CN211142198U

CN211142198U - 一种液中放电沉积系统

Info

Publication number: CN211142198U
Application number: CN201922024954.7U
Authority: CN
Inventors: 顾晓辉; 何星
Original assignee: Shanghai Jiangnan Roller Co ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: Shanghai Jiangnan Roller Co ltd; University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2019-11-21
Filing date: 2019-11-21
Publication date: 2020-07-31
Anticipated expiration: 2029-11-21

Abstract

本实用新型公开了一种液中放电沉积系统，与现有技术不同之处在于，可根据不同类型的工具电极来调整所述可控电源输出的所述脉冲电流的峰值大小。这样可以保证所述可控电源输出的脉冲电流与工作的工具电极相匹配，可以保证改性层的性能最佳。并且，只需一个可控电源就可满足各种不同类型的工具电极的需求，降低了成本。另外，还进一步给出了与碳化钨电极匹配的最佳峰值电流大小。

Description

一种液中放电沉积系统

技术领域

本实用新型属于电火花加工技术领域，尤其是涉及一种液中放电沉积系统。

背景技术

电火花加工(Electrical Discharge Machining，EDM)是通过工具电极和工件间的火花放电产生局部高温、高压来蚀除工件材料的，具有加工不受材料强度、硬度限制，加工时工件和工具电极无宏观作用力等优点。因此，现如今电火花加工技术已经是机械制造技术中的一个重要部分。电火花加工技术在模具制造业、航空航天、仪器仪表等等诸如此类的行业中的地位愈发重要，已经成为现代工业生产中必不可少的关键技术。目前电火花加工机床已经在大小工厂车间中相当的普及，因此只要能够合理的利用普通电火花机床，以合适的导电材料作为工具电极利用液中放电沉积的方式对工件进行表面处理，直接形成具备凹凸形貌且性能优异的改性层，简化了传统技术中先毛化再镀铬的工艺，这必将会成为一种极具应用前景和经济价值的工艺方法。液中放电沉积方法与传统的电火花加工技术、气/液相沉积法等技术相比具有如下优点：工件在常温下进行处理，不会产生热变形的问题，还易于实现工件局部的表面处理，和传统的表面改性技术相比，液中放电沉积技术的处理速度快。而在液中放电沉积技术中，工具电极是极其重要的关键技术，目前工具电极大致可分为三类：金属粉末压结体工具电极、金属碳化物粉末压结体工具电极以及金属碳化物粉末烧结体工具电极几种形式。这三种形式的工具电极根据其具体材料构成还可进一步细分出很多种类型，不同类型的工具电极在相同的脉冲电流下在工件表面产生的改性层的性能各不相同。

现有技术中，一般在选用各个工具电极时，会选择其对应的专用电源，或者不同的工具电极共用同一个电源。由于工具电极材料的脱落及熔融均是在脉宽阶段完成的，如果脉冲电源的脉冲放电能量达不到对应工具电极的要求，那么在一次脉冲放电过程中脱落的工具电极材料可能会来不及充分熔融下次脉冲放电就又开始，周而复始就会在工件表面堆积大量来不及熔融的工具电极材料，造成放电加工不稳定，会出现短路、拉弧的现象，影响了沉积效果。目前对于各种不同类型的工具电极的工作电源研究很少，仅有的一些研究还是限于一些特定结构工具电极的工作电源的研究，例如像对碳化钛粉末烧结体工具电极的专用电源，这种电源换到其它类型的工具电极上不一定适用。

因此，需要提出一种可以适用不同类型的工具电极的液中放电沉积系统。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种液中放电沉积系统，用于解决现有技术中存在电源与工具电极不匹配导致影响沉积效果的问题。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出一种液中放电沉积系统，包括可控电源、工具电极、数据处理芯片以及参数获取装置；

