环上，电极安装在焊枪上，电极与工件保持接触，它们之间的接触力通过在配重板上施加砝码的重力来确定。

3.如权利要求1所述的一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，其特征在于，所述滑台和底座之间通过直线导轨配合连接，所述滑台上还设有前端限位器和后端限位器，所述前端限位器安装在滑台顶部，后端限位器固定在滑台底部，防止滑台滑动时脱离直线导轨，前端限位器与后端限位器之间的距离即是滑台滑动时的最大移动量程。

4.如权利要求1所述的一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，其特征在于，角度调节装置能够调整电极与工件之间的夹角θ，调整范围为45°～90°。

5.如权利要求1所述的一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，其特征在于，所述气动系统的各部件之间通过三通气管接头及PU管连接。

6.如权利要求1所述的一种带阻尼功能的电火花沉积接触力控制装置，其特征在于，定义沿活塞轴线和滑台运动方向为A向，垂直于活塞轴线和滑台运动方向为B向，气缸活塞两侧充满相同压强P的空气，由于活塞两侧面积的不同，气缸活塞会产生一个沿A向的力F₁；

气缸活塞两侧的气体压强相同，则活塞在A向产生的推力为：

F₁＝P(D₁-D₂)＝PD₃ (1)

式(1)中D₁是气缸活塞下表面的面积；D₂是气缸活塞上表面的面积；D₃是气缸活塞杆截面的面积；P是气缸内气体的压强；

在电火花沉积实验前，先不施加砝码，电极与工件未接触，通过气门嘴向气缸内充气，调整气缸的压强P，使滑动部分的受力达到平衡，满足公式(2)：

F₁+f₁+f₂＝G₁sinθ (2)

式(2)中：f₁是活塞与气缸壁之间的摩擦力；f₂是滑台与底座导轨之间的摩擦力；G₁是包括夹持机构、滑台、电极的滑动部分的重力之和；θ是滑台运动方向与水平面的倾角；

在电火花沉积实验时，在滑台上施加砝码，受力平衡被打破，滑台向下移动，使电极与工件接触，电极与工件的接触力使受力重新达到平衡，受力如公式(3)所示：

F₁+f₁+f₂+F₂sinθ＝G₁sinθ+G₂sinθ (3)

式(3)中：F₂是工件对电极的支反力，即电极与工件之间的接触力；G₂是砝码的重力；

结合公式(2)和(3)可推出：

F₂＝G₂ (4)

即此时电极与工件的接触力大小刚好等于施加砝码的重力，调整砝码的重力即可调整电极与工件的接触力，受力达到平衡后，滑台停止运动；

在电火花沉积堆焊过程中，如果其它各外力大小不变，电极与工件的接触力F₂的大小也不会改变，当电极消耗变短时，各外力继续促使滑台向下移动，仍然使电极与工件的接触力F₂保持不变。

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