DE3330702C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken nach den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4. Ein solches Verfahren und die entsprechende Vorrichtung sind aus der DE-OS 31 23 214 bekannt.

Verfahren zur chemisch-thermischen Behandlung unter Benutzung einer Glimmentladung sind gegenwärtig weit verbreitet, beispielsweise zum Härten oder Beschichten von Werkstücken. Eine leistungsfähige Glimmentladung mit Strömen von mehreren Ampere kann jedoch unkontrolliert in eine Lichtbogenentladung übergehen, wodurch Stromquellen überlastet und vor allem Werkstückoberflächen beschädigt werden können. Der Grad der Beschädigung hängt im allgemeinen von der während der Lichtbogenentladung zugeführten Energie ab.

Die eingangs genannte Druckschrift beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Steuerung einer Glimmentladung, bei dem bzw. bei der die Temperatur der zu behandelnden Werkstücke und deren Änderungsgeschwindigkeit gemessen werden, die gemessenen Werte mit vorgegebenen Sollwerten verglichen werden und die Spannung der Glimmentladung danach gesteuert wird, wobei die Höhe der zugeführten Speisespannung in Abhängigkeit von der Frequenz, mit der sich Lichtbogen bilden, eingestellt wird. Eine Verringerung der Speisespannung bewirkt dabei eine Herabsetzung der Lichtbogenbildungsfrequenz, das heißt eine Unterdrückung der Lichtbogenbildung zugunsten der Glimmentladung.

Aus der DE-PS 10 29 641 ist darüber hinaus eine Steuerung der Anlaufperiode von Glimmentladungsprozessen bekannt, bei der die Zuführung von elektrischer Energie an die Werkstücke nach einem festgelegten Programm erfolgt, wobei beim Auftreten spontaner Änderungen der Programmablauf geändert wird, um Lichtbogenentladungen gar nicht erst entstehen zu lassen. Die spontanen Änderungen werden anhand der von der Entladung ausgesendeten elektromagnetischen Strahlung, insbesondere der Farbe und Intensität des ausgesendeten Lichts, oder durch Änderungen im Energiebedarf festgestellt.

Lichtbogenentladungen beeinflussen den Behandlungsvorgang bei den fraglichen technischen Prozessen jedoch auf zweierlei Art: Einerseits können sie beim Überschreiten eines bestimmten Energiewertes die Werkstückoberfläche beschädigen. Andererseits tragen die Lichtbogenentladungen jedoch in Abhängigkeit von deren Leistung und Brenndauer zu einer intensiven Reinigung der Werkstückoberfläche bei. Das Streben nach einer maximalen Herabsetzung der Leistung und Brenndauer der Lichtbogenentladungen führt deshalb zu einem Ansteigen der Behandlungsdauer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das eingangs genannte Verfahren und die entsprechende Vorrichtung so auszugestalten, daß die Produktivität des Behandlungsvorganges und die Güte der bearbeiteten Werkstücke erhöht und die für die Reinigung und Erwärmung der Werkstücke benötigte Zeit herabgesetzt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. 4 angegebenen Merkmalen gelöst.

Erfindungsgemäß werden demnach die Lichtbogenentladungen nicht unterdrückt, sondern es wird die Energie jeder einzelnen Lichtbogenentladung so gesteuert, daß diese Entladung gerade noch in einem Bereich liegt, bei dem die Werkstückoberfläche noch nicht beschädigt wird. Dabei ist die von den Erfindern erkannte Tatsache wesentlich, daß sich der gerade noch ungefährliche Wert in Abhängigkeit von den Prozeßparametern, insbesondere in Abhängigkeit von der Werkstücktemperatur ändert.

Die Behandlungszeit für die Werkstücke kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung erheblich herabgesetzt werden, wobei die erhaltenen Werkstückoberflächen eine ausgezeichnete Güte aufweisen.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sind in den Unteransprüchen 2 und 3 bzw. 5 beschrieben.

Ein Ausführungsbeispiel für die chemisch-thermische Behandlung von Werkstücken wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die Abhängigkeit eines zulässigen Energiewertes, der nicht zur Beschädigung der Werkstückoberfläche durch eine Lichtbogenentladung führt, von der Temperatur des Werkstückes;

Fig. 2 eine Abhängigkeit der zulässigen Dauer von Spannungsimpulsen von der Temperatur des Werkstückes;

Fig. 3 ein Funktionsschema einer Anlage zur chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken; und

Fig. 4 ein elektrisches Blockschaltbild einer Einheit zur Steuerung der Dauer einer Lichtbogenentladung.

Das Verfahren zur chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken unter Zuhilfenahme einer Glimmentladung besteht darin, daß man die zu behandelnden Teile in einer Entladungskammer unterbringt, diese evakuiert und eine Impulsspannung zum Zünden der Glimmentladung anlegt. Dann erwärmt man die Werkstücke auf die erforderliche Behandlungstemperatur. Gleichzeitig führt man in die Entladungskammer ein Gas ein. Die Aufwärmung der Werkstücke erfolgt durch Regelung der Folgefrequenz der Spannungsimpulse, hierbei ändert sich die zugeführte Leistung. Dabei begrenzt man im Falle der Entstehung von Lichtbogenentladungen in der Kammer die Spannungsimpulsenergie auf ein Niveau, bei dem Beschädigungen der zu behandelnden Werkstücke durch die entstehenden Lichtbogenentladungen ausbleiben.

