RU2104313C1 - Method and apparatus for treating surface of metal blank by arc discharge - Google Patents
Method and apparatus for treating surface of metal blank by arc discharge Download PDFInfo
- Publication number
- RU2104313C1 RU2104313C1 RU93004659A RU93004659A RU2104313C1 RU 2104313 C1 RU2104313 C1 RU 2104313C1 RU 93004659 A RU93004659 A RU 93004659A RU 93004659 A RU93004659 A RU 93004659A RU 2104313 C1 RU2104313 C1 RU 2104313C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- cathode
- anode
- workpiece
- arc
- billet
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области обработки поверхностей металлов, такой как очистка (например, удаление окалины, оксидированных слоев, загрязнителей и тому подобное) поверхностей, термическая обработка и нанесение покрытий на них. The invention relates to the field of surface treatment of metals, such as cleaning (for example, removal of scale, oxidized layers, contaminants and the like) of surfaces, heat treatment and coating thereof.
Обработка поверхностей металлов для их очистки и так, чтобы обеспечить возможность последующей обработки и нанесения покрытия, предпочтительно методом выпаривания этих, таким образом очищенных и обработанных поверхностей, была известна давно и различные механические и/или химические средства предлагались для выполнения такой очистки. Surface treatment of metals for cleaning and so as to enable subsequent processing and coating, preferably by evaporation of these, thus cleaned and treated surfaces, has been known for a long time and various mechanical and / or chemical means have been proposed to perform such cleaning.
Во многих случаях и во многих заявках было установлено, что такие процессы механической и/или химической очистки являются либо неэффективными в достижении желаемой степени очистки либо требуют использования дорого и сложного оборудования и могут фактически привести к повреждению обрабатываемых поверхностей. In many cases and in many applications, it was found that such mechanical and / or chemical cleaning processes are either ineffective in achieving the desired degree of cleaning or require the use of expensive and complex equipment and can actually lead to damage to the treated surfaces.
Предлагалось очищать поверхность металлического объекта, подвергая его воздействию дугового разряда в вакууме, где этот металлический объект играет роль эффективного катода. Это предлагалось, например, в техническом описании [1, 2, 3]. It was proposed to clean the surface of a metal object by exposing it to an arc discharge in vacuum, where this metal object plays the role of an effective cathode. This was proposed, for example, in the technical description [1, 2, 3].
В этой публикации объяснялось, что такой дуговой разряд в вакууме имеет место между анодом и дискретными участками на катоде, известными как катодные пятна, и что эти пятна произвольно перемещаются по поверхности катода. Этот феномен генерации катодных пятен в вакууме был подробно описан в работе:Дуги в вакууме.Теория и применение. Дж.М.Лафферти,редактор Вилли,1980. This publication explained that such an arc discharge in a vacuum takes place between the anode and the discrete portions on the cathode, known as cathode spots, and that these spots randomly move along the surface of the cathode. This phenomenon of the generation of cathode spots in a vacuum was described in detail in: Arc in a vacuum. Theory and application. J.M. Lafferty, ed. Willie, 1980.
Природа и параметры этих катодных пятен в дуговых разрядах в вакууме были описаны достаточно подробно в работе:Обработка металлических объектов электронной эрозией. И.Никошевич, Минск, Наука и техника, 1988. В этой книге предлагается рассматривать эти катодные пятна как разделяющиеся на две главные категории, а именно:
а) пятна, имеющие средний диаметр более чем 1 мм, которые перемещаются со средней скоростью менее чем 100 см в секунду, такие пятна здесь и далее будут называться "большими, медленно движущимися (LS)" катодными пятнами, и
б) пятна, имеющие диаметр меньше, чем 1 мм, и перемещающиеся со скоростями большими, чем 100 см в секунду, такие пятна здесь и далее будут называться "малыми, быстро движущимися (SF)" катодными пятнами.The nature and parameters of these cathode spots in arc discharges in vacuum were described in sufficient detail in the work: Processing of metal objects by electronic erosion. I. Nikoshevich, Minsk, Science and Technology, 1988. In this book, it is proposed to consider these cathode spots as being divided into two main categories, namely:
a) spots having an average diameter of more than 1 mm, which move at an average speed of less than 100 cm per second, such spots hereinafter will be called "large, slowly moving (LS)" cathode spots, and
b) spots having a diameter of less than 1 mm and moving at speeds greater than 100 cm per second, such spots hereinafter will be called "small, fast moving (SF)" cathode spots.
Эти параметры размеров и движения катодных пятен также были предметом исследования, помимо всего прочего, автора настоящего изобретения, и это в контексте характеристик напряжение - ток дугового разряда в вакууме. Таким образом было показано, что эти характеристики напряжение - ток могут состоять из последовательных участков повышения и понижения, т.е. участков, имеющих положительные и отрицательные градиенты. Автор показал, что в начальных стадиях дугового разряда и при малых расстояниях анод - катод, дуга распространяется от одного или от очень ограниченного числа катодных пятен по очень ограниченной области этого анода. Повышение тока дуги сопровождается ростом сопротивления дуги и в результате повышение тока дуги сопровождается ростом напряжения дуги. Вследствие этого на этой начальной стадии дугового разряда характеристика напряжение - ток дуги имеет положительный градиент. These parameters of the size and motion of the cathode spots were also the subject of study, among other things, by the author of the present invention, and this is in the context of the characteristics of the voltage - arc current in a vacuum. Thus, it was shown that these voltage-current characteristics can consist of successive sections of increase and decrease, i.e. sites with positive and negative gradients. The author showed that in the initial stages of the arc discharge and at small distances the anode - cathode, the arc propagates from one or from a very limited number of cathode spots over a very limited region of this anode. An increase in the arc current is accompanied by an increase in the arc resistance, and as a result, an increase in the arc current is accompanied by an increase in the arc voltage. As a result of this, at this initial stage of the arc discharge, the voltage – arc current characteristic has a positive gradient.
Когда, однако, в результате дальнейшего повышения тока дуги число катодных пятен возрастает и, как указывалось ранее, они перемещаются в произвольном направлении по всей поверхности катода, объем дуги существенно возрастает и как следствие плотность пара в этой дуге существенно снижается, а вместе с ней и сопротивление дуги. Как следствие характеристика напряжение - ток этой дуги переходит на участок отрицательного градиента. When, however, as a result of a further increase in the arc current, the number of cathode spots increases and, as indicated earlier, they move in an arbitrary direction along the entire surface of the cathode, the volume of the arc increases significantly and, as a result, the vapor density in this arc decreases significantly, and with it arc resistance. As a result, the voltage-current characteristic of this arc passes to the negative gradient section.
Если теперь, однако, плотность пара в этой дуге повышается за пределы заданного критического значения, например за счет непрерывного повышения тока дуги и последующего роста парообразования поверхностью этого катода, как было показано, что характеристика напряжение - ток этой дуги еще раз переходит в область положительного градиента. If now, however, the vapor density in this arc rises beyond the specified critical value, for example, due to the continuous increase in the arc current and the subsequent increase in vaporization by the surface of this cathode, it was shown that the voltage-current characteristic of this arc once again goes into the region of a positive gradient .
Кроме того, было показано автором настоящего изобретения, что переход этой характеристики напряжение - ток от участка с отрицательным градиентом к участку с положительным градиентом может быть достигнут за счет того, что объем этого дугового разряда или площадь его поперечного сечения не превысит определенного критического значения, учитывая, что как следствие этого плотность пара в ограниченном объеме дуги отрицательно высока. Другими словами, этот переход от отрицательного к положительному градиенту характеристики напряжение - ток достигается за счет повышения тока дуги при поддержании поперечного сечения дуги существенно постоянным или его уменьшении. In addition, it was shown by the author of the present invention that the transition of this voltage-current characteristic from a region with a negative gradient to a region with a positive gradient can be achieved due to the fact that the volume of this arc discharge or its cross-sectional area does not exceed a certain critical value, given , which, as a consequence of this, the vapor density in a limited arc volume is negatively high. In other words, this transition from a negative to a positive gradient of the voltage-current characteristic is achieved by increasing the arc current while maintaining the arc cross section substantially constant or decreasing it.
Теперь, ввиду того, что действие дуги на обрабатываемую поверхность неизменно имеет место в области катодного пятна, тот факт, что катодные пятна перемещаются беспорядочно по этой поверхности, подлежащей обработке, должен привести к возрастанию неравномерности обработки этой поверхности. Now, in view of the fact that the action of the arc on the surface to be treated invariably takes place in the region of the cathode spot, the fact that the cathode spots move randomly on this surface to be treated should increase the unevenness of processing of this surface.
