CN117750606A - 具有补偿式电极的等离子体矩机构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有补偿式电极的等离子体矩机构，包括等离子体炬、电极单元，等离子体炬上设有安装孔，电极单元与安装孔配合且与等离子体炬固定，还包括第一绝缘部件、推进机构，电极单元与第一绝缘部件的一端连接，第一绝缘部件的另一端与推进机构连接。本发明可以满足电极以年为单位长时间消耗，避免频繁更换电极所带来的连续工业生产的中断。
Description
技术领域
本发明涉及等离子体矩技术领域，具体涉及一种具有补偿式电极的等离子体矩机构。
背景技术
等离子体作为不同于气体、液体、固体的物质第四态，其温度高，能提供高焓值的工作介质。等离子体技术能生产常规方法不能制造的材料，并且有气氛可控、设备相对简单、能显著缩短工艺流程等优点，在等离子体机械加工、等离子体化工、等离子体表面处理、气动热模拟、等离子体冶金等方面形成应用广泛的技术。等离子体炬作为发生等离子体的核心设备，电极寿命成为其走向工业应用的瓶颈。
当前中高功率等离子体炬由于结构限制，导致只有安装长度较短的电极，通常电极的有效烧蚀长度为2mm，这种长度的电极使用时间在200小时以内，电极消耗完即需要拆卸更换，更换电极需对等离子体炬进行拆卸，由于上述结构的限制造成了只能使用200小时以内的电极，因此，频繁地更换电极会频繁地中断连续工业生产。
发明内容
本发明提供一种具有补偿式电极的等离子体矩机构，本发明可以满足电极以年为单位长时间消耗，避免频繁更换电极所带来的连续工业生产的中断。
解决上述问题的技术方案如下：
具有补偿式电极的等离子体矩机构，包括等离子体炬、电极单元，等离子体炬上设有安装孔，电极单元与安装孔配合且与等离子体炬固定，还包括第一绝缘部件、推进机构，电极单元与第一绝缘部件的一端连接，第一绝缘部件的另一端与推进机构连接。
进一步，离子体炬包括等离子体炬本体、连接座，所述安装孔设置在等离子体炬本体上，安装孔为台阶孔，该台阶孔内至少具有第一台阶、第二台阶，所述电极单元穿过连接座后与第一台阶配合，所述连接座与第二台阶配合，连接座分别与等离子体炬本体和电极单元固定。
进一步，所述台阶孔内还具有第三台阶、第四台阶，电极单元分别与第三台阶、第四台阶配合。
进一步，电极单元包括：水冷外套，水冷外套上设有第一轴向通孔以及两个第一径向通孔，水冷外套的一端与安装孔配合，水冷外套的另一端暴露在安装孔的外部；
电极座，电极座的一端与安装孔配合，电极座的另一端与水冷外套的一端固定；
水冷内套，水冷内套的周面上设有第二径向通孔，水冷内套插入到第一轴向通孔中后，在水冷内套的一端与电极座之间形成导流通道，以及在水冷内套与水冷外套之间形成第一环形腔体；
进水管、出水管，所述进水管与其中一个第一径向通孔配合后与第一环形腔体连通，所述出水管与另一个第一径向通孔配合后与第二径向通孔连通；
电极，电极穿过水冷内套以及电极座后，在电极与水冷内套之间形成第二环形腔体，所述导流通道与第一环形腔体和第二环形腔体连通。
进一步，水冷外套包括第一外套、第二外套，第一外套的一端与第二外套固定，第一外套的外径大于第二外套的外径，所述电极座与第二外套固定。
进一步，所述电极座包括：第一支座，第一支座的轴向端面上设有环形槽，所述水冷内套的一端与环形槽间隙配合，第一支座的周面上设有径向凸起部；
定位套，定位套的一端设有径向定位部，定位套套在第一支座上后，径向定位部与径向凸起部配合，定位套与水冷外套连接。
进一步，水冷内套包括第一主体、第二主体，第一主体的外周面上设有第一凸起部第二凸起部，在第一主体与第一凸起部和第二凸起部之间形成第一凹槽，所述水冷内套插入到第一轴向通孔中后，第一凸起部和第二凸起部分别与水冷外套间隙配合，第二主体与水冷外套过盈配合。
进一步，第二主体上设有限位部，限位部与水冷外套的另一端抵顶。
进一步，所述电极表面设有导电润滑脂。