Einerseits können die Lichtbogenentladungen bei hinreichend großer Energie und Brenndauer eine Schädigung der Oberfläche der zu behandelnden Teile hervorrufen, andererseits tragen sie aber zu einer intensiven Reinigung der Oberfläche der Teile bei. Es ist nun zweckmäßig, die Energie der entstehenden Lichtbogenentladungen auf einem bestimmten Grenzniveau, das keine Schäden hervorruft, zu halten. Der Wert dieses Niveaus hängt von der Zusammensetzung des Arbeitsgasgemisches, dem Zustand der Oberfläche der zu behandelnden Teile und den Forderungen an die Oberfläche, von dem Material der Teile und den technologischen Parametern des Behandlungsvorganges (Druck und Temperatur) ab und ändert sich im Verlaufe der Behandlung. Den größten Einfluß auf den Wert des zulässigen Niveaus der im Impuls zu übertragenden Energie übt die Temperatur der zu behandelnden Teile aus.

Deshalb wird ab dem Anlegen der Spannungsimpulse an die Entladungskammer die Temperatur der zu behandelnden Teile gemessen und je nach deren Zunahme bei Entstehung von Lichtbogenentladungen in der Kammer das Begrenzungsniveau der in jedem Impuls übertragenen Energie derart herabgesetzt, daß der Temperatur der zu behandelnden Teile zu jedem Zeitpunkt ein Begrenzungsniveau entspricht, bei dem gerade noch keine Beschädigungen der Oberfläche der zu behandelnden Teile durch die entstehenden Lichtbogenentladungen auftreten.

Die Verhinderung einer Beschädigung der Oberfläche der zu behandelnden Teile durch die entstehenden Lichtbogenentladungen kann dadurch erreicht werden, daß das Begrenzungsniveau der je Impuls übertragenen Energie bei einem Anstieg der Temperatur der zu behandelnden Teile nach einem linearen Gesetz vermindert wird. Den Änderungsverlauf dieses Niveaus für dieses Ausführungsbeispiel zeigt die Kurve 1 (Fig. 1).

Die Änderung des Begrenzungsniveaus der im Impuls übertragenen Energie erfolgt bei dem Ausführungsbeispiel durch Änderung der Dauer des Spannungsimpulses.

Wenn das Begrenzungsniveau der je Impuls übertragenen Energie entsprechend der Kurve 1 geändert wird, soll sich die Dauer der Spannungsimpulse entsprechend der Kurve 2 (Fig. 2) ändern.

Die praktische Änderung der Dauer der Spannungsimpulse erfolgt entsprechend der Kurve 3.

Die Anlage zur Realisierung des Verfahrens zur chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken mit Hilfe einer Glimmentladung enthält eine Gleichspannungsquelle 4 (Fig. 3), die einen aus Halbleiterdioden 5 bestehenden Dreiphasengleichrichter und einen Speicherkondensator 6 am Ausgang aufweist. An den positiven Anschluß 7 und den negativen Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4 ist eine Einheit 9 zur zwangsläufigen Kommutierung des Entladungsstromes angeschlossen. Die Einheit 9 ist mit einem Widerstand 10 versehen, der mit einem seiner Anschlüsse an den positiven Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle 4 gelegt ist. Die Einheit 9 enthält weiter eine Parallelschaltung aus einer an den zweiten Anschluß des Widerstandes 10 angeschlossenen Drossel 11 und einer mit dieser in Reihe geschalteten Halbleiterdiode 12, aus einem Halbleiterthyristor 13, dessen Anode an den zweiten Anschluß des Widerstandes 10 angeschlossen ist, und aus einem Widerstand 14 und einem mit diesem in Reihe liegenden Kondensator 15, der an den zweiten Anschluß des Widerstandes 10 angeschlossen ist. Die Anode der Halbleiterdiode 12, die Kathode des Thyristors 13 und der zweite Anschluß des Widerstandes 14 sind an den negativen Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen. An den Verbindungspunkt zwischen dem Kondensator 15 und dem Widerstand 14 sind die Anode eines ersten Ventils 16, dessen Kathode an den negativen Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen ist, und die Anode eines zweiten Ventils 17, dessen Kathode an den positiven Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle 4 angeschlossen ist, gelegt. Die Steuerelektrode des ersten Ventils 16 ist an eine Steuereinheit 18 angeschlossen. An den positiven Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle 4 ist auch die Anodengruppe 19 einer Thyristorbrücke 20 gelegt. Die Thyristorbrücke 20 besteht aus Halbleiterthyristoren 21, 22, 23 und 24 und einem in der Diagonale dieser Brücke 20 geschalteten Kondensator 25. Die Steuerelektroden der Thyristoren 21, 22, 23 und 24 sind an die Steuereinheit 18 angeschlossen. Die Kathodengruppe 26 der Thyristorbrücke 20 ist mit der Anode eines dritten Ventils 27 verbunden, dessen Kathode mit einem der Anschlüsse einer strombegrenzenden Induktivität 28 und der Kathode einer Rückspeisediode 29 in Verbindung steht. Die Anode der Rückspeisediode 29 ist mit dem negativen Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4 verbunden. Der zweite Anschluß der strombegrenzenden Induktivität 28 ist mit der Anode des ersten Ventils 16 verbunden. Die Kathodengruppe 26 der Thyristorbrücke 20 ist auch mit einer Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung verbunden. Die Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung besteht aus einem Nebenschluß 31, der mit einem Anschluß an die Anode des dritten Ventils 27 gelegt ist. Die Einrichtung 30 enthält weiter in Reihe geschaltete Widerstände 32 und 33, die einen Spannungsteiler bilden, und eine Schwellenwertschaltung 34, deren Eingänge mit den beiden Anschlüssen des Nebenschlusses 31 und dem Verbindungspunkt der in Reihe geschalteten Widerstände 32 und 33 verbunden sind. Der zweite Anschluß des Nebenschlusses 31 ist mit dem Anschluß des Widerstandes 32 verbunden. Der zweite Anschluß des Widerstandes 33 ist mit der Kathode des dritten Ventils 27 verbunden. Der Ausgang 35 der Schwellenwertschaltung 34 ist mit einem der Eingänge der Steuereinheit 18 und dem Eingang 36 einer Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladung verbunden. Der eine Ausgang 38 der Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladung ist an die Steuerelektrode des Thyristors 13 und der andere Ausgang 39 an die Steuerelektrode des dritten Ventils 27 angeschlossen. Der zweite Eingang 40 der Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladung ist mit dem Ausgang eines Temperaturgebers 41 verbunden. Der Ausgang des Temperaturgebers 41 ist auch mit einer Temperaturstabilisierungseinheit 42 verbunden. Der Ausgang der Temperaturstabilisierungseinheit 42 ist mit dem zweiten Eingang der Steuereinheit 18 verbunden.