Попытка преодолеть проблемы, возникающие в результате этого беспорядочного перемещения катодных пятен по поверхности катода, предпринята в заявке на Европейский патент [4, 5], где раскрываются средства для управления этим движением катодных пятен по поверхности катода в желаемом направлении. Однако в этой заявке на Европейский патент неоднократно подчеркивается, что дуга, которая генерируется, обладает характеристикой напряжение - ток, имеющей отрицательный градиент и, кроме того, ясно, что эти отрицательные градиенты возникают ввиду того факта, что режим приложения напряжения дуги между катодом и анодом таков, что эта дуга занимает максимальный объем с соответственно максимальным диаметром поперечного сечения. An attempt to overcome the problems resulting from this random movement of cathode spots along the cathode surface was made in the European patent application [4, 5], which discloses means for controlling this movement of cathode spots along the cathode surface in the desired direction. However, this European patent application repeatedly emphasizes that the arc that is generated has a voltage-current characteristic having a negative gradient and, moreover, it is clear that these negative gradients arise due to the fact that the mode of application of the arc voltage between the cathode and anode such that this arc occupies a maximum volume with a correspondingly maximum cross-sectional diameter.
Теперь уже известно, что обработка поверхности катода дуговым разрядом, имеющим такой отрицательный градиент характеристик напряжение - ток, влечет за собой определенные недостатки, среди которых имеется и тот, что такая обработка является продолжительной по времени и неэкономичной. It is now known that the treatment of the cathode surface by an arc discharge having such a negative gradient of voltage-current characteristics entails certain disadvantages, among which there is one that such processing is time-consuming and uneconomical.
Настоящее изобретение, с другой стороны, основано на удивительном открытии, что когда поверхность, подлежащая обработке, подвергается воздействию вакуумного дугового разряда, имеющего положительный градиент напряжение - ток и достаточно высокий ток дуги (больше, чем 50 А), может быть достигнута повышенная эффективность обработки поверхности катода. The present invention, on the other hand, is based on the surprising discovery that when a surface to be treated is exposed to a vacuum arc discharge having a positive voltage-current gradient and a sufficiently high arc current (greater than 50 A), increased processing efficiency can be achieved. cathode surface.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ обработки металлической заготовки, при котором между основной экспонируемой частью анода и последовательными ограниченными площадями первой поверхности заготовки, действующей как катод, генерируется дуговой разряд в вакууме, имеющий ток дуги, который несущественно меньше, чем 50 А, и имеющий положительный градиент напряжение - ток. In accordance with the present invention, there is provided a method for processing a metal billet, in which an arc discharge is generated in a vacuum between the main exposed part of the anode and consecutive limited areas of the first surface of the billet, acting as a cathode, having an arc current that is not significantly less than 50 A and having positive gradient voltage - current.
Этим способом в соответствии с настоящим изобретением обеспечивается то, что дуга поддерживается столько времени, сколько необходимо в стабильном режиме, и то, что в каждой ограниченной площади создается существенное число больших катодных пятен LS. Благодаря их относительно большому размеру и низкой скорости перемещения они более эффективны при равномерной обработке, например при обработке этой ограниченной площади перед тем, как следующая ограниченная площадь будет экспонироваться для этого разряда. By this method in accordance with the present invention, it is ensured that the arc is maintained for as long as necessary in a stable mode, and that a significant number of large cathode spots LS are created in each limited area. Due to their relatively large size and low speed of movement, they are more effective in uniform processing, for example when processing this limited area before the next limited area will be exposed for this discharge.
Обеспечивая то, что эта дуга генерируется между ограниченной площадью и основной экспонируемой частью анода, исключается нежелательное плавление анода (которое могло бы иметь место, если бы этот разряд был сконцентрирован в малой площади анода). Сообщая относительное движение между этой заготовкой и анодом и обеспечивая минимальное расстояние между анодом и ограниченной площадью, между которой и анодом должен быть создан дуговой разряд, обеспечиваются условия, при которых обрабатываются последующие ограниченные площади этой заготовки, и таким образом осуществляется равномерная обработка или очистка всей поверхности этой заготовки. By ensuring that this arc is generated between the limited area and the main exposed part of the anode, unwanted melting of the anode is avoided (which could have occurred if this discharge had been concentrated in a small area of the anode). By communicating the relative motion between this workpiece and the anode and providing a minimum distance between the anode and the limited area between which the anode must be created by an arc discharge, conditions are ensured under which subsequent limited areas of this workpiece are processed, and thus uniform processing or cleaning of the entire surface this blank.
Для обеспечения того, чтобы дуговой разряд между анодом и конкретной ограниченной площадью, расположенной на минимальном расстоянии от него, имел положительный градиент напряжение - ток, предпочтительно сделать так, чтобы каждая ограниченная площадь, связанная в это время с этим дуговым разрядом, была бы связана с участком низкого сопротивления заготовки. Этого можно добиться, например, обеспечением того, чтобы напряжение дуги было приложено к второй и противоположной поверхности заготовки с помощью одного или более контактов, которые определяют конкретную часть поверхности, часть, являющуюся противоположной и имеющей по существу одинаковую протяженность в пространстве с этой конкретной ограниченной площадью. И наоборот эта область заготовки, связанная с конкретной ограниченной площадью, может охладиться для создания области низкого напряжения. In order to ensure that the arc discharge between the anode and the specific limited area located at a minimum distance from it has a positive voltage-current gradient, it is preferable that each limited area associated at that time with this arc discharge be associated with low resistance section of the workpiece. This can be achieved, for example, by ensuring that the arc voltage is applied to the second and opposite surface of the workpiece using one or more contacts that define a specific part of the surface, a part that is opposite and having substantially the same extent in space with this particular limited area . Conversely, this area of the workpiece, associated with a specific limited area, can be cooled to create a low voltage region.
Альтернативным средством обеспечения того, чтобы дуговой разряд генерировался между конкретной ограниченной площадью поверхности и анодом, является электромагнитное облучение этой площади с целью ее нагрева, вызывающего определенную степень термо-ионной эмиссии, которая способствует ограничению дуги к этой площади. An alternative means of ensuring that an arc discharge is generated between a specific limited surface area and the anode is by electromagnetic irradiation of this area to heat it, causing a certain degree of thermionic emission, which helps limit the arc to that area.
Еще одним средством обеспечения дуги между анодом и ограниченной площадью поверхности является точное наложение на эту конкретную ограниченную площадь электрически изолированного тела, имеющего элементы, находящиеся в электрическом контакте с конкретной ограниченной площадью. Another means of providing an arc between the anode and a limited surface area is to precisely superimpose on this particular limited area an electrically insulated body having elements in electrical contact with a specific limited area.
Во всех случаях, когда дуга попадает исключительно в пространство между конкретной ограниченной площадью поверхности и анодом, а характеристика напряжение - ток этой дуги имеет положительный градиент с током дуги больше, чем 50 А, этот дуговой разряд в относительно высокой степени сконцентрирован в минимальном объеме, а на ограниченной площади поверхности сформировано множество катодных пятен LS, которые особенно эффективны для равномерной и экономичной обработки конкретной ограниченной площади поверхности. In all cases when the arc falls exclusively into the space between a specific limited surface area and the anode, and the voltage-current characteristic of this arc has a positive gradient with an arc current of more than 50 A, this arc discharge is concentrated to a very high degree in a minimum volume, and a plurality of LS cathode spots are formed on a limited surface area, which are particularly effective for uniformly and economically treating a particular limited surface area.