进一步，电极座一端的轴向端面上设有氧化铝或氮化硅陶瓷涂层。
进一步，在水冷外套与电极座之间设有第一密封部件。
进一步，在电极与水冷外套之间设有第二密封部件，在电极与电极座之间设有第三密封部件。
进一步，所述推进机构包括：直线驱动器，直线驱动器与第一绝缘部件连接；
支架，直线驱动器与支架固定，支架与电极单元连接。
进一步，所述推进机构还包括第二绝缘部件，第二绝缘部件位于支架与电极单元之间。
本发明具有如下优点：
1.由于电极通过第一绝缘部件与推进机构连接，电极的长度可以根据实际需要任意选择，因此，电极烧蚀长度根据工业应用寿命需求可调，为增量设计，与现有存量设计金属端面阴极相比，使用时间大大提高，可达到以年为单位(改进前的有效烧蚀长度为2mm，改进后的有效烧蚀长度可达54mm)，避免了频繁更换电极，且能适应不同寿命需求工业应用场景。
2.不同功率，不同结构的金属端面电极等离子体炬均可采用本发明，提高寿命。
3.电极表面设置导电润滑脂涂层后，与电极座精密配合，保证导电性的同时，具备可推进性。
4.电极座端面附有氧化铝或氮化硅陶瓷涂层，耐高温且绝缘，使电极座寿命大大提高。
5.冷却水从水冷套边缘进出，不从中心孔出水，水冷套内部冷却水道采取特殊分层结构，冷却效果好。
6.密封结构精密，可选性多样化，密封性好。
7.推进机构与电极单元组件之间通过绝缘件连接，保障用电安全。
8.电极的进给可以采用手动或自动化控制，使用方便。
附图说明
图1为本发明的具有补偿式电极的等离子体矩机构的立体图。
图2为本发明的具有补偿式电极的等离子体矩机构的剖面图。
图3等离子体炬的剖面图。
图4为电极单元的结构图。
图5为图4一部分的放大图。
图6为水冷内套的结构图。
附图中的标记：等离子体炬1，安装孔10，等离子体炬本体11，连接座12，第一台阶13，第二台阶14，第三台阶15，第四台阶16。
电极单元2，水冷外套20，第一轴向通孔20a，第一径向通孔20b，第一外套20c，第二外套20d，电极座21，第一支座21a，环形槽21b，径向凸起部21c，定位套21d，径向定位部21e，第一密封圈21f，水冷内套22，第二径向通孔22a，第一主体22b，第二主体22c，第一凸起部22d，第二凸起部22e，第一凹槽22f，限位部22g，进水管23，出水管24，电极25，导流通道26，第一环形腔体27，第二环形腔体28，第一密封部件29a，第二密封部件29b，第三密封部件29c。
第一绝缘部件3。
推进机构4，直线驱动器40，支架41，第二绝缘部件42。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1至图6所示，本发明的具有补偿式电极的等离子体矩机构，包括等离子体炬1、电极单元2，等离子体炬1上设有安装孔10，电极单元2与安装孔10配合且与等离子体炬1固定，还包括第一绝缘部件3、推进机构4，电极单元2与第一绝缘部件3的一端连接，第一绝缘部件3的另一端与推进机构4连接。
离子体炬1包括等离子体炬本体11、连接座12，所述安装孔10设置在等离子体炬本体11上，安装孔10为台阶孔，该台阶孔内至少具有第一台阶13、第二台阶14，所述电极单元2穿过连接座12后与第一台阶13配合，所述连接座12与第二台阶14配合，连接座12分别与等离子体炬本体11和电极单元2固定。
所述台阶孔12内还具有第三台阶15、第四台阶16，电极单元2分别与第三台阶15、第四台阶16配合。
电极单元2包括水冷外套20、电极座21、水冷内套22、进水管23、出水管24、电极25，本实施例中的电极25作为阴极使用，下面分别对电极单元2中的部部分及其之间的关系进行详细说明：
水冷外套20上设有第一轴向通孔20a以及两个第一径向通孔20b，水冷外套20的一端与安装孔10配合，水冷外套20的另一端暴露在安装孔10的外部。
水冷外套20包括第一外套20c、第二外套20d，第一外套20c的一端与第二外套20d固定，第一外套20c的外径大于第二外套20d的外径，在第一外套20c与第二外套20d之间形成肩部，所述电极座21与第二外套20d固定。