Der Eingang des Temperaturgebers 41 ist mit den in der Entladungskammer 43 untergebrachten Werkstücken 44 verbunden. Die Werkstücke 44 sind auch mit der Kathode des dritten Ventils 27 und dem ersten Anschluß der strombegrenzenden Induktivität 28 verbunden. Der geerdete Körper 45 der Entladungskammer 43 ist mit dem zweiten Ende des Nebenschlusses 31 verbunden. Der Körper 45 der Entladungskammer 43 ist mechanisch über ein Sperrventil 46 mit einer Einrichtung 47 zur Evakuierung (einer Pumpe) und über ein Ventil 48 mit einer aus einer Gasflasche 50, einem Druckminderer 51 und einem Reaktor 52 bestehenden Vorrichtung 49 zur Zufuhr von Gas in die Entladungskammer 43 verbunden.

Die Einheit 37 (Fig. 4) zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen ist mit einer Bezugsspannungsquelle 53 und einem Summierer 54 versehen. Der eine Eingang des Summiereres 54 ist an die Bezugsspannungsquelle 53 angeschlossen. Der zweite Eingang des Summierers 54, der als Eingang 40 der Einheit 37 dient, ist an den Temperaturgeber 41 angeschlossen. Der Ausgang des Summierers 54 ist an den Steuereingang eines regelbaren Verzögerungsgliedes 55 angeschlossen. Der Informationseingang des regelbaren Verzögerungsgliedes 55 dient als Eingang 36 der Einheit 37 und ist mit der Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung verbunden. Der Ausgang des regelbaren Verzögerungsgliedes 55 ist mit den Eingängen der Anpassungselemente 56 und 57 verbunden.

Der Ausgang des Anpassungselementes 57 dient als Ausgang 39 der Einheit 37 und ist an die Steuerelektrode des Thyristors 13 angeschlossen. Der Ausgang des Anpassungselementes 56 dient als Ausgang 39 der Einheit 37 und ist an die Steuerelektrode des dritten Ventils 27 angeschlossen.