Будет показано, что хотя катодные пятна LS сконцентрированы в конкретной ограниченной площади обрабатываемой поверхности, пятна SF также образуются. Для обеспечения того, чтобы эти катодные пятна SF перемещались в заданном направлении, которое предпочтительно совпадает с направлением обработки заготовки, генерирующее напряжение дополнительно прикладывается к заготовке через один или более вспомогательных контактов, которые расположены вдоль заданного направления. Предпочтительным является, чтобы от 85 до 95% общего тока дуги протекало через эту ограниченную площадь поверхности, а остальная часть этого тока протекала через вспомогательные электроды. Таким образом, когда конкретная ограниченная площадь эффективно обрабатывается с помощью катодных пятен LS, последующая область подвержена воздействию пятен SF. Эти пятна являются эффективными при осуществлении предварительной обработки площади заготовки, расположенной между конкретной ограниченной площадью и областью расположения вспомогательных контактов и, таким образом, облегчается последующая основная обработка этой поверхности, при этом относительное смещение заготовки по отношению к аноду станет эффективным при размещении ограниченной площади в области, уже предварительно обработанной. It will be shown that although LS cathode spots are concentrated in a specific limited area of the treated surface, SF spots are also formed. To ensure that these cathode spots SF move in a predetermined direction, which preferably coincides with the processing direction of the workpiece, the generating voltage is additionally applied to the workpiece through one or more auxiliary contacts that are located along a given direction. It is preferable that 85 to 95% of the total arc current flows through this limited surface area, and the rest of this current flows through the auxiliary electrodes. Thus, when a particular limited area is effectively treated with LS cathode spots, the subsequent area is affected by SF spots. These spots are effective in pre-processing the area of the workpiece located between a specific limited area and the area of location of the auxiliary contacts and, thus, facilitates the subsequent main processing of this surface, while the relative displacement of the workpiece relative to the anode will become effective when placing a limited area in the area already pre-processed.
Когда обработка поверхности, которая только что была описана, используется для предварительной очистки заготовки, могут быть использованы дополнительные средства, если необходимо, для нанесения покрытия этой заготовки с помощью методов испарения. Так, в корпус может быть включен испаряющий электрод, который, например, может резистивно нагреваться так, чтобы испарять материал покрытия для осаждения его на заготовку после того, как она будет предварительно очищена способом, описанным выше. Кроме того, для эффективного обогрева этого испаряющего электрода может быть обеспечено дополнительное средство дугового разряда, такое, чтобы вызвать его эффективное испарение. When the surface treatment that has just been described is used to pre-clean a workpiece, additional means can be used, if necessary, to coat this workpiece using evaporation methods. Thus, an evaporation electrode can be included in the housing, which, for example, can be resistively heated so as to vaporize the coating material to deposit it on the workpiece after it has been previously cleaned by the method described above. In addition, for efficient heating of this vaporizing electrode, an additional arc discharge means can be provided, such as to cause its effective evaporation.
Данное изобретение также предусматривает устройство для осуществления способа в соответствии с данным изобретением. The present invention also provides a device for implementing the method in accordance with this invention.
Для того чтобы дуговой разряд был равномерно распределен по экспанируемой поверхности анода, предлагается формировать этот анод из внешнего и внутреннего тела, с этим внутренним телом, имеющим более высокую электрическую проводимость, чем проводимость внешнего тела, с напряжением этой дуги, приложенным между заготовкой и внутренним телом, в то время как дуговой разряд генерируется между этим внешним телом и ограниченной областью заготовки. Во время генерации дугового разряда область внешнего тела, связанная с этим разрядом, нагревается, тем самым повышая его электрическое сопротивлениие, а дуга автоматически переходит к относительно холодной области более низкого сопротивления этого внешнего тела, и таким образом дуга равномерно распределяется по экспанируемой поверхности этого внешнего тела. In order for the arc discharge to be evenly distributed over the exposed surface of the anode, it is proposed to form this anode from the external and internal body, with this internal body having higher electrical conductivity than the conductivity of the external body, with the voltage of this arc applied between the workpiece and the internal body , while an arc discharge is generated between this external body and the limited area of the workpiece. During the generation of the arc discharge, the area of the external body associated with this discharge is heated, thereby increasing its electrical resistance, and the arc automatically switches to the relatively cold region of lower resistance of this external body, and thus the arc is evenly distributed over the expanible surface of this external body .
Предпочтительно, чтобы анод имел кольцевую форму, облегчающую однородную обработку удлиненной заготовки, проходящей таким образом. Preferably, the anode has an annular shape that facilitates uniform processing of the elongated workpiece passing in this way.
Предпочтительно, чтобы в случае обработки плоских поверхностей анод был сформирован из внешнего и внутреннего коаксиальных цилиндрических тел, находящихся в тесном электрическом контакте, причем были предусмотрены средства для сообщения аноду непрерывного или дискретного вращательного смещения. Preferably, in the case of processing flat surfaces, the anode is formed from external and internal coaxial cylindrical bodies in close electrical contact, and means are provided for communicating to the anode a continuous or discrete rotational displacement.
На фиг. 1 показано схематическое представление устройство такого типа для обработки поверхности металлической заготовки, к которому должны быть применимы базовые концепции настоящего изобретения; на фиг. 2 - схема использования дугового разряда в вакууме для последовательной очистки удлиненного предмета; на фиг. 3 - схема применения одного воплощения дугового разряда в соответствии с изобретением; на фиг. 4 - схема применения другой формы дугового разряда настоящего изобретения; на фиг. 5 - схема применения еще одной формы дугового разряда в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 6 - в увеличенном масштабе поперечное сечение анода, использованного в устройстве дугового разряда в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 7 - схема части анода другой формы вместе с движущейся заготовкой в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 8 - вид сбоку на анод другой формы для использования в устройстве дугового разряда в соответствии с изобретением; на фиг. 9 - схематическое представление другого воплощения устройства в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для обработки удлиненного движущегося объекта; на фиг. 10 - виды a, b и c в увеличенном масштабе различных вариантов детали устройства, показанного на фиг. 9; на фиг. 11 - схематическое представление устройства еще одной формы в соответствии с этим изобретением, предназначенного для обработки внутренней поверхности удлиненного трубчатого объекта; на фиг. 12 - схематическое представление устройства для очистки и покрытия объекта в соответствии с настоящим изобретением; на фиг. 13 -схематическое представление устройства для очистки и нанесения покрытия на объект в соответствии с настоящим изобретением, использующего газовые разряды для обеих целей; на фиг. 14 - схема действия на испаряющий элемент различных применений дугового разряда;на фиг. 15 - схема части устройства в соответствии с настоящим изобретением, для нанесения покрытия на объект неправильной формы. In FIG. 1 is a schematic representation of a device of this type for surface treatment of a metal billet, to which the basic concepts of the present invention should be applicable; in FIG. 2 is a diagram of using an arc discharge in a vacuum for sequential cleaning of an elongated object; in FIG. 3 is a diagram of the application of one embodiment of an arc discharge in accordance with the invention; in FIG. 4 is a diagram of the application of another form of arc discharge of the present invention; in FIG. 5 is a diagram illustrating the use of yet another form of arc discharge in accordance with the present invention; in FIG. 6 is an enlarged view of a cross section of an anode used in an arc discharge device in accordance with the present invention; in FIG. 7 is a diagram of a portion of an anode of another shape together with a moving workpiece in accordance with the present invention; in FIG. 8 is a side view of an anode of another shape for use in an arc discharge device in accordance with the invention; in FIG. 9 is a schematic representation of another embodiment of a device in accordance with the present invention for processing an elongated moving object; in FIG. 10 is an enlarged view of a, b, and c of various embodiments of a detail of the apparatus shown in FIG. 9; in FIG. 11 is a schematic representation of a device of yet another shape in accordance with this invention, designed to process the inner surface of an elongated tubular object; in FIG. 12 is a schematic representation of an apparatus for cleaning and coating an object in accordance with the present invention; in FIG. 13 is a schematic representation of a device for cleaning and coating an object in accordance with the present invention using gas discharges for both purposes; in FIG. Fig. 14 is a diagram of the action on the evaporating element of various applications of the arc discharge; 15 is a diagram of a portion of a device in accordance with the present invention for coating an irregularly shaped object.
На фиг. 1 и 2 в схематической форме показан тип устройства для обработки поверхности металлической заготовки, к которому должны быть применимы базовые концепции настоящего изобретения. In FIG. 1 and 2 show in schematic form a type of apparatus for surface treatment of a metal billet, to which the basic concepts of the present invention are applicable.