电极座21的一端与安装孔10配合，电极座21的另一端与水冷外套20的一端固定，所述电极座21包括第一支座21a、定位套21d、第一密封圈21f。
第一支座21a的轴向端面上设有环形槽21b，环形槽21b位于第一支座21a的一端，第一支座21a的另一端与第一台阶13抵顶，从而第一支座21a被轴向限位，所述水冷内套22的一端与环形槽21b间隙配合，该间隙配合的作用是可以使冷却水进入到环形槽21b内，并从两者之间的间隙中流出，第一支座21a的周面上设有径向凸起部21c。
定位套21d的一端设有径向定位部21e，定位套21d的一端以及径向定位部21e与第三台阶15抵顶，定位套21d套在第一支座21a上后，径向定位部21e与径向凸起部21c配合；从而定位套21d被定位在径向凸起部21c与第三台阶15之间。定位套21d与水冷外套20连接，定位套21d与水冷外套20优先采用螺纹方式连接。
定位套21d与水冷外套20也可以采用另外的方式，例如，将第一密封圈21f夹在水冷外套20的外周面与定位套21d的内周面之间，第一密封圈21f可以采用橡胶套，第一密封圈21f可以采用过盈配合的方式分别与水冷外套20与定位套21d配合，因此，第一密封圈21f在对水冷外套20与定位套21d进行密封的同时，对定位套21d形成胀紧作用。
水冷内套22的周面上设有第二径向通孔22a，水冷内套22插入到第一轴向通孔20a中后，在水冷内套22的一端与电极座21之间形成导流通道26，以及在水冷内套22与水冷外套20之间形成第一环形腔体27。优选的方式是，水冷内套22的一端插入到环形槽21b内，这样，水冷内套22的一端与环形槽21b间隙配合后，在水冷内套22的一端与电极座21之间形成所述的导流通道26。
水冷内套22包括第一主体22b、第二主体22c，第一主体22b的外周面上设有第一凸起部22d、第二凸起部22e，在第一主体22b与第一凸起部22d和第二凸起部22e之间形成第一凹槽22f，所述水冷内套22插入到第一轴向通孔20a中后，第一凸起部22d和第二凸起部22e分别与水冷外套20间隙配合，第二主体22c与水冷外套20过盈配合。第二主体22c上设有限位部22g，限位部22g与水冷外套20的另一端抵顶，通过限位部22g可以限制水冷内套22的插入深度，避免水冷内套22的一端与环形槽21b的槽底形成抵顶，由此可以杜绝导流通道26被阻断。
本实施例中，水冷外套20的内孔为圆孔，第一凸起部22d和第二凸起部22e外径相等，但第一凸起部22d和第二凸起部22e的外径小于第二主体22c的外径，因此，当水冷内套22插入到第一轴向通孔20a中后，第一凸起部22d和第二凸起部22e分别与水冷外套20间隙配合，第二主体22c与水冷外套20过盈配合，这种结构的目的在于，通过第二主体22c与水冷外套20过盈配合在第二主体22c与水冷外套20之间形成密封作用，通过第一凸起部22d和第二凸起部22e分别与水冷外套20间隙配合，当有冷却水输入时，可以通过间隙流入到导流通道26内。
所述进水管23与其中一个第一径向通孔20b配合后与第一环形腔体27连通，所述出水管24与另一个第一径向通孔20b配合后与第二径向通孔22a连通。电极25穿过水冷内套22以及电极座21后，在电极25与水冷内套22之间形成第二环形腔体28，所述导流通道26与第一环形腔体27和第二环形腔体28连通。
当冷却水从进水管23输入到第一环形腔体27中后，冷却水从第一环形腔体27流向第二凸起部22e与水冷外套20之间的间隙后，冷却水进入到导流通道26中，对电极座21进行冷却，随后从导流通道26流出到第二环形腔体28，在第二环形腔体28中的冷却水对电极25形成冷却。
本实施例中，由于电极25在推进机构4的推动下形成直线运动，而电极25与电极座21以及水冷内套22为滑动配合，为了使电极25能够顺利地进行直线运动，在电极25表面设有导电润滑脂，通过导电润滑脂与电极座21精密配合，保证导电性的同时，确保推进机构4可将电极25持续推进。
