RU2119414C1

RU2119414C1 - Method and apparatus for electric-spark coat applying

Info

Publication number: RU2119414C1
Application number: RU96112217A
Authority: RU
Inventors: Юрий Львович Чистяков
Original assignee: Юрий Львович Чистяков
Priority date: 1996-06-18
Filing date: 1996-06-18
Publication date: 1998-09-27

Abstract

FIELD: processes and equipment for electric-spark coat applying. SUBSTANCE: invention is based upon process of electric- spark coating in conditions of quasiperiodical changes of amplitude of ultrasonic oscillations of alloying electrode caused by superposition of two induced ultrasonic oscillations with similar frequencies and amplitudes. Spark discharges are realized in time moments of lowering amplitude of resulting ultrasonic oscillation until minimum threshold value. Method favorably differs from well known methods using ultrasound superposition due to possibility of performing alloying process at discharges with wide range of power and duration change at sustaining high stability of their intensity. Method provides uniform layers of high continuity and density with thickness up to 1000 mcm and with surface roughness determined according to parameter Ra=1.25-0.32 mcm (arithmetic mean of profile fluctuations). Throughput of method - (10-20) square cm/min at repetition frequency of discharges 200-1000 Hz. Apparatus for performing the method includes acoustic system with alloying electrode in one end and with two converters with the same power and frequency values supplied from two separate generators by exciting currents of similar frequencies. In front of electric spark electrode there is pickup whose signals are used for matching pulses of discharge current and quasiperiodical changes of resulting oscillation. EFFECT: enhanced efficiency of process of coat applying. 2 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к электроискровым методам нанесения покрытий на токопроводящие материалы и может быть использовано для повышения износостойкости, восстановления размеров, упрочения и повышения коррозионной стойкости различных деталей машин и инструментов. The invention relates to spark methods for coating conductive materials and can be used to increase wear resistance, restore size, hardening and increase the corrosion resistance of various parts of machines and tools.

Известен способ электроискрового нанесения покрытий, при котором электрокоррозионное легирование осуществляют за счет материала электрода - анода, контактирующего с деталью - катодом с ультразвуковой частотой (JP, заявка N 56-5978, кл.C 23 C, 17/00, 1981, SU, авторское свидетельство СССР, N 622611, КЛ B 23 P 1/18, 1979). A known method of electrospark coating, in which electro-corrosive alloying is carried out due to the material of the electrode — the anode in contact with the part — the cathode with ultrasonic frequency (JP, application N 56-5978, class C 23 C, 17/00, 1981, SU, copyright USSR certificate, N 622611, KL B 23 P 1/18, 1979).

Однако отсутствие согласования по времени между ультразвуковыми колебаниями и импульсами разрядного тока приводит к нарушению стабильности по интенсивности искровых разрядов, что снижает эффективность процесса легирования. Слои получаются тонкими с толщиной не более 50 мкм. However, the lack of time coordination between ultrasonic vibrations and pulses of the discharge current leads to a violation of stability in the intensity of spark discharges, which reduces the efficiency of the alloying process. The layers are thin with a thickness of not more than 50 microns.

Наиболее близким к предлагаемому является способ нанесения покрытия, при котором на легирующий электрод накладывают ультразвуковые колебания, а искровые разряды осуществляют на траектории сближения электродов в течение следования четверти периода ультразвукового колебания, модулируя частоту, длительность и амплитуду импульсов разрядного тока амплитудой ультразвукового колебания (SU, авторское свидетельство СССР, N 1126402, кл. B 23 P 1/18, 1984). Closest to the proposed method is a coating method in which ultrasonic vibrations are applied to a doping electrode, and spark discharges are carried out on the electrode approach path for a quarter of the ultrasonic oscillation period, modulating the frequency, duration and amplitude of the discharge current pulses with the amplitude of ultrasonic vibrations (SU, author's USSR certificate, N 1126402, CL B 23 P 1/18, 1984).

Этот способ также не обеспечивает получение толстослойных покрытий из-за невысоких значений энергии и длительности применяемых искровых разрядов. Толщина слоя находится в пределах 5-100 мкм. Кроме того, в зоне воздействия электрода значительно поднимается температура, приводящая к снижению твердости наносимого покрытия. This method also does not provide thick coatings due to the low values of energy and the duration of the applied spark discharges. The layer thickness is in the range of 5-100 microns. In addition, in the zone of influence of the electrode, the temperature rises significantly, leading to a decrease in the hardness of the applied coating.