Как видно из фиг. 1, это устройство содержит корпус 1, сообщающийся через соответствующий клапан 2, с вакуумным насосом 3, с помощью которого может быть создан соответствующий вакуум в этом корпусе 1. Кроме того, этот корпус 1 обеспечен впускным портом 4, который сообщается через клапан 5 с источником (не показан) газов для введения в корпус 1. Положение анода 6 в точности напротив катода 7 (последний схематически представляет заготовку, подлежащую обработке), и электроды соответственно имеют электрические проводники 8, 9, которые герметично проходят через корпус 1. Источник 10 электрического питания через выключатель 11 и резистор 12 присоединен к этим проводникам 8, 9 и параллельно, через резистор 13 и выключатель 14 - к запускающему электроду 15, язычок которого расположен между анодом 6 и катодом 7. As can be seen from FIG. 1, this device comprises a
Когда воздух из корпуса 1 откачан с помощью вакуумного насоса 3 и в него введены соответствующие газы через впускной порт 4 до подходящего низкого давления, замыкание выключателей 11 и 14 приводит в тому, что запускающий электрод 15 переключается на газовый разряд между анодом 6 и катодом 7, после чего выключатель 14 может быть разомкнут. When the air from the
Действие газового разряда, который возникает между анодом 6 и катодом (заготовкой) 7, является эффективным для обработки поверхности, такой, например, как удаление окалины с заготовки. Для обеспечения того, чтобы этот газовый разряд был ограничен противолежащими поверхностями анода 6 и катода 7, оба электрода обеспечены соответствующими экранами 6а и 7а. The action of a gas discharge that occurs between the anode 6 and the cathode (preform) 7 is effective for surface treatment, such as, for example, the removal of scale from the preform. To ensure that this gas discharge is limited by the opposite surfaces of the anode 6 and cathode 7, both electrodes are provided with respective shields 6a and 7a.
На фиг. 2 в схематической форме показано использование дугового разряда в вакууме для последовательной очистки удлиненного объекта 17, такого, например, как трубка, провод или лист. В этом случае удлиненный объект 17, который проходит герметично через корпус 18, с откачанным воздухом, составляет эффективный катод, а корпус обеспечен управляемым с помощью вентиля впускным портом газа 19 и портом 20 для снятия вакуума. In FIG. 2 shows in schematic form the use of an arc discharge in vacuum for sequential cleaning of an
Анод 21 расположен над удлиненной заготовкой 17 и снабжен проводником 22, который проходит через этот корпус 18 для соединения с положительным полюсом источника напряжения (не показан). Еще один проводник 23 проходит герметично через корпус 18 и с одной стороны его соединяется с отрицательным полюсом источника напряжения, а с другой стороны его соединяется с контактом 24, который создает электрический контакт с объектом 17, в то же время обеспечивается возможность для относительного движения этого объекта 17 по отношению к контакту 24. Этот объект проходит через соответствующий экран 25, функцией которого является ограничение распространения дугового разряда. The
Как показано выше, возникновение дугового разряда в вакууме между анодом и катодом, без принятия специальных мер для ограничения дугового разряда и ограниченным площадям поверхности катода приводит к образованию на расширенной площади поверхности катода катодных пятен, которые перемещаются по этой поверхности катода абсолютно хаотически, и как следствие такой газовый разряд не способствует однородной обработке поверхности катода. Кроме того, как объяснялось выше, такая работа газового разряда отличается наличием характеристик напряжение - ток с отрицательным градиентом. As shown above, the occurrence of an arc discharge in vacuum between the anode and cathode, without taking special measures to limit the arc discharge and limited cathode surface areas, leads to the formation of cathode spots on the extended cathode surface area, which move along this cathode surface absolutely randomly, and as a result such a gas discharge does not contribute to a uniform surface treatment of the cathode. In addition, as explained above, such a gas discharge operation is characterized by the presence of voltage-current characteristics with a negative gradient.
Настоящее изобретение основано на открытии того факта, что гораздо более эффективная однородная обработка может быть получена, когда дуговой разряд работает с характеристикой напряжение - ток, имеющей положительный градиент, и это с током дуги, не меньше, чем 50 А, и с этим дуговым разрядом существенно равномерно распределенным по всей экспонируемой части анода. The present invention is based on the discovery of the fact that a much more efficient uniform treatment can be obtained when the arc discharge operates with a voltage-current characteristic having a positive gradient, and this with an arc current of not less than 50 A and with this arc discharge substantially uniformly distributed throughout the exposed part of the anode.
К тому же было установлено, что для того, чтобы работать с таким положительным градиентом характеристики напряжение - ток дуги, необходимо ограничить объем и, следовательно, поперечное сечение этой дуги, в то же время повышен ток дуги и этим повышена плотность паров в этой дуге с последующим ростом сопротивления. Это достигается в соответствии с изобретением, принятием мер, чтобы эта дуга могла генерироваться в любое конкретное время между основной экспонируемой частью анода и ограниченной площадью этой заготовки. Более того, как указывалось ранее, один метод обеспечения сужения этой дуги к ограниченной площади заключается в том, чтобы создать области с низким сопротивлением в этой заготовке, области, которые соответственно связаны с заданными ограниченными площадями. In addition, it was found that in order to work with such a positive gradient of the voltage - arc current characteristic, it is necessary to limit the volume and, therefore, the cross section of this arc, at the same time, the arc current is increased and this increases the vapor density in this arc with subsequent increase in resistance. This is achieved in accordance with the invention, taking measures so that this arc can be generated at any particular time between the main exposed part of the anode and the limited area of this workpiece. Moreover, as mentioned earlier, one method of narrowing this arc to a limited area is to create areas with low resistance in this workpiece, areas that are associated with predetermined limited areas.
На фиг. 3, 4 и 5 в схематическом виде показано, как образуются такие ограниченные площади путем создания областей с низким давлением. Таким образом, как показано на фиг. 3, удлиненная заготовка 31, которая проходит герметично через корпус с откачанным воздухом (не показан), составляет катод, который расположен напротив анода 32. Последний соединен с положительным полюсом источником электрического напряжения (не показан). Отрицательный полюс этого источника электрического напряжения соединен с заготовкой 31 через проводник 33 и многоточечный контакт 34, например кольцеобразный контакт, который контактирует с этой поверхностью заготовки 31, расположенный напротив поверхности, экспонированной в сторону анода. Область заготовки, связанная с ее поверхностью, определенной этим многоточечным контактом 34, является областью низкого сопротивления (по сравнению с остающимися частями этой заготовки) и эта область поэтому будет связана с ограниченной площадью поверхности заготовки, экспонированной аноду. In FIG. 3, 4 and 5 show in schematic form how such limited areas are formed by creating low pressure areas. Thus, as shown in FIG. 3, an
Еще более понизить сопротивление этой области можно путем ее охлаждения, причем в качестве приспособления для охлаждения может служить контакт 34 (например, полый), охлаждаемый любым известным способом. Дуговой разряд будет предпочтительно создан между этой ограниченной площадью поверхности и анодом. Изолирующие экраны 35, 36 установлены так, чтобы не допустить распространения этих дуговых разрядов в нежелательных направлениях. Как видно, дуговой разряд 37, который генерируется между основной частью анода и этой ограниченной областью, расположенной напротив многоточечного контакта 34, представляет собой ограниченное поперечное сечение и осуществляется в области наиболее близкого возможного расстояния между заготовкой и анодом. To further reduce the resistance of this region, it can be cooled, and contact 34 (for example, hollow), cooled by any known method, can serve as a cooling device. An arc discharge will preferably be created between this limited surface area and the anode. Insulating shields 35, 36 are installed so as to prevent the spread of these arc discharges in undesirable directions. As can be seen, the
Путем сужения дугового разряда к ограниченной площади поверхности повышают плотность паров в дуговом разряде. Как следствие характеристика напряжение - ток этой дуги имеет положительный градиент и установлено, что здесь, на этой ограниченной площади поверхности формируется множество катодных пятен LS, которые создают условия для равномерной обработки, то есть для очистки этой ограниченной площади поверхности. При непрерывном или дискретном смещении заготовки 32 в направлении, указанном стрелкой, со смещением, имеющим место по отношению к фиксированному аноду 32 и многоточечному контакту 34, последующие ограниченные площади поверхности смещаются в область минимального расстояния, "лицом к лицу" к аноду и подвергаются воздействию этих катодных пятен LS, которые сформированы на нем. Тем самым обрабатываются последующие ограниченные площади поверхности этой заготовки, и эта поверхность заготовки в целом равномерно подвергается воздействию дугового разряда. Таким образом, направление обработки заготовки противоположно направлению относительного смещения ее "лицом к лицу" к аноду. By narrowing the arc discharge to a limited surface area, the vapor density in the arc discharge is increased. As a result, the voltage-current characteristic of this arc has a positive gradient and it has been established that here, on this limited surface area, many LS cathode spots are formed, which create conditions for uniform processing, that is, for cleaning this limited surface area. With continuous or discrete displacement of the