所述可控电源、所述工具电极以及所述参数获取装置均与所述数据处理芯片连接；

所述可控电源用于给所述工具电极提供脉冲电流，所述工具电极用于对工件进行表面处理以在所述工件表面形成改性层，所述参数获取装置用于获取所述改性层的性能参数；

所述数据处理芯片用于根据所述性能参数调整所述可控电源输出的所述脉冲电流的峰值大小。

可选的，所述工具电极为碳化钨电极。

可选的，所述脉冲电流的峰值大小范围为4A-12A。

可选的，所述脉冲电流的峰值大小为4A。

可选的，所述脉冲电流的峰值大小为8A。

可选的，所述参数获取装置包括粗糙度测量装置、硬度测量装置以及厚度测量装置，所述性能参数包括所述改性层的粗糙度参数、硬度参数以及厚度参数；

所述粗糙度测量装置、所述硬度测量装置以及所述厚度测量装置均与所述数据处理芯片连接；

所述粗糙度测量装置用于测量所述改性层的粗糙度参数，所述硬度测量装置用于测量所述改性层的硬度参数，所述厚度测量装置用于测量所述改性层的厚度参数；

所述数据处理芯片用于根据所述粗糙度参数、所述硬度参数以及所述厚度参数调整所述可控电源输出的所述脉冲电流的峰值大小。

可选的，所述粗糙度测量装置为粗糙度仪，所述硬度测量装置为硬度计，所述厚度测量装置包括测量架以及千分尺。

本实用新型提出一种液中放电沉积系统，与现有技术不同之处在于，可根据不同类型的工具电极来调整所述可控电源输出的所述脉冲电流的峰值大小。这样可以保证所述可控电源输出的脉冲电流与工作的工具电极相匹配，可以保证改性层的性能最佳。并且，只需一个可控电源就可满足各种不同类型的工具电极的需求，降低了成本。

另外，还进一步给出了与碳化钨电极匹配的最佳峰值电流大小。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的一种液中放电沉积系统的结构示意图；

图2为本实用新型另一实施例提供的一种液中放电沉积系统的使用方法流程示意图；

图3为试样钢硬度分布图；

图4为碳化钨改性层和铬电镀层扫描电镜图；

图5为碳化钨改性层、铬电镀层和试样钢硬度对比图；

其中，图1中：100-可控电源，200-工具电极，300-数据处理芯片，400-参数获取装置，4001-粗糙度测量装置，4002-硬度测量装置，4003厚度测量装置，500-工件。

具体实施方式

下面将结合示意图对本实用新型的具体实施方式进行更详细的描述。根据下列描述，本实用新型的优点和特征将更清楚。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

在本实用新型的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或者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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

如图1所示，本实用新型实施例提出一种液中放电沉积系统，包括可控电源100、工具电极200、数据处理芯片300以及参数获取装置400，所述可控电源100、所述工具电极200以及所述参数获取装置400均与所述数据处理芯片300连接。所述可控电源100用于给所述工具电极200提供脉冲电流，所述工具电极200用于对工件500进行表面处理以在所述工件500表面形成改性层，所述参数获取装置400用于获取所述改性层的性能参数。所述数据处理芯片300用于根据所述性能参数调整所述可控电源100输出的所述脉冲电流的峰值大小。

与现有技术不同之处在于，可根据不同类型的工具电极200来调整所述可控电源100输出的所述脉冲电流的峰值大小。这样可以保证所述可控电源100输出的脉冲电流与工作的工具电极200相匹配，可以保证改性层的性能最佳。并且，只需一个可控电源100就可满足各种不同类型的工具电极200的需求，降低了成本。当更换工具电极200后，在前期可先对所述工具电极200进行关于可控电源100的调试来找到最适合的脉冲电流的峰值电流大小。后面继续使用该工具电极200时可直接利用获取好的峰值电流大小来工作，这样可以使得改性层获得最佳的性能参数。

液中放电沉积过程中，当工具电极200的类型固定时，影响加工质量的因素中起着至关重要的作用是电源的电参数，能够比较显著的影响改性层质量的电参数主要包括脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流以及加工极性等。发明人在研究中发现，在放电加工的过程中，加工极性无论正负，单个放电通道的蚀除量都与放电能量的关系在一定范围内成正比，脉冲宽度与峰值电流的乘积约为单个脉冲放电能量的大小。传统电火花加工的过程中较高的峰值电流和较大的脉冲宽度都可以提高加工率和工件500蚀除量，液中放电沉积技术极性与电火花加工相反，过大的脉冲宽度和峰值电流会对作为负极的工具电极200材料的电蚀加剧从而影响整个沉积过程。