优选的方式是，在电极座21一端的轴向端面上设有氧化铝或氮化硅陶瓷涂层，即氧化铝或氮化硅陶瓷涂层设置在第一支座21a的轴向端面上。氧化铝或氮化硅陶瓷涂层具有耐高温且绝缘的特性，可有效防止电极25工作时形成电弧的弧根击打电极座21端面，使弧根维持电极25端部，防止电极座21损坏。
在水冷外套20与电极座21之间设有第一密封部件29a。在电极25与水冷外套20之间设有第二密封部件29b，在电极25与电极座21之间设有第三密封部件29c。第一密封部件29a、第二密封部件29b、第三密封部件29c可采用机械密封、威尔逊密封等多种密封形式，确保冷却水密封性能。
所述推进机构4包括直线驱动器40、支架41，直线驱动器40与第一绝缘部件3连接。直线驱动器40与支架41固定，支架41与电极单元2连接，支架41与电极单元2中的水冷内套22的端部固定。直线驱动器40可以采用气动、液压或电动等各种形式的推进装置，例如气缸、液压缸或电动丝杆等，这些直线驱动器具备自动化控制。
所述推进机构4还包括第二绝缘部件42，第二绝缘部件42位于支架41与电极单元2之间。第二绝缘部件42安装在水冷内套22的端部。
等离子体炬1运行时，推进机构4配合电极25的烧蚀速率，持续推进电极25，使电极25端部伸出到电极座21的部分始终维持一定长度，待电极5可推进长度完全烧蚀后，才达到寿命，根据不同工业应用场景持续生产寿命需求，可调整电极5长度，推进机构4的行程，满足等离子体炬1在不同寿命需求下的应用。
在工作过程中，需要将冷却水通入到电极单元2中对电极座21以及电极25进行冷却，当冷却水从进水管23输入到第一环形腔体27中后，冷却水从第一环形腔体27流向第二凸起部22e与水冷外套20之间的间隙后，冷却水进入到导流通道26中，对电极座21进行冷却，随后从导流通道26流出到第二环形腔体28，在第二环形腔体28中的冷却水对电极25形成冷却，位于第二环形腔体28内的冷却水通过第二径向通孔22a以及出水管24输出。
以上所述仅为说明本发明，并非用于限定本发明的保护范围，任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下做出的等同变化与修改，均应属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.具有补偿式电极的等离子体矩机构，包括等离子体炬(1)、电极单元(2)，等离子体炬(1)上设有安装孔(10)，电极单元(2)与安装孔(10)配合且与等离子体炬(1)固定，其特征在于，还包括第一绝缘部件(3)、推进机构(4)，电极单元(2)与第一绝缘部件(3)的一端连接，第一绝缘部件(3)的另一端与推进机构(4)连接。
2.根据权利要求1所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，离子体炬(1)包括等离子体炬本体(11)、连接座(12)，所述安装孔(10)设置在等离子体炬本体(11)上，安装孔(10)为台阶孔，该台阶孔内至少具有第一台阶(13)、第二台阶(14)，所述电极单元(2)穿过连接座(12)后与第一台阶(13)配合，所述连接座(12)与第二台阶(14)配合，连接座(12)分别与等离子体炬本体(11)和电极单元(2)固定。
3.根据权利要求1所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，电极单元(2)包括：水冷外套(20)，水冷外套(20)上设有第一轴向通孔(20a)以及两个第一径向通孔(20b)，水冷外套(20)的一端与安装孔(10)配合，水冷外套(20)的另一端暴露在安装孔(10)的外部；
电极座(21)，电极座(21)的一端与安装孔(10)配合，电极座(21)的另一端与水冷外套(20)的一端固定；