Die beschriebene Anlage zur Durchführung des Verfahrens zur chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken mit Hilfe einer Glimmentladung, wobei eine Nitrierung der Werkstücke vorgenommen wird, funktioniert wie folgt:
In der Entladungskammer 43 (Fig. 3) werden die zu behandelnden Werkstücke 44 untergebracht. Dann legt man an diese den Temperaturgeber 41 an, schließt die Kammer 43 ab, schaltet die Pumpe 47 ein und öffnet das Sperrventil 46. Nach der Evakuierung der Entladungskammer 43 schließt man die Gleichspannungsquelle 4 an das Drehstromnetz ABC an. An den Anschlüssen 7 und 8 dieser Quelle erscheint dabei eine Gleichspannung. Infolgedessen wird der Speicherkondensator 6 mit Gleichstrom auf die Ausgangsspannung der Diode 5 des nichtsteuerbaren Gleichrichters aufgeladen. Gleichzeitig findet eine Aufladung des Kondensators 15 von der Gleichspannungsquelle 4 über den Widerstand 10 und 14 auf den Wert der Anspannung am Ausgang der Gleichspannungsquelle 4 statt. Hierbei erhält der Belag a des Kondensators 15 ein positives und der Belag b ein negatives Potential. Danach schaltet man die Steuereinheit 18 ein. Der Arbeitsablauf der Steuereinheit 18 ist derart gewählt, daß die Steuerimpulse in jedem zweiten Takt auf die Steuerelektroden eines der Thyristorpaare 21 und 23 bzw. 22 und 24 der Brücke 20 und gleichzeitig in jedem Takt auf die Steuerelektrode des ersten Ventils 16 gegeben werden. Die Folgefrequenz der Steuerimpulse wird sowohl manuell als auch automatisch geregelt. Im letzteren Falle wird die Folgefrequenz der Steuerimpulse durch ein Signal, das am Engang der Steuereinheit 18 von der Temperaturstabilisierungseinheit 42 eintrifft, bestimmt. In der Anfangsperiode der Behandlung, solange die Temperatur der Werkstücke 44 den erforderlichen Wert noch nicht erreicht hat, wird die Folgefrequenz der Steuerimpulse manuell geregelt. Werden nach der Einschaltung der Steuereinheit 18 die Steuerimpulse auf das Thyristorpaar 21, 23 und das erste Ventil 16 gegeben, so werden die Thyristoren 21 und 23 sowie das erste Ventil 16 geöffnet, und der Strom von der Gleichspannungsquelle 4 fließt über folgenden Kreis: Positiver Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle 4-Thyristor 21-Kondensator 25-Tyristor 23-Nebenschluß 31-Körper 45 (Anode) der Entladungskammer 43-Werkstücke 44 (Kathode)-strombegrenzende Induktivität 28-erstes Ventil 16-negativer Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4. Der Kondensator 25 lädt sich dabei auf den Wert der Spannung am Ausgang der Gleichspannungsquelle 4 auf. Im zweiten Arbeitstakt der Steuereinheit 18 werden die Steuerimpulse auf das Thyristorpaar 22, 24 und das erste Ventil 16 gegeben. Hierbei werden die Thyristoren 22 und 24 sowie das erste Ventil 16 geöffnet und der Kondensator 25 lädt sich von der Gleichstromquelle 4 über folgenden Kreis um: Positiver Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle 4-Thyristor 22-Kondensator 25-Thyristor 24-Nebenschluß 31-Körper 45 der Entladungskammer 43-Werkstücke 44- strombegrenzende Indukutivität 28-erstes Ventil 16-negativer Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4. In der Folge werden die Arbeitszyklen der Thyristorbrücke wiederholt. Angefangen vom zweiten Arbeitstakt der Steuereinheit 18 wird die Dauer des die Entladungskammer durchfließenden Impulsstromes durch die Zeit der Umladung des Kondensators 25 von der Gleichspannungsquelle 4 bestimmt. Hierbei wird an die Entladungskammer 43 ein Spannungsimpuls mit einer etwa der doppelten Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 4 entsprechenden Amplitude angelegt. Die Form dieses Impulses hängt von den Parametern der Schaltung und der Art der Entladung in der Entladungskammer 43 ab, während die im Impuls übertragene Energie konstant und unabhängig von der Art der Entladung in der Entladungskammer 43 ist.