通过上述分析可知放电能量的变化对整个工艺产生重要影响，放电能量由脉冲宽度和峰值电流乘积成正比，因此可将加工参数中的峰值电流作为变量，进而研究改性层和工具电极200的变化，具体加工参数如表所示。

由于工具电极200的类型有很多种，为了方便说明，在本实用新型实施例中均以碳化钨烧结工具电极200(以下均称为碳化钨电极)为例来具体说明。主要分析了碳化钨电极在不同的峰值电流下于试样钢(也即所述工件500)表面成功制备出改性层，并分析了工具电极200单位面积的消耗率、试样钢材料单位面积转移率、改性厚度、改性层粗糙度、改性层硬度以及改性层的微观形貌和成分的变化规律，对比了改性层和铬电镀层的表面形貌和成分、断面元素分布、表面性能的差异发现。首先，随着峰值电流的增加，工具电极200单位面积的消耗率从2.9mg/(min·cm²)增加到8.6mg/(min·cm²)，试样钢材料转移率从0.47mg/(min·cm²)持续降低至0.51mg/(min·cm²)，改性层表面粗糙度从3.3μm增加至4.21μm。其次，改性层的厚度、硬度以及表面摩擦力随着峰值电流的增加呈现出一个先增后减的趋势，峰值电流从4A升至12A时，改性层厚度从13um增加到最大值15.2μm，改性层硬度从1049Hv增加至最大值1230Hv，峰值电流的变化对于整个试样的硬度分布没有直接的影响。然后，随着峰值电流的增加，改性层的缺陷增多。低峰值电流范围内(4A和8A)，改性层内的W元素会随着峰值电流的增加而增加。改性层与试样钢的结合方式为冶金结合，且结合处不会因峰值电流的变化而出现缺陷。载荷相同时，改性层表面所受摩擦力在4A时最小，使用寿命较长。最后，铬电镀层试样的表面较光滑，且与试样钢的结合方式为机械结合，结合强度低于冶金结合，硬度略低于碳化钨改性层，如图4所示，图4左边的为铬电镀层在扫描电镜下的微观形貌，图4右边的为碳化钨改性层在扫描电镜下的微观形貌。需要注意的是，试样钢内部的硬度分布情况如图3所示，从图中可以看出在4个峰值电流的条件下硬度分布的变化趋势一致，距离试样钢表层越远，硬度逐渐下降，且在改性层硬度和试样钢基体硬度之间存在一个中间值。这是由于离试样钢表层越远，工具电极200中的碳化钨熔融其中的量越低，试样钢中的Fe元素含量越高，硬度下降。不同峰值电流下硬度中间值的差异较小，原因为加工过程中出现的冷淬效应导致了这部分区域硬度的上升，与熔融入改性层的碳化钨材料没有直接的关系，因此不同峰值电流下的硬度相似。

本实用新型实施例还进一步分析了液中放电沉积技术与电镀工艺的性能差别，主要对比了两种改性层的硬度，如图5所示。从图中可以看出铬电镀层的硬度为991Hv、0wt％石墨烯/碳化钨/钴冷压烧结工具电极200制备的碳化钨改性层硬度为1100Hv、0.5wt％石墨烯/碳化钨/钴冷压烧结工具电极200制备的碳化钨改性层硬度为1240Hv、试样钢硬度为380Hv，两种表面改性方法都可以极大程度的提高试样钢表面硬度，并且碳化钨改性层的硬度要远远高于铬电镀层的硬度。