Способ осуществляется устройством, содержащим акустическую колебательную систему, на концентраторе которой закреплен электрод нормально к поверхности детали. Акустическая система поджимается с небольшим усилием к поверхности детали. The method is carried out by a device containing an acoustic oscillating system, on the concentrator of which the electrode is fixed normally to the surface of the part. The speaker system is pressed with a little effort to the surface of the part.

Задачей, решаемой описываемым изобретением, является повышение эффективности процесса нанесения покрытия, увеличение толщины и твердости наносимого покрытия. The problem solved by the described invention is to increase the efficiency of the coating process, increasing the thickness and hardness of the coating.

Для решения поставленной задачи согласно способу электроискрового нанесения покрытия, включающему электроэрозионное легирование в условиях периодического контактирования электродов с ультразвуковой частотой, на легирующем электроде формируют квазипериодические изменения амплитуды ультразвуковых колебаний, обусловленные суперпозицией двух ультразвуковых вынужденных колебаний с близкими частотами и амплитудами, создаваемых в акустической колебательной системе от двух независимых источников возбуждающего тока, и в моменты снижения амплитуды результирующего колебания до порогового значения подают один или несколько импульсов разрядного тока. To solve the problem, according to the method of electrospark coating, including electroerosive alloying under conditions of periodic contacting of electrodes with an ultrasonic frequency, quasiperiodic changes in the amplitude of ultrasonic vibrations are formed on the alloying electrode due to the superposition of two ultrasonic forced vibrations with close frequencies and amplitudes created in the acoustic vibrational system from two independent sources of exciting current, and at times Nia amplitude of the resulting oscillation is fed to the threshold value, one or several pulses of discharge current.

Для осуществления предлагаемого способа используется устройство, содержащее акустическую колебательную систему с легирующим электродом на конце, на торце которой установлено два равных по мощности и рабочей частоте преобразователя, каждый из которых соединен с независимым генератором с близкими по частоте возбуждающими токами для получения квазипериодических изменений амплитуды ультразвуковых колебаний электрода, а перед легирующим электродом установлен датчик с сигналом на выходе, пропорциональным амплитуде колебаний, выход которого через амплитудный ограничитель сигналов по минимуму соединен с питающим генератором импульсного тока. To implement the proposed method, a device is used that contains an acoustic oscillating system with a doping electrode at the end, at the end of which there are two transducers of equal power and operating frequency, each of which is connected to an independent generator with close-frequency exciting currents to obtain quasiperiodic changes in the amplitude of ultrasonic vibrations electrode, and in front of the alloying electrode, a sensor is installed with a signal at the output proportional to the amplitude of oscillations, the output of the cat through an amplitude signal limiter, it is connected to a minimum with a supply pulse current generator.

Значения частот возбуждающих токов ω₁ и ω₂ выбирают внутри полосы пропускания на резонансной кривой акустической системы. Результирующее колебание S^Σ рабочего электрода осуществляется со средней частотой

и амплитудой, изменяющейся от максимального значения A_max, равного сумме амплитуд составляющих колебаний, до минимального значения A_min, равного их разности, с частотой биений ω_б= ω₁-ω₂.
Частоту биений электрода ω_б изменяют плавно в пределах полосы пропускания частотной характеристики акустической колебательной системы за счет регулирования частот возбуждающих токов от питающих ультразвуковых генераторов и грубо при подборе резонансной длины преобразователей.The frequency values of the exciting currents ω ₁ and ω ₂ are chosen inside the passband on the resonance curve of the speaker system. The resulting oscillation S ^{Σ of the} working electrode is carried out with an average frequency

and an amplitude varying from a maximum value of A _max equal to the sum of the amplitudes of the component vibrations to a minimum value of A _min equal to their difference, with a beat frequency ω _b = ω ₁ -ω ₂ .
The beat frequency of the electrode ω _{b is} changed smoothly within the bandwidth of the frequency response of the acoustic oscillatory system by adjusting the frequencies of the exciting currents from the supplying ultrasonic generators and roughly when selecting the resonant length of the transducers.