Будет понятно, что хотя сформированы катодные пятна LS, в этих ограниченных площадях генерируется существенное число катодных пятен SF и, если не принимать никаких мер, эти катодные пятна SF, которые выходят за пределы этой ограниченной поверхности, будут двигаться около нее хаотически по поверхности заготовки. Для того чтобы контролировать и направлять движение этих катодных пятен SF, сделаны приспособления, как те, что показаны схематически на фиг. 4,5. Так, например, как показано на фиг. 4, отрицательный полюс источника напряжения соединен параллельно с многоточечным контактом 34, и с контактом 37 в направлении против потока этого многоточечного контакта 34 по сравнению с направлением относительного смещения. Благодаря этому приспособлению было установлено, что в то время, как катодные пятна LS эффективно обрабатывают эту ограниченную площадь поверхности, катодные пятна SF перемещаются по этой поверхности в направлении контакта 37, осуществляя предварительную обработку области, расположенной между многоточечным контактом 34 и контактом 37. Таким образом здесь облегчается последующая полная обработка этой области пятнами LS, как только движение заготовки выведет последующие площади этой поверхности в область действия дугового разряда. It will be understood that although LS cathode spots are formed, a significant number of SF cathode spots are generated in these limited areas and, if no measures are taken, these SF cathode spots that extend beyond this limited surface will randomly move around it along the surface of the workpiece. In order to control and direct the movement of these cathode spots SF, devices are made, such as those shown schematically in FIG. 4,5. For example, as shown in FIG. 4, the negative pole of the voltage source is connected in parallel with the
Фиг. 5 показывает дальнейшее развитие этой идеи, согласно которой еще один вспомогательный контакт 38 соединяется параллельно с многоточечным контактом 34 и со вспомогательным контактом 37 в положении, отстоящем дальше вдоль направления заготовки 31, по отношению к направлению ее относительного смещения, обеспечивая тем самым, что даже наиболее быстро движущиеся катодные пятна SF будут направлены в желаемом заданном направлении,и осуществляя предварительную обработку этой поверхности, предшествующую ее основной обработке частью этого дугового разряда. FIG. 5 shows a further development of this idea, according to which another
Таким образом, в случае воплощений, показанных на фиг. 3,4 и 5, предварительная обработка (например, очистка) заготовки 34 будет иметь место благодаря направленным катодным пятнам SF, а окончательная обработка будет осуществляться с помощью катодных пятен LS. Thus, in the case of the embodiments shown in FIG. 3,4 and 5, pre-treatment (for example, cleaning) of the
На практике рекомендуется, чтобы от 85 до 95% полного тока дуги в любое время протекало через этот многоточечный контакт, который создает ограниченную площадь поверхности, которая обрабатывается, тогда как от 5 до 15% этого полного тока дуги протекает через вспомогательные электроды. In practice, it is recommended that from 85 to 95% of the total arc current flow through this multipoint contact at any time, which creates a limited surface area that is being processed, while from 5 to 15% of this total arc current flows through the auxiliary electrodes.
Теперь обратимся к фиг.6 для описания конструкции анода 32. Этот анод содержит внешнее тело 39, в которое встроено внутреннее тело 40. Этот анод 32 окружен, за исключением его передней части, экраном 41, через который экран проходит изолированный контакт 42 анода для соединения с положительным полюсом источника напряжения. Хотя внутреннее тело 40 сформировано из хорошо проводящего материала, например такого, как медь, внешнее тело 39 сформировано из относительно менее проводящего высокоогнеупорного материала, такого, как нержавеющая сталь, инконел или т.п. В аноде, сконструированном таким образом, часть поверхности главного тела 39 анода, испытывающая воздействие дугового разряда, разогревается, в результате чего ее электрическое сопротивление возрастает, и дуга автоматически смещается в другую часть поверхности анода, которая осталась более холодной, учитывая, что эта часть представляет путь с более низким сопротивлением к внутреннему телу 40. Такая процедура продолжается, приводя в результате к непрерывному равномерному распределению этого дугового разряда по всей экспонируемой поверхности анода, и тем самым как бы снижая плавление анода и способствуя относительному удлинению его срока службы. Как можно видеть, это внутреннее тело 40 имеет сквозное отверстие для прохода через него охлаждающей жидкости, тем самым усиливая охлаждение тех частей внешнего тела 39, которые в любой конкретный момент времени не нагреваются этим дуговым разрядом. Now let us turn to Fig. 6 to describe the construction of the
В воплощении, показанном на фиг. 7, кольцевой анод 43 расположен внутри кольцевого экрана 44, с удлиненной заготовкой 31, смещаемой в направлении, указанном стрелкой, через этот кольцевой экран 44 и кольцевой анод 43. Если теперь эту заготовку начать вращать вокруг ее продольной оси внутри и относительно анода 43, и в то же время смещать эту заготовку 31 в осевом направлении через анод 43, то обрабатываемые ограниченные площади этой поверхности сформируют эффективную спиральную дорожку на этой заготовке 31, с результирующей эффективной обработкой поверхности всей заготовки 31. In the embodiment shown in FIG. 7, the
Приведенный пример является только одним из многих примеров, в которых образуются ограниченные площади поверхности в направлении, перпендикулярном к направлению смещения заготовки в целом. The above example is only one of many examples in which limited surface areas are formed in a direction perpendicular to the direction of displacement of the workpiece as a whole.
Как видно из фиг. 7, эта заготовка имеет подобный втулке экран 45, который предназначен для того, чтобы ограничить области заготовки, между которыми и анодом может распространяться дуговой разряд. С другой стороны, как можно видеть, этот экран 45 имеет узкие удлиненные прорези 46, разрешающие прохождение через прорези катодных пятен SF в направленные против потока части заготовки по отношению к направлению смещения этой заготовки так, чтобы облегчить их обработку. As can be seen from FIG. 7, this preform has a sleeve-
В воплощении, показанном на фиг. 8, сконструированном специально для использования удлиненных пластиноподобных заготовок, имеется цилиндрический анод 47. Этот анод 47 содержит внешний трубчатый элемент 48, изготовленный из высокоогнеупорного материала, и внутренний трубчатый элемент 49, изготовленный из материала с очень низким сопротивлением. Этот анод 49 вращается (непрерывно или дискретно) вокруг центральной оси, через которую может протекать охлаждающая жидкость, и которая также служит в качестве электрического проводника, с помощью которого и проводящей кисти 51 анод может соединяться с источником напряжения (не показан). Кроме того, анод 47 имеет окружающие экраны 52, предназначенные для того, чтобы ограничивать распространение дугового разряда. In the embodiment shown in FIG. 8, designed specifically for use with elongated plate-like blanks, there is a
Через экран 52 проходит стержень скребка 53, имеющий средство привода 54, для отделения от поверхности анода накопленных продуктов испарения или отложенных другим способом материалов. A
Хотя в только что описанном устройстве эти ограниченные площади поверхности связаны с областями низкого сопротивления, генерируемыми многоточечным контактом с заготовкой, такие площади низкого сопротивления могут быть созданы, например, путем охлаждения конкретных областей, связанных с ограниченными поверхностями, понижая таким образом их электрическое сопротивление. Although in the device just described, these limited surface areas are associated with areas of low resistance generated by multipoint contact with the workpiece, such areas of low resistance can be created, for example, by cooling specific areas associated with limited surfaces, thereby reducing their electrical resistance.
Альтернативным режимом генерации ограниченных площадей поверхности, между которыми и анодом концентрируется дуговой разряд, является облучение этих площадей соответствующим электромагнитным излучением, таким, например, как лазерное излучение. Последовательный разогрев этих площадей таким излучением результируется в определенной степени испарения и последующей ионизации, что способствует дуговому разряду между этими площадями и анодом. Однако, следует понимать, что для противодействия разогреву области заготовки, связанной с этими площадями в результате излучения, области сами должны дополнительно охлаждаться. An alternative mode of generation of limited surface areas between which the anode is concentrated and the anode is irradiation of these areas with appropriate electromagnetic radiation, such as laser radiation. Sequential heating of these areas with such radiation results in a certain degree of evaporation and subsequent ionization, which contributes to the arc discharge between these areas and the anode. However, it should be understood that in order to counteract the heating of the preform region associated with these areas as a result of radiation, the regions themselves must be further cooled.
Еще одним способом обеспечения дуги к ограниченной площади поверхности является образование мелких вмятин до или во время обработки дугой и наличие этих вмятин ограничивает движение катодных пятен LS. Эти вмятины могут быть первоначально образованы вдоль продольного направления заготовки для направления катодных пятен SF и обычно для концентрации катодных пятен LS. Another way of providing an arc to a limited surface area is the formation of small dents before or during arc treatment and the presence of these dents limits the movement of the LS cathode spots. These dents may initially be formed along the longitudinal direction of the workpiece to guide the cathode spots SF and usually for the concentration of cathode spots LS.