水冷内套(22)，水冷内套(22)的周面上设有第二径向通孔(22a)，水冷内套(22)插入到第一轴向通孔(20a)中后，在水冷内套(22)的一端与电极座(21)之间形成导流通道(26)，以及在水冷内套(22)与水冷外套(20)之间形成第一环形腔体(27)；
进水管(23)、出水管(24)，所述进水管(23)与其中一个第一径向通孔(20b)配合后与第一环形腔体(27)连通，所述出水管(24)与另一个第一径向通孔(20b)配合后与第二径向通孔(22a)连通；
电极(25)，电极(25)穿过水冷内套(22)以及电极座(21)后，在电极(25)与水冷内套(22)之间形成第二环形腔体(28)，所述导流通道(26)与第一环形腔体(27)和第二环形腔体(28)连通。
4.根据权利要求3所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，水冷外套(20)包括第一外套(20c)、第二外套(20d)，第一外套(20c)的一端与第二外套(20d)固定，第一外套(20c)的外径大于第二外套(20d)的外径，所述电极座(21)与第二外套(20d)固定。
5.根据权利要求3所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，所述电极座(21)包括：第一支座(21a)，第一支座(21a)的轴向端面上设有环形槽(21b)，所述水冷内套(22)的一端与环形槽(21b)间隙配合，第一支座(21a)的周面上设有径向凸起部(21c)；
定位套(21d)，定位套(21d)的一端设有径向定位部(21e)，定位套(21d)套在第一支座(21a)上后，径向定位部(21e)与径向凸起部(21c)配合，定位套(21d)与水冷外套(20)连接。
6.根据权利要求3所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，水冷内套(22)包括第一主体(22b)、第二主体(22c)，第一主体(22b)的外周面上设有第一凸起部(22d)、第二凸起部(22e)，在第一主体(22b)与第一凸起部(22d)和第二凸起部(22e)之间形成第一凹槽(22f)，所述水冷内套(22)插入到第一轴向通孔(20a)中后，第一凸起部(22d)和第二凸起部(22e)分别与水冷外套(20)间隙配合，第二主体(22c)与水冷外套(20)过盈配合。
7.根据权利要求3所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，所述电极(25)表面设有导电润滑脂。
8.根据权利要求3所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，电极座(21)一端的轴向端面上设有氧化铝或氮化硅陶瓷涂层。
9.根据权利要求3所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，在水冷外套(20)与电极座(21)之间设有第一密封部件(29a)；
在电极(25)与水冷外套(20)之间设有第二密封部件(29b)，在电极(25)与电极座(21)之间设有第三密封部件(29c)。
10.根据权利要求1所述的具有补偿式电极的等离子体矩机构，其特征在于，所述推进机构(4)包括：直线驱动器(40)，直线驱动器(40)与第一绝缘部件(3)连接；
支架(41)，直线驱动器(40)与支架(41)固定，支架(41)与电极单元(2)连接。
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| CN202410097644.0A CN117750606A (zh) | 2024-01-24 | 2024-01-24 | 具有补偿式电极的等离子体矩机构 |
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