Beim Anlegen der Spannungsimpulse an die Entladungskammer 43 wird in dieser eine elektrische Entladung gezündet. Hierbei führt jeder in der Anfangsperiode der Behandlung der Werkstücke 44 auf die Entladungskammer gegebene Spannungsimpulse zur Entstehung einer Lichtbogenentladung in dieser. Das Signal über die Entstehung einer Lichtbogenentladung wird am Ausgang 35 der Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung gebildet. Hauptelement der Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung ist die Schwellenwertschaltung 34, die zwei stabile Zustände besitzt. Beim Übergang der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung findet ein starker Anstieg des Entladungsstroms in der Kammer 43 statt, während die Brennspannung der Lichtbogenentladung wesentlich kleiner als die Brennspannung der Glimmentladung ist. Deshalb steigt beim Übergang der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung das Signal, das an der Schwellenwertschaltung 34 vom Nebenschluß 31 eintrifft, erheblich an, während das Signal, das an dieser Schaltung 34 von dem durch die Widerstände 32 und 33 gebildeten, parallel zur Entladungskammer 43 geschalteten Spannungsteiler eintrifft, stark abnimmt. Hierbei wird die Schwellenwertschaltung 34 aus dem Zustand, der durch das Vorhandensein einer Glimmentladung in der Kammer 43 bedingt ist, in einen Zustand, der dem Vorhandensein einer Lichtbogenentladung in der Kammer 43 entspricht, umgesteuert. Am Ausgang 35 dieser Schaltung 34 erscheint ein Signal, das den Übergang der Glimmentladung in eine Lichtbogenentladung anzeigt. Dieses Signal trifft am Eingang der Steuereinheit 18 ein und blockiert die Steuerimpulsabgabe auf die Thyristoren 21, 22, 23, 24 der Brücke 20 und das erste Ventil 16 für die Zeit, innerhalb der eine Lichtbogenentladung in der Entladungskammer 43 besteht, woraufhin eine Entionisierung in dieser Kammer 43 stattfindet. Gleichzeitig gelangt ein Signal vom Ausgang 35 der Schwellenwertschaltung 34 auf den Eingang 36 der Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen. Auf den zweiten Eingang 40 der Einheit 37 gelangt ein Signal von dem Temperaturgeber 41, das der Temperatur der zu behandelnden Erzeugnisse proportional ist. Die Einheit 37 ermöglicht zusammen mit dem dritten Ventil 27 eine Änderung der Dauer der Spannungsimpulse bei Entstehung von Lichtbogenentladungen, was die Möglichkeit bietet, den Wert der der Entladungskammer 43 zugeführten Energie zu ändern. Hierbei ändert sich die Dauer der der Entladungskammer 43 zugeführten Spannungsimpulse in Abhängigkeit von der Temperatur der Werkstücke 44. Zwecks Vereinfachung der Schaltung der Einheit 37 erfolgt die Änderung der Dauer der Spannungsimpulse bei Entstehung von Lichtbogenentladungen entsprechend der durch die Kurve 3 beschriebenen linearen Abhängigkeit. Hierbei liegt die zulässige Dauer der Spannungsimpulse für jeden Temperaturwert der Werkstücke 44 etwas niedriger als die höchstzulässige Dauer dieser Impulse, die sich aus der Kurve 2 ergibt. Jedoch ist diese Verminderung der zulässigen Dauer der der Entladungskammer 43 zugeführten Impulse gering und vergrößert praktisch die Dauer der Reinigung der Werkstücke 44 nicht. An den Eingängen der Einheit 37 (Fig. 4) zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen treffen zwei Signale ein. Am Eingang 40 liegt das Signal vom Temperaturgeber 41 und am Eingang 36 das Signal von der Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung an. Das Signal vom Temperaturgeber 41 gelangt an den Eingang des Summierers 54. Der zweite Eingang des Summierers 54 erhält das Signal von der Bezugsspannungsquelle 53, welches die zur Behandlung der Werkstücke 44 erforderliche Temperatur bestimmt. In dem Summierer 54 findet ein Vergleich der zur Behandlung erforderlichen Temperatur mit der tatsächlichen Temperatur der Werkstücke 44 statt. Falls sich die tatsächliche Temperatur von der zur Behandlung erforderlichen Temperatur unterscheidet, erscheint am Ausgang des Summierers 54 ein Signal. Dieses Signal ist um so größer, je mehr sich die tatsächliche Temperatur der Werkstücke 44 von der zur Behandlung erforderlichen Temperatur unterscheidet. Im Falle einer Gleichheit der tatsächlichen und der für die Behandlung erforderlichen Temperatur ist das Signal gleich null. Vom Ausgang des Summierers 54 gelangt dieses Signal, das ein Steuersignal ist, an einen der Eingänge des regelbaren Verzögerungsgliedes 55. Am zweiten Eingang 36 des Verzögerungsgliedes 55 trifft das Signal vom Ausgang 35 der Schwellenwertschaltung 34 der Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung ein. In dem Verzögerungsglied 55 findet eine Verzögerung des von der Schwellenwertschaltung 34 eintreffenden Signals statt. Hierbei ist die Verzögerung dieses Signals in dem Verzögerungsglied 55 von der Größe des Signals, das am Eingang dieses Gliedes 55 von dem Summierer 54 eintrifft, abhängig. Je größer das Signal vom Summierer 54 ist, desto größer ist die Verzögerung des von der Schwellenwertschaltung 34 eintreffenden Signals in dem Verzögerungsglied 55. Bei einem Nullsignal ist die Verzögerung minimal. Im Änderungsbereich findet eine lineare Änderung der Verzögerung des von der Schwellenwertschaltung 34 eintreffenden Signals statt. Vom Ausgang des Verzögerungsgliedes 55 gelangt das Signal an die Eingänge der Anpassungselemente 56 und 57, die die Parameter dieses Signals auf die zur Zündung des Thyristors 13 und des dritten Ventils 27 erforderlichen Werte bringen.

Somit wird vom Ausgang 35 der Schwellenwertschaltung 34 ein Signal, das von der Enstehung einer Lichtbogenentladung in der Kammer 43 zeugt, mit einer Verzögerung, die durch die Differenz zwischen der tatsächlichen und erforderlichen Temperatur bestimmt wird, auf die Steuerelektroden des Thyristors 13 und des dritten Ventils 27 gegeben. Falls nach dem Einschalten der Steuereinheit 18, der Thyristoren 22, 24 der Brücke 20 und des ersten Ventils 16 in der Entladungskammer 43 eine Lichtbogenentladung entsteht, so lädt sich der Kondensator 25 über folgenden Kreis: Positiver Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle-Thyristor 22-Kondensator 25-Thyristor 24-Nebenschluß 31-Körper 45 der Entladungskammer 43-Werkstücke 44- strombegrenzende Induktivität 28-erstes Ventil 16-negativer Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle schnell um. Hierbei wird ein Teil der während dieser Zeit übertragenen Energie in der Entladungskammer 43 zerstreut, und ein Teil der Energie gelangt an die strombegrenzende Induktivität 28. Nach der Umladung des Kondensators 25 auf den Wert der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 4 fließt kein Strom mehr über die Thyristoren 22 und 24, und diese werden gesperrt. Gleichzeitig wird die Rückspeisediode 29 leitend, und es bildet sich ein Kreis zur Auskopplung der in der strombegrenzenden Induktivität 28 gespeicherten Energie. Die Auskopplung der in der strombegrenzenden Induktivität 28 gespeicherten Energie erfolgt über den Kreis: Strombegrenzende Induktivität 28-erstes Ventil 16-Rückspeisediode 29-Nebenschluß 31-Körper 45 der Endladungskammer 43-Werkstücke 44-strombegrenzende Induktivität 28. Hierbei brennt in der Entladungskammer 43 die Lichtbogenentladung weiter. Den Zeitpunkt der Entstehung der Lichtbogenentladung in der Entladungskammer 43 fixiert die Einrichtung 30 zur Kontrolle der Glimmentladung. Am Ausgang 35 dieser Einrichtung 30 erscheint ein Signal, das davon zeugt, daß in der Entladungskammer 43 eine Lichtbogenentladung entsteht. Dieses Signal verhindert, daß Steuersignale auf die Thyristoren 21, 22, 23 und 24 der Brücke 20 und auf die Steuerelektrode des ersten Ventils 16 von der Steuereinheit 18 gegeben werden. Gleichzeitig gelangt dieses Signal an den Eingang 36 der Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen. Mit einer zeitlichen Verzögerung, deren Wert durch die Differenz zwischen der tatsächlichen Temperatur und der für die Behandlung erforderlichen Temperatur bestimmt ist, erscheinen an den Ausgängen 38 und 39 der Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen Steuerimpulse, die jeweils an die Steuerelektroden des Thyristors 13 und des dritten Ventils 27 gelangen. Zu dieser Zeit lädt sich der Kondensator 25 auf den Wert der Ausgangsspannung der Gleichstromquelle 4 um, und die Thyristoren 22 und 24 der Brücke werden gesperrt.

