УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОИСКРОВОГО ЛЕГИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОВ

Предлагаемая полезная модель относится к области электрофизических методов обработки металлов, а конкретно, к технологии обработки металла воздействием электрического тока высокой плотности, и может быть использована для увеличения твердости, жаро- и износостойкости режущего инструмента, штамповой оснастки и деталей машин, а также для их маркировки.
Известно устройство электроискрового легирования (Пат. РФ №2140834, МПК В23Н 9/00, приор. 19.01.1999), которое содержит два источника питания постоянного тока, электрод-инструмент с наконечником, электрод-детали, два ключа и формирователь импульсов, состоящий из двух катушек индуктивности, одна из которых включена в цепь тока легирования. Недостатком такого устройства является низкая производительность и большое энергопотребление, что вызвано малым током легирования из-за дополнительно включенной в разрядный контур конденсатора индуктивности формирователя импульсов.
Наиболее близким к заявленному устройству, выбранному нами в качестве прототипа, является устройство электроискрового легирования металлов [см. Паспорт, установка UR-121 ЕИГА, 443227.001 ПС, Московская обл., г.Подольск, 2007.] (копию документа прилагаем), включающее источник переменного напряжения, подключенные к источнику напряжения катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, при этом разрядный контур
конденсатора выполнен из двух изолированных проводников, один из которых соединяет положительную обкладку конденсатора с электродом-инструментом, а второй - отрицательную обкладку конденсатора с электродом-детали, к которому подключено легируемое изделие.
В этом устройстве под действием переменного тока в катушке индуктивности происходит периодическое втягивание электромагнитным полем электрода-инструмента, вызывая его вибрацию. При касании изделия наконечником электрода-инструмента происходит разряд конденсатора, импульсный ток которого вызывает плавление и испарение твердосплавного наконечника электрода-инструмента и его полярный перенос на изделие.
Основным недостатком этого устройства также являются невысокие производительность и качество легированного покрытия. Это вызвано малой величиной тока разряда конденсатора.
Предлагаемое нами устройство позволяет производить электроискровое легирование металлов с высоким качеством и высокой производительностью. Оно просто в изготовлении, имеет малые весо-габаритные характеристики, низкую себестоимость.
Такой технический эффект получен нами, когда в устройстве электроискрового легирования металлов, включающем источник переменного напряжения, подключенные к нему катушку вибратора с электродом-инструментом с наконечником, электрод-детали, мостовой выпрямитель, между положительным и отрицательным выходами которого подключены последовательно соединенные активное сопротивление и конденсатор, разрядный контур которого выполнен из двух изолированных проводников, один из которых подключен между положительной обкладкой конденсатора и электродом-инструментом, а второй - между отрицательной
*
*
-3
к
к
обкладкой конденсатора и электродом-детали, новым является то, что разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным. ( Под малоиндуктивным в электротехнике традиционно понимают контур, в котором выполняется соотношение ρ<R, где  - волновое сопротивление контура; L и С - индуктивность и емкость контура соответственно; R - контактное сопротивление между наконечником и легируемым изделием во время разряда конденсатора. Оно имеет величину (40-60)×10 Ом.)
Нами экспериментально было показано, что схемные решения, при которых разрядный контур конденсатора выполнен малоиндуктивным, приводят к увеличению производительности и качества легируемого покрытия. Это происходит вследствие того, что при малоиндуктивном контуре резко возрастает амплитуда тока разряда, а поскольку тепловое действие тока пропорционально квадрату его величины, то и эффективность вклада запасенной энергии конденсатора значительно больше.
Нами предложено выполнить малоиндуктивный разрядный контур конденсатора коаксиальным кабелем (п.2 Формулы) или изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу (п.3 Формулы).
На фиг.1 представлена электрическая схема предлагаемого устройства: фиг.1а - вариант с выполнением разрядного контура конденсатора коаксиальным кабелем, фиг.1б - вариант с выполнением разрядного контура конденсатора изолированными проводниками, расположенными вплотную друг к другу, где источник 1 переменного напряжения, катушка 2 вибратора, электрод-инструмент 3, наконечник 4, электрод-детали 5, активное сопротивление 6, конденсатор 7, разрядный контур 8 конденсатора, изделие 9, выпрямитель 10 мостовой.
На фиг.2 представлены осциллограммы тока разряда в установке-прототипе (1), в предлагаемом устройстве, где разрядный контур выполнен коаксиальным кабелем (2) и где разрядный контур выполнен проводниками, расположенными вплотную друг к другу (3), где I - ток (в амперах), t - время (в микросекундах).
На фиг.3 представлен опытный образец предлагаемого устройства электроискрового легирования металлов (вариант по п.3 Формулы).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Вариант по п.2. Формулы. В исходном состоянии напряжение с источника 1 питания подают на катушку 2 вибратора, ток в которой вызывает периодические, с удвоенной частотой источника 1 питания притягивания к ней электрода-инструмента 3, возврат в исходное состояние которого осуществляется за счет пружины (на фиг. не показана). Одновременно с этим, через выпрямитель 10 мостовой и активное сопротивление 6 заряжается конденсатор 7. При соприкосновении наконечника 4 с изделием 9 через место контакта происходит импульсный разряд конденсатора 7 по цепи: "+" конденсатора 7 - жила коаксиального кабеля 8 - электрод-инструмент 3 - наконечник 4 - изделие 9 - электрод - детали 5 - оплетка коаксиального кабеля 8 - "-" конденсатора 7. Ток разряда вызывает плавление и испарение материала наконечника 4, продукты которого, диффундируя внутрь и осаждаясь на поверхности изделия 9, образуют легирующий слой в месте контакта.