通过上述分析可知，当所述工具电极200为碳化钨电极时，所述脉冲电流的峰值电流大小范围可为4A-12A。

进一步地，如图1所示，所述参数获取装置400可包括粗糙度测量装置4001、硬度测量装置4002以及厚度测量装置4003，所述粗糙度测量装置4001、所述硬度测量装置4002以及所述厚度测量装置4003均与所述数据处理芯片300连接。所述粗糙度测量装置4001用于测量所述改性层的粗糙度参数，所述硬度测量装置4002用于测量所述改性层的硬度参数，所述厚度测量装置4003用于测量所述改性层的厚度参数。所述数据处理芯片300用于根据所述粗糙度参数、所述硬度参数以及所述厚度参数调整所述可控电源100输出的所述脉冲电流的峰值大小。

可选地，所述粗糙度测量装置4001可以选用粗糙度仪，所述硬度测量装置4002可以选用硬度计，所述厚度测量装置4003可包括测量架以及千分尺。需要注意的是，所述数据处理芯片300可选用MCU或DSP或FPGA等一些具有数据处理能力的智能芯片，所述粗糙度测量装置4001、所述硬度测量装置4002以及所述厚度测量装置4003可与数据处理芯片300的数据处理接口连接，例如，可与MCU的I/O口通信连接。

本实用新型实施例还提出一种液中放电沉积系统的使用方法，利用上述特征描述中任一项所述的液中放电沉积系统。

可选地，如图2所示，所述使用方法包括：

S1：对工件500进行表面处理，并所述工件500表面形成改性层；

S2：获取所述改性层的性能参数；

S3：若所述性能参数与参数阈值不相等，则调整所述脉冲电流的峰值大小，并返回S1。

进一步地，所述S3中按照下列规则调整所述脉冲电流的峰值大小：

若增大所述脉冲电流的峰值时，所述性能参数的变化趋势是远离所述参数阈值，则减小所述脉冲电流的峰值；

若所述增大所述脉冲电流的峰值时，所述性能参数的变化趋势是接近所述参数阈值，则继续增大所述脉冲电流的峰值；

若减小所述脉冲电流的峰值时，所述性能参数的变化趋势是远离所述参数阈值，则增大所述脉冲电流的峰值；

若减小所述脉冲电流的峰值时，所述性能参数的变化趋势是接近所述参数阈值，则继续减小所述脉冲电流的峰值。

上述调整所述脉冲电流峰值大小的规则方法实质上就是调整所述峰值电流的大小使得测得的性能参数不断逼近改性层性能参数的最优值。当所述工具电极200为碳化钨电极时，所述脉冲电流的最优的峰值电流大小范围可设置为4A-12A，此时在工件500获得的改性层性能最佳。

综上所述，本实用新型提出一种液中放电沉积系统，与现有技术不同之处在于，可根据不同类型的工具电极来调整所述可控电源输出的所述脉冲电流的峰值大小。这样可以保证所述可控电源输出的脉冲电流与工作的工具电极相匹配，可以保证改性层的性能最佳。并且，只需一个可控电源就可满足各种不同类型的工具电极的需求，降低了成本。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”或“具体示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

上述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不对本实用新型起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本实用新型的技术方案的范围内，对本实用新型揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本实用新型的技术方案的内容，仍属于本实用新型的保护范围之内。

Claims

1.一种液中放电沉积系统，其特征在于，包括可控电源、工具电极、数据处理芯片以及参数获取装置；

2.如权利要求1所述的一种液中放电沉积系统，其特征在于，所述工具电极为碳化钨电极。

3.如权利要求2所述的一种液中放电沉积系统，其特征在于，所述脉冲电流的峰值大小范围为4A-12A。

4.如权利要求2所述的一种液中放电沉积系统，其特征在于，所述脉冲电流的峰值大小为4A。

5.如权利要求2所述的一种液中放电沉积系统，其特征在于，所述脉冲电流的峰值大小为8A。

6.如权利要求1所述的一种液中放电沉积系统，其特征在于，所述参数获取装置包括粗糙度测量装置、硬度测量装置以及厚度测量装置，所述性能参数包括所述改性层的粗糙度参数、硬度参数以及厚度参数；

7.如权利要求6所述的一种液中放电沉积系统，其特征在于，所述粗糙度测量装置为粗糙度仪，所述硬度测量装置为硬度计，所述厚度测量装置包括测量架以及千分尺。