Beim Eintreffen der Steuerimpulse an den Steuerelektroden des Thyristors 13 und des dritten Ventils 27 werden diese geöffnet.

Das Einschalten des dritten Ventils 27 führt dazu, daß der die Lichtbogenentladung in der Entladungskammer 43 aufrechterhaltende Strom über das Ventil 27 fließt. Hierbei erlischt die Lichtbogenentladung in der Entladungskammer 43. Somit gestattet es die Einheit 37 zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladung zusammen mit dem dritten Ventil 27 und dem Temperaturgeber 41 die Brenndauer der Lichtbogenentladung in der Entladungskammer 43 in Abhängigkeit von der Temperatur der zu bearbeitenden Werkstücke 44 zu ändern. Dabei erfolgt die Änderung der Dauer der Spannungsimpulse, die die Lichtbogenentladung in der Entladungskammer 43 aufrechterhalten, in linearer Abhängigkeit von der Temperatur der zu behandelnden Teile 44 entsprechend der Kurve 3 (Fig. 2).

Das Einschalten des Thyristors 13 gleichzeitig mit dem dritten Ventil 27 führt dazu, daß an das eingeschaltete erste Ventil 16 die Spannung von dem zuvor aufgeladenen Kondensator 15 angelegt wird. Dabei ist diese Spannung für das erste Ventil 16 eine Sperrspannung. Infolgedessen wird dieses gesperrt. Dabei fließt der Strom der Lichtbogenentladung, der vorher über das erste Ventil 16 und die Entladungskammer 43 geflossen ist, nach dem Einschalten des Thyristors 13 und des dritten Ventils 27 über den Kreis: Strombegrenzende Induktivität 28-Kondensator 15-Thyristor 13-Sperrdiode 29- drittes Ventil 27-strombegrenzende Induktivität 28. Der Kondensator 15 wird dabei umgeladen. Der Belag b des Kondensators 15 erhält ein positives Potential und der Belag a ein negatives Potential. Sobald die Spannung am Kondensator 15 gleich der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 4 wird, öffnet sich das zweite Ventil 17, und es wird ein neuer Kreis zur Auskopplung der in der strombegrenzenden Induktivität 28 gespeicherten Energie gebildet. Die Energieauskopplung aus der strombegrenzenden Induktivität 28 erfolgt über den Kreis: Strombegrenzende Induktivität 28-zweites Ventil 17-Kondensator 6-Rückspeisediode 29-drittes Ventil 27-strombegrenzende Induktivität 28. Somit erfolgt eine Energieauskopplung aus der strombegrenzenden Induktivität 28 in die Gleichspannungsquelle 4, es findet also eine Energierücklieferung aus der strombegrenzenden Induktivität 28 in die Gleichspannungsquelle 4 statt, was den Wirkungsgrad der Anlage erhöht. Die Energieauskopplung erfolgt in einer kurzen Zeit, was eine hohe Folgefrequenz der der Kammer 43 zugeführten Spannungsimpulse ermöglicht und zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit der Anlage beiträgt. Nach der Energieauskopplung aus der strombegrenzenden Induktivität 28 hat die Steuereinheit 18 die Möglichkeit, Steuerimpulse auf das nächste Thyristorpaar 21 und 23 der Brücke 20 und das erste Ventil 16 zu geben. Dabei werden die Thyristoren 21, 23 sowie das erste Ventil 16 geöffnet. Der Kondensator 15 der Einheit 9 zur zwangsläufigen Kommutierung des Entladungsstromes lädt sich über den Kreis: Belag b des Kondensators 15-erstes Ventil 16-Diode 12-Drossel 11-Belag a des Kondensators 15 schnell um. Hierbei erhält der Belag a des Kondensators 15 ein positives Potential und der Belag b ein negatives Potential. Nach einer derartigen Umladung des Kondensators 15 ist die Einheit 9 zur zwangsläufigen Kommutierung des Entladungsstromes auf den nächsten Arbeitstakt vorbereitet. Im Laufe der weiteren Behandlung der Werkstücke 44 nimmt die Entstehung von Lichtbogenentladungen in der Entladungskammer 43 ab, da die Werkstücke 44 allmählich gereinigt werden. Dabei rufen nicht mehr alle der Entladungskammer 43 zugeführten Impulse eine Lichtbogenentladung hervor. Zuerst führen einzelne Spannungsimpulse zur Entstehung einer Glimmentladung, dann nimmt die Zahl der Impulse, die zur Entstehung von Glimmentladungen führen, allmählich zu. Die Werkstücke 44 in der Kammer 43 werden allmählich aufgewärmt. Zum schnelleren Aufwärmen der Teile 44 hat man den Druck in der Entladungskammer 43 zu erhöhen. Dazu wird der Reaktor 52 