При отрыве электрода-инструмента 3 от изделия 9 за счет роста тока в катушке 2 вибратора начинается повторный заряд конденсатора 7 от источника 1 питания.
Ток разряда I определяется по формуле:
0
где U - зарядное напряжение конденсатора (В);
ρ - волновое сопротивление разрядного контура (Ом);
С - величина емкости конденсатора (Ф);
L - индуктивность разрядного контура (Гн),
которая для коаксиального кабеля определяется по формуле:
0
-7
где μ=4π×10 (Гн/м) - абсолютная магнитная проницаемость изоляции кабеля;
μ=1 - относительная магнитная проницаемость изоляции кабеля;
l - длина кабеля (м);
D и d - диаметры оплетки и жилы кабеля, соответственно.
Расчеты показывают, что величина индуктивности разрядного контура, соединения в котором выполнены коаксиальным кабелем, более чем в 2 раза меньше величины индуктивности, когда соединения выполнены изолированными проводниками, произвольно расположенными в отдалении друг от друга. При этом амплитуда тока возрастает и, как следствие, пропорционально квадрату тока увеличивается тепловыделение в месте контакта, ведущее к увеличению площади легирования, равномерности и "сплошности" покрытия. Все это увеличивает производительность и качество легирования.
Вариант по п.3 Формулы. Исходное состояние, процессы заряда и разряда конденсатора 7 аналогичны рассмотренному выше. Отличительным является то, что ток идет по цепи: "+" конденсатора 7, верхний изолированный провод 8, электрод-инструмент 3, наконечник 4, изделие 9, электрод-детали 5, нижний изолированный провод соединения 8,: "-" конденсатора 7. В этом случае величина индуктивности разрядного контура определяется по формуле:
1
2
где L, L - величины индуктивности изолированных проводников, соединяющих обкладки конденсатора 7 с электродом-инструментом и с электродом-детали и рассчитываемых как индуктивности уединенных проводников;
М - коэффициент взаимоиндукции между этими проводниками.
Чем ближе проводники расположены друг к другу в контуре, тем больше коэффициент взаимоиндукции М, а, следовательно, уменьшается полная индуктивность L.
Пример конкретного исполнения (вариант по п.3 Формулы).
В качестве источника питания был использован трансформатор ТП154-62 мощностью 60 вт, мост диодный - ВК 1010 (10А.1000 В), активное сопротивление - С5-35 20 ом 50 Вт, конденсатор - К73-16 8,2 мкФ, 100 В, шесть штук, соединенных параллельно; наконечник электрода выполнен из твердого сплава ВК6-М; соединения конденсатора с электродом-инструментом и с электродом-детали выполнены кабелем ШВВП - 2×0,75, длиной 0,9 м (длина проводника в устройстве-прототипе около 1 м).
Было обработано более десяти сверл ⌀ 10 мм из быстрорежущей стали марки Р6М5. Легировалась заборная часть режущей кромки сверл шириной 2 мм и длиной 10 мм.
В известном устройстве (фиг.2-1) ток разряда имел амплитуду в 1,42 раза меньшее значение, чем в предлагаемом устройстве (фиг.2-3). Поскольку тепловое действие пропорционально квадрату его величины, то в предлагаемом устройстве эффективность вклада запасенной энергии конденсатора 7 - примерно в 2 раза больше.
Следствием этого является то, что при использовании предлагаемого устройства ширина легирующего слоя в 1,3-1,5 раз больше, чем в известном устройстве (измерения осуществлялись штангенциркулем). Кроме того, легирующий слой, полученный предлагаемым устройством, имеет более равномерное и сплошное покрытие (определение посредством лупы с 10-кратным увеличением).
Время, затраченное на легирование одного сверла, было в 1,5-1,7 раз меньше, чем в известном устройстве.
На нашем предприятии отработана технология изготовления опытных образцов предлагаемых вариантов устройств. Идет разработка конструкторской документации,
готовится мелкосерийное производство переносного, малогабаритного устройства электроискрового легирования режущего инструмента, в частности сверл, фрез, метчиков, пил, ножей разного типо-размера со следующими параметрами:
Вес источника питания - 2,5 кг (прототип - 7,8 кг).;
Вес вибратора - 0,11 кг (прототип - 0,7 кг);
Габариты: источник питания - 150×170×90 мм (прототип 264×236×125 мм);
вибратор - ⌀ 20 мм, l=160 мм (прототип 135×80×45 мм).
Предлагаемыми устройствами электроискрового легирования металлов была также осуществлена маркировка деталей. Благодаря тому, что вибратор устройства весит всего 0,11 кг и имеет малые габариты, оно удобно удерживается в пальцах руки (тип "электрокарандаша"), что ведет к увеличению скорости маркировки и четкости цифро-буквенной информации.