Альтернативным или дополнительным способом обеспечения дуги в области между ограниченной площадью поверхности и анодом является расположение на границе ограниченной площади поверхности электрически изолированного тела, имеющего зубцы, которые находятся в последовательном электрическом контакте с ограниченной площадью. Фактический контакт зубцов с ограниченной площадью заготовки и движение заготовки по отношению к зубцам создает условия для определенной степени искрения, которое в свою очередь вызывает ограничение дугового разряда к ограниченной площади поверхности, в которой имеет место искрение. Кроме того, зубцы эффективны в захватывании этих катодных пятен. An alternative or additional way to provide an arc in the region between the limited surface area and the anode is to arrange on the boundary of the limited surface area an electrically isolated body having teeth that are in series with the limited area in electrical contact. Actual contact of the teeth with a limited area of the workpiece and the movement of the workpiece with respect to the teeth creates conditions for a certain degree of arcing, which in turn limits the arc discharge to a limited surface area in which arcing takes place. In addition, the teeth are effective in capturing these cathode spots.
Использование такого электрически изолированного тела в схематической форме проиллюстрировано на фиг. 9. Как видно из фигуры, удлиненный объект 57, например провод или тому подобное, подвергается очистке дуговым разрядом в вакууме. Для этого объект 57 смещается в продольном направлении, сохраняя хороший электрический контакт с множеством проводящих роликов 58, которые в свою очередь соединены с отрицательным полюсом источника напряжения. Объект 57 проходит через вращающийся трубчатый экран 59 с прорезями до того, как пройти через кольцевой анод 60, который в свою очередь соединен с положительным полюсом источника напряжения. Анод 60 имеет трубчатый экран 61 для предотвращения генерации дуговых разрядов в нежелательных частях заготовки 57 и анода 60. The use of such an electrically insulated body in schematic form is illustrated in FIG. 9. As can be seen from the figure, an
Напротив заготовки 57 и в непосредственной близости к аноду 60 находится изолированное тело 62, от которого зависят электрически проводящие зубцы 63, находящиеся в электрическом контакте с объектом 57. Opposite the
При работе контакт зубца 63 с движущимся объектом 57 захватывает катодные пятна и вызывает искрение, в результате чего область искрения становится ограниченной площадью поверхности, между которой и анодом 60 образуется относительно узкий дуговой разряд. Ограниченная площадь эффективно очищается этим дуговым разрядом. В то же время зубцы 63, опирающиеся на объект 57, и непрерывное движение этого объекта 57 относительно зубцов 63 создают эффект механической очистки, который вносит существенный вклад или дополнение к эффекту очистки, создаваемому этим дуговым разрядом. In operation, the contact of the
Будет показано, что в то время, как действие зубцов 63 на поверхность объекта 57 служит определению этой ограниченной площади поверхности, между которой и анодом ограничен этот основной дуговой разряд, существенное число катодных пятен SF будет иметь тенденцию двигаться в направлении роликов 58. Обеспечив, чтобы скорость смещения объекта 57 существенно равнялась средней скорости смещения этих катодных пятен в противоположном направлении, можно добиться, чтобы общая масса этих катодных пятен LS оставалась существенно стационарной, хотя те катодные пятна SF, которые тем не менее движутся в направлении роликов 58, выполняют предварительную очистку этого объекта. It will be shown that while the action of the
Средняя скорость движения этих катодных пятен V для объекта, имеющего равномерную толщину, может быть задана следующим выражением:
V = V0e-kt,
где V0 - константа для материала, который обрабатывается (например, для стали V0 = 102 см/с);
k - эмпирический коэффициент 0,44;
t - толщина окалины, мкм.The average velocity of these cathode spots V for an object having a uniform thickness can be set by the following expression:
V = V 0 e -kt ,
where V 0 is a constant for the material that is being processed (for example, for steel V 0 = 10 2 cm / s);
k is an empirical coefficient of 0.44;
t is the thickness of the scale, microns.
На фиг. 10 представлены три различных воплощения этого изолированного тела. Как видно из фиг. 10,a, это изолированное тело состоит из изолированной кассеты 62, имеющей комплект плоских, снабженных наконечником, зубцов 63a. В воплощении, показанном на фиг. 10,b, указаны зубцы 63b. В воплощении, показанном на фиг. 10,c, кассета 62 сформирована с держателями 65 зубцов, в которые вставляются съемные зубцы 66, подпираемые пружинами 67 до контакта с этим обрабатываемым объектом. В этом воплощении зубцы 66 могут заменяться по мере необходимости. In FIG. 10 shows three different embodiments of this isolated body. As can be seen from FIG. 10a, this insulated body consists of an
Зубцы могут быть, как указано, сформированы из электрически проводящего материала или наоборот они могут быть сформированы из изолирующего материала, который превращается в проводящий, если на него отложить электрически проводящий материал. Предпочтительно, чтобы зубцы устанавливались с шагом (например, 0,5 - 5 мм) таким, чтобы захватить катодные пятна LS и, следовательно, сузить дугу. The teeth can be, as indicated, formed from an electrically conductive material, or vice versa, they can be formed from an insulating material that turns into a conductive material if an electrically conductive material is deposited on it. Preferably, the teeth are installed in increments (for example, 0.5 - 5 mm) so as to capture the cathode spots LS and, therefore, narrow the arc.
В том случае, когда эти зубцы предназначены для ограничения дуги и/или очистки поверхности, они могут быть сформированы из любого электрически проводящего, относительно жесткого материала. Однако, когда зубцы предназначены для сужения дуги и/или механической обработки покрытой поверхности, тогда элементы должны формироваться из более мягкого материала, например такого, как материал покрытия или материал заготовки. Материалы для этих зубцов могут выбираться в соответствии с целью обработки. In the case where these teeth are intended to limit the arc and / or surface cleaning, they can be formed from any electrically conductive, relatively rigid material. However, when the teeth are intended to constrict the arc and / or machining the coated surface, then the elements should be formed from a softer material, such as, for example, a coating material or a workpiece material. Materials for these teeth can be selected according to the purpose of the treatment.
Зубцы могут применяться для создания вмятин по нормали к направлению обработки объекта при осуществлении их других функций. Эти вмятины предназначены для концентрации катодных пятен. The teeth can be used to create dents normal to the direction of processing of the object in the implementation of their other functions. These dents are intended for the concentration of cathode spots.
На фиг. 11 иллюстрируется альтернативное приспособление для концентрации катодных пятен LS в ограниченных площадях поверхности и для контролируемого движения катодных пятен SF. В этом приспособлении удлиненный трубчатый объект 71, например такой, как трубка, должен проходить обработку своей внутренней поверхности с целью ее очистки путем генерации дугового разряда в вакууме между анодом 72 и внутренней поверхностью объекта 71. В этом приспособлении объект 71 загерметизирован с обеих сторон с помощью соответствующих уплотнений 73, 74. Из объекта соответствующим образом откачивается воздух для создания в нем вакуума, при этом уплотнение 74 имеет отверстие для впуска газа 75, а уплотнение 73 - для выпуска 76. In FIG. 11 illustrates an alternative arrangement for the concentration of cathode spots LS in limited surface areas and for the controlled movement of cathode spots SF. In this device, an elongated
Анод 72 связан через средство связи 77 с положительным полюсом источника напряжения, при этом средство связи служит также для смещения анода 72 в осевом направлении через объект 71. В хорошем электрическом контакте с внешней поверхностью объекта 71 находится множество контактов 78, которые в свою очередь должны соединяться с отрицательным полюсом источника напряжения. Эти контакты 78 могут перемещаться по внешней поверхности объекта 71 по существенно спиральному пути от одного конца этого объекта, примыкающего к средству 73 уплотнения, к другому концу объекта 71, примыкающему к средству 73 уплотнения. Это смещение контактов 78 осуществляется синхронно с осевым смещением анода 72. The
При постоянно низком давлении газа внутри этого трубчатого объекта, т.е. при отсутствии потока газа от впускного отверстия 75 к выпускному отверстию 76, газовый разряд 79a концентрируется между ограниченной площадью поверхности напротив контактов 74 и анодом 72. При таких обстоятельствах однако катодные пятна SF будут хаотически перемещаться по остальной поверхности трубчатого объекта, не участвуя в заданной предварительной обработке поверхности. Однако при непрерывном потоке газа через этот трубчатый объект от входного отверстия 75 к выходному отверстию 76, в трубчатом объекте появляется градиент давления, то есть давление плавно снижается от области входного отверстия 75 к выходному отверстию 76, и при таких обстоятельствах здесь появляется хвостовая часть 79b разряда, в которой катодные пятна SF движутся в заданном направлении, тем самым создавая условия для предварительной обработки этой поверхности. Эта предварительная обработка облегчает последующую полную обработку с помощью основного разряда, происходящую между этими предварительно обработанными площадями и анодом 72. At a constantly low gas pressure inside this tubular object, i.e. in the absence of gas flow from the
В воплощениях, подробно описанных выше, управляемое движение катодных пятен SF производилось в направлении обработки, но оно, как указывалось, может быть организовано так, чтобы управляемое движение производилось по нормали к направлению обработки. In the embodiments described in detail above, the controlled movement of the cathode spots SF was carried out in the direction of processing, but it, as indicated, can be arranged so that the controlled movement is normal to the direction of processing.