eingeschaltet und der Druckminderer 51 an der Gasflasche 50 der Vorrichtung 49 geöffnet. Dann erhöht man allmählich den Druck in der Entladungskammer 43 mit Hilfe des Ventils 48. Gleichzeitig erhöht man die Folgefrequenz der die Entladungskammer 43 speisenden Spannungsimpulse. Auf diese Weise wird eine allmähliche Aufwärmung der Werkstücke 44 auf die erforderliche Behandlungstemperatur bewirkt. Der Druckanstieg in der Kammer 43 erfolgt allmählich, damit beim Erreichen der erforderlichen Behandlungstemperatur der Druck in der Entladungskammer 43 den für die Behandlung erforderlichen Wert erreicht. Zum Zeitpunkt, wo die erforderliche Behandlungstemperatur erreicht ist, brennt in der Entladungskammer fast ständig eine Glimmentladung und es finden nur einzelne kurzzeitige Lichtbogenentladungen statt. Beim Brennen einer Glimmentladung in der Entladungskammer 43 erzeugt die Steuereinheit 18 abwechselnd Steuerimpulse für die Thyristorpaare 21 und 23 bzw. 22 und 24, und in jedem Arbeitstakt der Steuereinheit 18 wird ein Steuerimpuls auf die Steuerelektrode des ersten Ventils 16 gegeben. Je nach dem in der Entladungskammer 43 herrschenden Druck hat die Anlage zwei Betriebszustände. Bei einem niedrigen Druck in der Entladungskammer 43 findet die Umladung des Kondensators 25 beim Einschalten der Thyristoren 21, 23 der Brücke 20 und des ersten Ventils 16 aperiodisch statt. Hierbei fließt der die Glimmentladung in der Entladungskammer 43 aufrechterhaltende Strom über den Kreis: Positiver Anschluß 7 der Gleichspannungsquelle 4-Thyristor 21-Kondensator 25-Thyristor 25-Thyristor 23-Nebenschluß 31-Körper der Entladungskammer 43- Werkstücke 44-strombegrenzende Induktivität 28- erstes Ventil 16-negativer Anschluß 8 der Gleichspannungsquelle. Bei erhöhtem Druck in der Entladungskammer 43 führt das Einschalten der Thyristoren 21, 23 und des ersten Ventils 16 zur Umladung des Kondensators 25. Dabei lädt sich der Kondensator 25 über den Kreis: Positiver Anschluß 7 der Gleichstromquelle 4-Thyristor 21-Kondensator 25-Thyristor 23-Nebenschluß 31-Körper 45 der Entladungskammer 43-Werkstücke 44- strombegrenzende Induktivität 28-erstes Ventil 16-negativer Abschluß 8 der Gleichspannungsquelle 4 schnell um. Nach der Umladung des Kondensators 25 auf den Wert der Ausgangsspannung der Gleichspannungsquelle 4 hört der Strom auf, über die Thyristoren 21 und 23 zu fließen, und diese werden gesperrt. Gleichzeitig öffnet sich die Rückspeisediode 29, und die in der strombegrenzenden Induktivität gespeicherte Energie wird aus dieser über den Kreis: Strombegrenzende Induktivität 28-erstes Ventil 16-Rückspeisediode 29-Nebenschluß 31-Körper 45 der Entladungskammer 43-Werkstücke 44-strombegrenzende Induktivität 28 ausgekoppelt. Hierbei wird in der Entladungskammer 43 eine Glimmentladung aufrechterhalten.

Nach dem Erreichen der für die Behandlung erforderlichen Temperatur wird die Steuereinheit 18 auf automatischen Betrieb umgestellt. Hierbei wird die Folgefrequenz der Spannungsimpulse durch das an der Steuereinheit 18 von der Temperaturstabilisierungseinheit 42 eintreffende Signal bestimmt. Die Temperaturstabilisierungseinheit 42 wirkt auf die Steuereinheit derart ein, daß jede Abweichung der Temperatur der Werkstücke 44 von dem erforderlichen Wert zu einer solchen Änderung der Folgefrequenz der Spannungsimpulse führt, daß die Temperatur der Werkstücke 44 wieder auf den nötigen Wert gebracht wird.

Nach dem Erreichen der für die Behandlung erforderlichen Temperatur- und Druckwerte in der Entladungskammer 43 werden die Werkstücke 44 bei den erreichten Temperatur- und Druckwerten bei Vorhandensein einer Glimmentladung für die zur Behandlung erforderliche Zeit in der Kammer 43 gehalten. Danach wird die Gleichstromquelle 4 von dem Drehstromnetz ABC abgeschaltet, das Ventil 48 und der Druckminderer 51 geschlossen und der Reaktor 52 abgeschaltet. Die Entladungskammer 43 wird erneut auf niedrigen Druck evakuiert, dann wird das Ventil 46 geschlossen und die Pumpe 47 abgeschaltet. Nachdem die behandelten Teile 44 abgekühlt sind, werden sie aus der Kammer 43 herausgenommen.