Согласуя частоту биений с частотой следования искровых разрядов, обеспечивают применение импульсов тока с широким диапазоном изменения энергии и длительности. By matching the beat frequency with the spark discharge repetition rate, they provide the use of current pulses with a wide range of energy and duration changes.

Способ позволяет использовать импульсы разрядного тока с энергией более 1 Дж для получения толстослойных однородных покрытий /более 200 мкм/ с высокой твердостью и сплошностью. The method allows the use of discharge current pulses with an energy of more than 1 J to obtain a homogeneous thick coatings / more than 200 microns / with high hardness and continuity.

Для получения устойчивых пробоев отношение рабочего напряжения к максимальной амплитуде результирующего ультразвукового колебания выбирают не менее 5-7 В/мкм. To obtain stable breakdowns, the ratio of the operating voltage to the maximum amplitude of the resulting ultrasonic vibrations is chosen at least 5-7 V / μm.

Электрод прижимают к обрабатываемой поверхности упруго с небольшим усилием в пределах 1-3 кгс. Частоту ультразвукового колебания выбирают в интервале 18-45 кГц. The electrode is pressed elastically to the surface to be treated with a small force within 1-3 kgf. The frequency of ultrasonic vibrations is selected in the range of 18-45 kHz.

Добротность акустической системы 40-70. The quality factor of the speaker system is 40-70.

На фиг. 1 представлен чертеж используемого инструмента и блок-схема устройства с его применением, а на фиг.2 изображены временные диаграммы контактирования электродов при подаче на преобразователи акустической колебательной системы тока от генераторов ультразвуковой частоты: ω₁-a,ω₂-б, с наложением этих колебаний одновременно

и положение импульса тока разряда J_р-г.In FIG. 1 shows a drawing of the instrument used and a block diagram of the device with its use, and FIG. 2 shows the timing diagrams of the contacting of the electrodes when ultrasonic frequency generators are supplied to the transducers of the acoustic oscillatory system: ω ₁ -a, ω ₂ -b, with the superposition of these vibrations simultaneously

and the position of the discharge current pulse J _r-g .

Искровой промежуток образован деталью I и легирующим электродом 2, укрепленным на конце акустической колебательной системы 3. Акустическая система размещена сбалансировано относительно оси в цилиндрическом корпусе 4 и закреплена в нем неподвижно в узле смещения волновой характеристики системы. The spark gap is formed by part I and the alloying electrode 2, mounted on the end of the acoustic oscillating system 3. The acoustic system is placed balanced with respect to the axis in the cylindrical body 4 and fixed therein in the bias node of the wave characteristic of the system.

Корпус может перемещаться в осевом направлении при качении подшипников 5, укрепленных в подпружиненных вкладышах 6, по направляющим 7 держателя 8. Корпус подвешен к держателю на пружинах 9 с достаточно большим числом витков для сохранения необходимого упругого давления прижима на деталь при изменении профиля обрабатываемой поверхности. На акустической системе укреплены два преобразователя с близкими частотами возбуждения ω₁ и ω₂ соответствующих поз.10 и 11.The housing can move in the axial direction when the bearings 5 mounted in the spring loaded bearings 6 are guided along the guides 7 of the holder 8. The housing is suspended from the holder on springs 9 with a sufficiently large number of turns to maintain the necessary elastic pressure of the clamp on the part when changing the profile of the surface being machined. Two transducers with close excitation frequencies ω ₁ and ω _{2 of the} corresponding poses 10 and 11 are mounted on the speaker system.

Согласование по времени между импульсами разрядного тока и результирующими квазипериодическими ультразвуковыми колебаниями электрода осуществлялось определением момента снижения величины амплитуды биений до порогового значения A_пор≈ A_min определяемого по сигналам напряжения, пропорциональных амплитуде колебаний, поступающих с пьезоэлектрического датчика, установленного перед электродом.The time coordination between the pulses of the discharge current and the resulting quasiperiodic ultrasonic vibrations of the electrode was carried out by determining the moment when the amplitude of the beats decreases to the threshold value A _pore ≈ A _min determined by voltage signals proportional to the amplitude of the vibrations coming from the piezoelectric sensor installed in front of the electrode.