Максимальный размер (в направлении нормали к направлению обработки) любой обрабатываемой зоны (то есть, области эффективных катодных пятен) может изменяться в диапазоне 5 - 250 мм для одной дуги. Там, где этот объект одновременно обрабатывается множеством дуг, общая сумма этих максимальных размеров должна лежать в диапазоне, который является суммой индивидуальных значений для каждой дуги. The maximum size (in the direction normal to the direction of processing) of any treated zone (that is, the region of effective cathode spots) can vary in the range of 5 - 250 mm for one arc. Where this object is simultaneously processed by multiple arcs, the total amount of these maximum sizes should lie in a range that is the sum of the individual values for each arc.
Когда устройство используется для очистки поверхности заготовки, то есть для удаления с нее окалины, давление газа в этой вакуумной камере выбирается в соответствии с толщиной этой подлежащей удалению окалины. When the device is used to clean the surface of a workpiece, that is, to remove scale from it, the gas pressure in this vacuum chamber is selected in accordance with the thickness of the scale to be removed.
Например:
при толщине окалины меньше,чем 1 мкм, используется максимальное давление газа, приблизительно в 100 Па;
при толщине окалины 1 - 5 мкм, используется максимальное давление газа около 5 Па;
при толщине окалины больше, чем 5 мкм, используется максимальное давление газа около 5•10-1Па.For instance:
when the scale thickness is less than 1 μm, a maximum gas pressure of approximately 100 Pa is used;
with a scale thickness of 1 - 5 microns, the maximum gas pressure of about 5 Pa is used;
when the thickness of the scale is more than 5 microns, the maximum gas pressure of about 5 • 10 -1 Pa is used.
Это давление газа может относиться к остаточному давлению воздуха, либо к любому подходящему давлению газа. This gas pressure may refer to the residual air pressure, or to any suitable gas pressure.
Как указывалось выше, способ и устройство в соответствии с настоящим изобретением оказываются особенно ценными в связи с нанесением покрытий методом испарения на поверхность металла. Это конкретное приложение настоящего изобретения теперь будет описано со ссылкой на на фиг. 12 - 15. As indicated above, the method and device in accordance with the present invention are particularly valuable in connection with the application of coatings by evaporation on the metal surface. This particular application of the present invention will now be described with reference to FIG. 12 - 15.
Как видно из фиг. 12, корпус 81 связан с вакуумным насосом 82, обеспечивающим создание вакуума в корпусе, имеющем низкое давление газа, способное поддерживать дуговой разряд в вакууме. Удлиненный объект 83, поверхность которого должна очищаться и покрываться, поддерживается средствами, которые не показаны, внутри этого корпуса 81, и снабжен средствами (не показаны) для осуществления поступательного движения вдоль его продольной оси, и для осуществления вращательного движения вокруг его продольной оси. Удлиненный объект 83 является коаксиальным с центральным каналом кольцевого анода 84 с подходящим экранированием 85. Объект 83, который составляет эффективный катод, электрически соединен с контактом 86, который соединяется с отрицательным полюсом источника 88 напряжения. Положительный полюс этого источника напряжения 88 соединен, с одной стороны, через резистор 89 с анодом 84, и с другой стороны, параллельно резистору 89, через резистор 91, со вспомогательным запускающим электродом 92. Напротив объекта 83 находится изолированное металлическое тело 93, в котором расположено сменное устройство 94, от которого зависят проводящие зубцы 95. Тело 93 связано с ведущим средством 96, с помощью которого тело может быть смещено вдоль поверхности объекта 83. As can be seen from FIG. 12, the
Внутри корпуса 81 расположен и направлен в сторону объекта 83 источник 97 электромагнитного излучения, например источник лазерного излучения, от которого луч электромагнитного излучения может быть направлен на ограниченную площадь объекта 83, смежную с анодом 84. An
Непосредственно под объектом 83 внутри этого корпуса 81 расположен испаритель 98, связанный с источником напряжения 99 через выключатель 100, причем на испарителе расположен испаряющий элемент 101 из материала, который должен испаряться и формировать покрытие на этом объекте 83. Испарение элемента 101 имеет место в результате резистивного нагревания испарителя 98 после замыкания выключателя 100. Directly below the
При работе объект 83 перемещается в продольном направлении в район анода 84, и ограниченная площадь его поверхности облучается источником 97 излучения, нагревающим эту площадь поверхности и вызывающим ее ограниченное испарение и/или термо-ионную эмиссию. Этот испаряющийся слой ионизируется под влиянием излучения. Генерация ионов в области ограниченной площади поверхности и/или термо-ионная эмиссия служат для привлечения в эту область дугового разряда. Использование электромагнитного луча излучения для этой цели необходимо только в начальных стадиях генерирования дугового разряда, после чего излучение может быть выключено. Дуга поддерживается в ограниченной площади поверхности и в последующих ограниченных площадях благодаря тому факту, что проводящие зубцы изолированного тела находятся в контакте с этими площадками, обеспечивая направление дугового разряда к соответствующим ограниченным площадям. During operation, the
Таким образом, удлиненный объект 83 может быть очищен, будучи подвергнут по всей его длине и периферии воздействию дугового разряда, который последовательно обрабатывает ограниченные площади его поверхности. Очистка с помощью дугового разряда может дополняться или завершаться механической очисткой с использованием зубцов 95. Далее будет показано, что как и в ранее описанных случаях, основная обработка осуществляется дуговым разрядом, действующим на последовательно ограниченных площадях, и это благодаря катодным пятнам LS, активным в этих площадях. Вспомогательная предварительная обработка осуществляется в силу того факта, что катодные пятна SF направляются к контакту 86, обеспечивая тем самым предварительную очистку объекта, которая затем завершается с помощью основного дугового разряда. Thus, the
Обеспечение такой дополнительной механической очистки имеет особое значение с учетом следующих обстоятельств. Движение катодных пятен SF в направлении к контакту 86 создает удлиненные чистые дорожки, имеющие ширину, которая сопоставима со средней шириной этих катодных пятен SF, и находится в диапазоне от 0,3 до 1 мм. С этими дорожками связано возникновение поднятых гребней из загрязнителей, окалины и т. п., а существование гребней препятствует эффективной очистке поверхности следующими катодными пятнами LS. Ввиду этого наличие гребней после прохождения пятен LS может способствовать появлению неравномерного нежелательного плавления этих дорожек, уже очищенных катодными пятнами SF. Если, однако, эти области, которые уже были подвергнуты предварительному очищающему воздействию катодными пятнами SF, станут предметом механической очистки с помощью указанных зубцов, которые могут легко удалить эти гребни, тогда последующее пропускание через эти области катодных пятен SF будет эффективно равномерно очищать эти поверхности без какой-либо угрозы плавления. The provision of such additional mechanical cleaning is of particular importance given the following circumstances. The movement of the SF cathode spots towards
Кроме того, обеспечив размещение зубцов 95 этого изолированного тела 93 на расстоянии приблизительно 0,5 - 5 мм друг от друга, эти элементы могут играть роль вероятных ловушек для катодных пятен, которые будут вынуждены разряжаться между этими элементами, и таким образом, эта механическая очистка объекта сопровождается его улучшенной электрической очисткой. In addition, by providing the
После завершения очистки объекта 83 последний может быть подвергнут термической обработке путем воздействия того же дугового разряда, причем термическое воздействие вызывает упрочнение поверхности объекта 83 и управляет характеристиками его поверхности. After the cleaning of the
Одновременно с этой термической обработкой или чередуясь с ней, на объект 83 может быть нанесено покрытие путем резисторного нагревания испарителя 98 (замыкание выключателя 100), в результате чего источник 101 паров испаряется и пары осаждаются на объект 83, который поворачивается вокруг своей продольной оси. Когда термическая обработка выполняется одновременно с таким испарением, возможно создание высококачественного слоя покрытия, отличающегося повышенной адгезией этого слоя покрытия с поверхностью металла. Simultaneously with this heat treatment or alternating with it, the
Нанесение покрытия на объект 83 может выполняться одновременно или чередуясь с механической обработкой этого покрытия с помощью соответствующих зубцов. Для этого зубцы должны быть сформированы либо из того же материала, что и покрытие, либо из того же материала, из которого состоит объект, подлежащий покрытию. The coating on the
Следует оценить то обстоятельство, что когда на объект 83 должны осаждаться сравнительно толстые покрытия, процесс, описанный выше, а именно термическая обработка и осаждение начальных покрытий, сопровождаемый термической обработкой и осаждением покрытий, может быть повторен достаточное число раз, чтобы создать требуемую толщину покрытия. It should be appreciated that when relatively thick coatings are to be deposited on the
Во время термической обработки объекта важно обеспечить, чтобы этот объект не достигал температуры, которая выше, чем его температура отжига, и с этой целью объект может быть соединен с термопарой, которая может применяться для контроля за степенью его нагрева. Более того, при покрытии объекта нанесение покрытия может управляться введением, когда требуется, подвижного экрана между испарителем и объектом. During the heat treatment of an object, it is important to ensure that this object does not reach a temperature that is higher than its annealing temperature, and for this purpose, the object can be connected to a thermocouple, which can be used to control the degree of its heating. Moreover, when covering an object, the coating can be controlled by the introduction, when required, of a movable screen between the evaporator and the object.