Claims (7)

1. Verfahren zur chemisch-thermischen Behandlung von Werkstücken durch eine Glimmentladung in einer evakuierten Entladungskammer, wobei

• - zum Zünden der Glimmentladung Spannungsimpulse an die Entladungskammer angelegt werden,
• - die mit den Spannungsimpulsen übertragene Energie bei Entstehung von Lichtbogenentladungen auf ein Niveau begrenzt wird, bei dem die Oberflächen der Werkstücke nicht beschädigt werden,
• - durch Regelung der Spannungsimpulsfolgefrequenz die Werkstücke unter Zuführung von Gas auf die für die Behandlung erforderliche Temperatur erwärmt werden, und wobei
• - einer der technologischen Parameter des Behandlungsvorganges überwacht wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - in Abhängigkeit von dem gemessenen technologischen Parameter bei der Entstehung von Lichtbogenentladungen das Begrenzungsniveau der mit jedem der Spannungsimpulse übertragenen Energie derart festgelegt wird, daß dem gemessenen technologischen Parameter zu jedem Zeitpunkt ein vorgegebenes Begrenzungsniveau der mit jedem Impuls übertragenen Energie entspricht, das nahe an dem Maximalwert liegt, bei dem die Oberflächen der Werkstücke durch die entstehenden Lichtbogenentladungen gerade noch nicht beschädigt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei als technologischer Parameter die Temperatur des Werkstückes überwacht wird, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Ansteigen der Temperatur das Begrenzungsniveau der mit jedem Impuls übertragenen Energie linear herabgesezt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Begrenzungsniveau der mit jedem Impuls übertragenen Energie durch Regelung der Dauer der zugeführten Spannungsimpulse festgelegt wird.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

• - einer Gleichspannungsquelle (4),
• - einer Steuereinheit (18) für die Spannungsimpulsfolge,
• - einer Entladungskammer (43), an die eine mit der Steuereinheit (18) verbundene Einrichtung (30) zur Kontrolle der Glimmentladung angeschlossen ist, wobei der Körper (45) der Entladungskammer als Anode dient, der leitend mit der Steuereinheit (18) und mechanisch mit Vorrichtungen (47, 49) zur Förderung und Evakuierung von Gasen verbunden ist, während die in der Entladungskammer untergebrachten Werkstücke (44) als Kathode dienen, an die ein mit der Steuereinheit (18) verbundener Temperaturgeber (41) angeschlossen ist,

dadurch gekennzeichnet, daß

• - an die Steuereinheit (18) eine Thyristorbrücke (20) mit einem in die Diagonale der Brücke geschalteten Kondensator (25) angeschlossen ist, deren Anodengruppe (19) mit dem positiven Anschluß (7) der Gleichspannungsquelle (4) und deren Kathodengruppe (26) mit dem Körper (45) der Entladungskammer (43) verbunden ist,
• - eine strombegrenzende Induktivität (28) zwischen den negativen Anschluß (8) der Gleichspannungsquelle (4) und die zu behandelnden Werkstücke (44) geschaltet ist,
• - eine Rückspeisediode (29) anodenseitig mit dem negativen Anschluß (8) der Gleichspannungsquelle (4) und kathodenseitig mit dem Körper (45) der Entladungskammer (43) verbunden ist,
• - eine Einheit (9) zur zwangsläufigen Kommutierung des Entladungsstromes an den positiven und negativen Anschluß (7, 8) der Gleichspannungsquelle (4) und die strombegrenzende Induktivität (28) angeschlossen ist,
• - eine Einheit (37) zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen vorgesehen ist, deren Eingänge (36, 40) mit dem Temperaturgeber (41) und der Einrichtung (30) zur Kontrolle der Glimmentladung und deren Ausgang (38) mit der Einheit (9) zur zwangsläufigen Kommutierung des Entladungsstromes verbunden sind,
• - ein erstes Ventil (16) anodenseitig an der strombegrenzenden Induktivität (28) und kathodenseitig an den negativen Anschluß (8) der Gleichspannungsquelle (4) sowie mit der Steuerelektrode an die Steuereinheit (18) angeschlossen ist,
• - ein zweites Ventil (17) anodenseitig an der strombegrenzenden Induktivität (28) und kathodenseitig an den positiven Anschluß (7) der Gleichspannungsquelle (4) angeschlossen ist, und daß
• - ein drittes Ventil (27) vorgesehen ist, dessen Anode mit dem Körper (45) der Entladungskammer (43) und dessen Kathode mit den zu behandelnden Werkstücken (44) sowie dessen Steuerelektrode mit einem Ausgang (39) der Einheit (37) zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheit (37) zur Steuerung der Dauer der Lichtbogenentladungen

• - einen Summierer (54), dessen Eingänge an eine Bezugspannungsquelle (53) und den Temperaturgeber (41) angeschlossen sind,
• - ein Verzögerungselement (55), dessen Eingänge an die Ausgänge des Summierers (54) und der Einrichtung (30) zur Kontrolle der Glimmentladung angeschlossen sind, und
• - zwei Anpassungselemente (56, 57) enthält, deren Eingänge an das Verzögerungselement (55) angeschlossen sind, wobei der Ausgang des einen Anpassungselementes mit der Einheit (9) zur zwangsläufigen Kommutierung des Entladungsstromes und der Ausgang des anderen Elementes mit der Steuerelektrode des dritten Ventil (27) verbunden ist.