Датчик состоит из двух одинаковых пьезоэлектрических пластин, между которыми находится металлическая прокладка. К концу концентратора прижималась игла 12, приклеенная к пластинам датчика. При работе устройства пластины 13 совершают поперечные изгибные колебания и на электродах, вследствие поляризации, возникает напряжение, пропорциональное амплитуде колебаний. Резонансная частота пьезоэлектрического датчика находится вне рабочей области. The sensor consists of two identical piezoelectric plates, between which there is a metal gasket. To the end of the hub pressed needle 12, glued to the plates of the sensor. During the operation of the device, the plates 13 perform transverse bending vibrations, and a voltage proportional to the amplitude of vibrations arises on the electrodes due to polarization. The resonant frequency of the piezoelectric sensor is outside the working area.

Питание преобразователей акустической системы осуществляют от генераторов ультразвуковой частоты 14 и 15 соответствующих частот. The transducers of the acoustic system are powered by ultrasonic frequency generators 14 and 15 of the corresponding frequencies.

Цепь управления генератора импульсного тока 19 содержит линейный усилитель 16, амплитудный ограничитель сигналов по минимуму 17 и блок формирования запускающего сигнала 18. The control circuit of the pulse current generator 19 contains a linear amplifier 16, an amplitude limiter of the signals to a minimum of 17 and the block generating the trigger signal 18.

Для осуществления процесса нанесения покрытия инструмент с помощью ходовой передачи /не показана/ подводят к детали 1 и создают необходимое упругое контактирование электрода 2 с обрабатываемой поверхностью. To implement the coating process, the tool using a running gear / not shown / lead to the part 1 and create the necessary elastic contact of the electrode 2 with the treated surface.

Устройство включается в сеть. Генераторы ультразвуковой частоты возбуждают преобразующие системы с близкими частотами ω₁ и ω₂.
На электроде формируются квазипериодические изменения амплитуды ультразвуковых колебаний с частотой

и частотой модуляции амплитуды ω₁-ω₂= ω_б.The device is plugged in. Ultrasonic frequency generators excite converting systems with close frequencies ω ₁ and ω ₂ .
Quasiperiodic changes in the amplitude of ultrasonic vibrations with a frequency are formed on the electrode

and the frequency of modulation of the amplitude ω ₁ -ω ₂ = ω _b .

Сигналы напряжения с пьезоэлектрического датчика усиливаются линейным усилителем 16 и подаются на вход амплитудного ограничителя сигналов 17, с помощью которого регистрируется момент, когда амплитуда результирующего ультразвукового колебания достигнет порогового значения A_пор≈ A_min. Формирователь запускающего сигнала 18, функционально связанный с блоком 17, в этот момент выдает сигнал на запуск генератора импульсного тока 19. Через межэлектродный промежуток следует импульс разрядного тока, осуществляющего легирование, а возрастающие по амплитуде ультразвуковые колебания оказывают упрочняющее воздействие на наносимое покрытие, улучшают диффузионные процессы проникновения легирующих элементов и активируют обрабатываемую поверхность перед очередным разрядом.The voltage signals from the piezoelectric sensor are amplified by a linear amplifier 16 and fed to the input of the amplitude signal limiter 17, with the help of which the moment is recorded when the amplitude of the resulting ultrasonic oscillation reaches the threshold value A _pore ≈ A _min . The driver signal trigger 18, functionally connected with the block 17, at this moment gives a signal to start the pulse current generator 19. Through the interelectrode gap there follows a pulse of the discharge current, which carries out doping, and increasing in amplitude ultrasonic vibrations have a strengthening effect on the applied coating, improve diffusion processes penetration of alloying elements and activate the treated surface before the next discharge.