Хотя в воплощении, описанном выше со ссылкой на фиг. 12, испарение имеет место в результате электрического резистивного нагревания испарителя 98, в соответствии с другим воплощением настоящего изобретения испарение осуществляется, подвергая этот испарительный электрод воздействию другого разряда в вакууме. Такое воплощение схематически представлено на фиг. 13. Although in the embodiment described above with reference to FIG. 12, evaporation takes place as a result of electrical resistive heating of the
Как видно из фигуры, объект 105 связан с источником напряжения (не показан). Первый конец этого объекта 105 заключен в экран 106, который предназначен для ограничения электрического разряда и имеет прорези (не показан). Однако, кроме анода 107, между которым и объектом 105 создается дуговой разряд для очистки, в настоящем воплощении используется дополнительный кольцевой анод 108, который находится напротив испарительного электрода 109, расположенного в испарителе 110, и имеет электрический проводник 111, который связан с отрицательным полюсом источника 112 напряжения, положительный полюс которого соединен с анодом 108. Таким образом, испарительный электрод 109 составляет катод, и когда инициируется разряд (первоначально с помощью запускающего электрода 113) между анодом 108 и ограниченной площадью поверхности испарительного электрода 109 напротив проводника 111, имеет место испарение, покрывающее объект 105. As can be seen from the figure, the
Преимущества испарения с помощью дугового разряда, который воздействует на ограниченную площадь поверхности испарительного электрода 109, проиллюстрированы на фиг. 14. Так, на фиг. 14,a отрицательное напряжение прикладывается к испарительному электроду 109 через пару проводников 115, которые контактируют с нижними крайними точками этого элемента, и как следствие можно видеть, что в результате того, что катодные пятна на этой испаряющей поверхности движутся к соответствующим верхним крайним точкам, имеет место неравномерное испарение. Когда, как на фиг. 14,b, это отрицательное напряжение подается к узкому контакту 116, расположенному в центре, имеет место аналогичная нежелательная форма испарения. Однако, когда, как на фиг. 14,c, это отрицательное напряжение подается к основанию испаряющего элемента через кольцевой контакт 117, который определяет ограниченную площадь поверхности, тогда наличие соответствующей ограниченной площади поверхности в верхней части испаряющего элемента ведет к относительно равномерному испарению. The advantages of arc flash evaporation, which acts on a limited surface area of the
Хотя в воплощениях, описанных выше, обработка поверхности металлического объекта, служившего катодом, осуществлялась с помощью одного анода, возможно иногда повысить эффективность обработки, применяя множество анодов, имеющих общие или раздельные источники питания. В таком случае объект обрабатывается множеством дуговых разрядов. Although in the embodiments described above, the surface treatment of the metal object that served as the cathode was carried out using a single anode, it is sometimes possible to increase the processing efficiency by using many anodes having common or separate power sources. In this case, the object is processed by many arc discharges.
На фиг. 15 показано покрытие путем испарения объекта 12 неправильной формы, например такого, как храповик. В этих целях два испарителя 121, 122 располагаются ниже объекта 120 и ориентируются в направлении этого объекта 120 в соответственно противоположно-угловых направлениях таким образом, чтобы их испаряющиеся лучи перекрывались и покрывали этот объект в противоположных направлениях. Таким образом, обеспечивается равномерное покрытие объекта 120, несмотря на его неправильную форму. In FIG. 15 shows a coating by vaporizing an irregularly shaped object 12, such as a ratchet, for example. To this end, two
Следует понимать, что во всех воплощениях в соответствии с настоящим изобретением дуговые разряды поддерживаются в стабильном режиме столько времени, сколько необходимо. It should be understood that in all embodiments in accordance with the present invention, the arc discharges are maintained in a stable mode as long as necessary.
Claims (31)
Applications Claiming Priority (4)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| IL101131 | 1992-03-03 | ||
| IL10113192A IL101131A (en) | 1992-03-03 | 1992-03-03 | Method and apparatus for carrying out surface processes |
| IL101610 | 1992-04-16 | ||
| IL10161092A IL101610A (en) | 1992-04-16 | 1992-04-16 | Method and apparatus for carrying out surface processes |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU93004659A RU93004659A (en) | 1996-08-10 |
| RU2104313C1 true RU2104313C1 (en) | 1998-02-10 |
Family
ID=26322406
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93004659A RU2104313C1 (en) | 1992-03-03 | 1993-03-02 | Method and apparatus for treating surface of metal blank by arc discharge |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2104313C1 (en) |
| TW (1) | TW242591B (en) |
-
1993
- 1993-03-02 RU RU93004659A patent/RU2104313C1/en active
- 1993-08-31 TW TW82107094A patent/TW242591B/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 3. Физика и химия обработки металлов. Т. 21. - 1987, N 3, с. 49 - 53. 4. * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW242591B (en) | 1995-03-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CZ181893A3 (en) | Process of metal workpiece surface treatment and apparatus for making the same | |
| EP0899772B1 (en) | Cathodic arc vapor deposition apparatus | |
| RU97108626A (en) | METHOD OF FORMING A CARBON DIAMOND-LIKE COATING IN A VACUUM | |
| GB2127043A (en) | Plasma arc apparatus for applying coatings | |
| JP2007510258A (en) | Plasma immersion ion implantation using conductive mesh | |
| AU677214B2 (en) | Method and apparatus for carrying out surface processes | |
| JPH0688215A (en) | Method and device for direct application of ceramic coating material | |
| TW200830390A (en) | Method and apparatus for manufacturing cleaned substrates or clean substrates which are further processed | |
| JP2010168662A (en) | Source for vacuum treatment process | |
| RU2104313C1 (en) | Method and apparatus for treating surface of metal blank by arc discharge | |
| CN1099812A (en) | Improvements in the treating of metal surfaces | |
| AU734117B2 (en) | Rotary apparatus for plasma immersion-assisted treament of substrates | |
| RU2238999C1 (en) | Method of pulse-periodic implantation of ions and plasma precipitation of coatings | |
| RU2457282C1 (en) | Method of processing part surface by arc discharge in vacuum and device to this end | |
| US8241468B2 (en) | Method and apparatus for cathodic arc deposition of materials on a substrate | |
| JP4691097B2 (en) | Equipment for carbon deposition | |
| EP3012856B1 (en) | Method and device for generating an electrical discharge | |
| IL101131A (en) | Method and apparatus for carrying out surface processes | |
| CN113764248B (en) | Metal ion source and application and use method thereof | |
| RU2449513C1 (en) | Vacuum-arc device | |
| UA10775A (en) | METHOD For vacuum arc coverings application and device for realization the same | |
| RU2026414C1 (en) | Method for article treatment | |
| IL101610A (en) | Method and apparatus for carrying out surface processes | |
| RU2139151C1 (en) | Method of cleaning of metal surfaces and device for its embodiment | |
| RU2065891C1 (en) | Method and apparatus for ionic treatment of pieces surface |