Невысокая пульсация рабочего напряжения и высокая стабильность по интенсивности искровых разрядов позволяет наносить равномерные слои покрытия с высокой сплошность и твердостью. Способ позволяет применять искровые разряды с энергией более 1 Дж для получения толстослойных покрытий до 1000 мкм. Коэффициент переноса материала электрода значительно выше по сравнению с известным способом наложения ультразвуковых колебаний. Шероховатость получаемых покрытий по параметру среднего арифметического отклонения профиля R_a = 1,25 - 0,32 мкм. Производительность способа до 10-20 см²/мин при частоте следования искровых разрядов от 200 до 1000 Гц
Осуществление способа проводили на образцах из стали 40 х 13, термообработанных до твердости 50-55 HRC_э. В качестве легирующего электрода применялся сплав феррохром. Использовалась акустическая система мощностью 0,4 кВт с рабочей частотой 22 кГц, максимальная амплитуда ультразвуковых колебаний 40 мкм. Усилие прижима электрода 1,0 кгс, частота следования искровых разрядов 200 Гц, энергия импульсных разрядов 1 Дж. Сила рабочего тока 10 А.Low ripple of the operating voltage and high stability of the intensity of spark discharges allows you to apply uniform coating layers with high continuity and hardness. The method allows the use of spark discharges with an energy of more than 1 J to obtain thick coatings up to 1000 microns. The transfer coefficient of the electrode material is significantly higher compared to the known method of applying ultrasonic vibrations. The roughness of the resulting coatings by the parameter of the arithmetic mean deviation of the profile R _a = 1.25 - 0.32 μm. The performance of the method up to 10-20 cm ² / min at a repetition rate of spark discharges from 200 to 1000 Hz
The method was carried out on samples of steel 40 x 13, heat-treated to a hardness of 50-55 HRC _e . Ferrochrome alloy was used as an alloying electrode. An acoustic system with a power of 0.4 kW and an operating frequency of 22 kHz was used, with a maximum amplitude of ultrasonic vibrations of 40 microns. The pressure force of the electrode is 1.0 kgf, the repetition rate of spark discharges is 200 Hz, the pulse energy is 1 J. The operating current is 10 A.

При указанных параметрах нанесено покрытие толщиной до 300 мкм, шероховатостью R_a = 0,4 мкм, сплошностью 98%. Микротвердость слоя 800-900 кгс/мм². Слой равномерный с большим количеством мелкодисперсных карбидов, интерметаллидов и других кристаллических и аморфных фаз. Коэффициент переноса материала для выбранной пары электродов увеличился на 30% по сравнению с известным способом наложения немодулированных гармонических ультразвуковых колебаний для тех же значений энергии разрядов.With these parameters, a coating is applied with a thickness of up to 300 μm, a roughness of R _a = 0.4 μm, and a 98% continuity. The microhardness of the layer is 800-900 kgf / mm ² . The layer is uniform with a large number of finely divided carbides, intermetallic compounds and other crystalline and amorphous phases. The material transfer coefficient for the selected pair of electrodes increased by 30% compared with the known method of applying unmodulated harmonic ultrasonic vibrations for the same values of the discharge energy.

Невысокое усилие прижима электрода к обрабатываемой поверхности позволяет рекомендовать предложенный способ для нанесения покрытий на тонкостенные детали. The low pressure force of the electrode to the work surface allows us to recommend the proposed method for coating thin-walled parts.

Износостойкость инструментов, рабочие части которых покрыты сплавом феррохром по предлагаемому способу, увеличивается в 3-4 раза. The wear resistance of tools, the working parts of which are coated with ferrochrome alloy according to the proposed method, increases 3-4 times.

Claims

1. The method of electrospark coating, including electroerosive alloying under conditions of periodic contacting of the electrodes with an ultrasonic frequency, characterized in that quasiperiodic changes in the amplitude of the ultrasonic vibrations are formed on the doping electrode due to the superposition of two forced ultrasonic vibrations with close frequencies and amplitudes created in the acoustic vibrational system from two independent sources of the exciting current, and at the time of the decrease in the amplitude, the result iruyuschego fluctuations to the threshold value serves one or more pulses of discharge current.

2. Device for electric spark coating, containing a transducer, an acoustic oscillating system with a doping electrode at the end and supplying generators, characterized in that at the end of the acoustic oscillating system there are two transducers of equal power and operating frequency, each of which is connected to an independent generator with exciting currents close in frequency to obtain quasiperiodic changes in the amplitude of the ultrasonic vibrations of the electrode, and in front of the doping electrode a sensor output signal proportional to the amplitude of the oscillations, the output of which signals through the amplitude limiter to a minimum is connected to supply a pulse current generator.