自動(dòng)高能微弧火花表面冶金處理機(jī)電極控制器研究

張存來

(忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 忻州 034000)

自動(dòng)高能微弧火花表面冶金處理機(jī)電極控制器研究

張存來

(忻州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山西 忻州 034000)

介紹了高能微弧火花表面冶金處理機(jī)自動(dòng)電極控制器的研制，實(shí)現(xiàn)了金屬表面處理機(jī)由手動(dòng)操作到自動(dòng)的轉(zhuǎn)變，初步解決了制約這一技術(shù)推廣應(yīng)用的瓶頸問題。通過采集和分析電火花放電間隙的電壓、電流脈沖，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)、穩(wěn)定的放電控制。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)、調(diào)試 ，驗(yàn)證了此電極控制器能夠很好地連續(xù)、穩(wěn)定工作，實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面工件、坡面工件和多種花樣圖案工件的強(qiáng)化與修復(fù)。

金屬表面；電極控制器；火花放電；冶金處理機(jī)

1 概述

全自動(dòng)高能微弧火花表面冶金處理機(jī)是利用高頻電火花放電原理，對(duì)金屬零部件磨損后的表面進(jìn)行無熱堆焊修復(fù)，也可以利用強(qiáng)化功能對(duì)金屬零部件表面進(jìn)行強(qiáng)化處理，以實(shí)現(xiàn)零部件的耐磨性、耐熱性和耐蝕性等[1]。

隨著金屬表面修復(fù)、強(qiáng)化技術(shù)的不斷發(fā)展及應(yīng)用，越來越多的高端精密表面強(qiáng)化、修復(fù)儀器投入市場(chǎng)，其中利用高頻電火花放電原理的金屬表面強(qiáng)化修復(fù)機(jī)應(yīng)用也較多。然而，目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上所出現(xiàn)的該類型強(qiáng)化修補(bǔ)機(jī)都不是全自動(dòng)機(jī)器，如在進(jìn)行金屬表面鍍層修補(bǔ)時(shí)，需要人工手持焊槍來操作，大大降低了修補(bǔ)的效率，浪費(fèi)時(shí)間和人力；另外，人工手動(dòng)操作具有很大的不穩(wěn)定性，這也影響了金屬修復(fù)、強(qiáng)化鍍層的工作質(zhì)量。因此，研制該表面冶金處理機(jī)的電極控制器，使其具有全自動(dòng)化性，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)加工具有現(xiàn)實(shí)的意義。

全自動(dòng)高能微弧火花表面處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。它由步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)的工作槍、XY工作臺(tái)、火花發(fā)生器和電極控制器組成。信號(hào)的采集分析是電極控制的基礎(chǔ)，起著關(guān)鍵的作用，關(guān)系到儀器能否可靠穩(wěn)定運(yùn)行。

2 放電波形采集系統(tǒng)

設(shè)備對(duì)金屬表面處理過程控制的好壞是影響強(qiáng)化質(zhì)量和處理能否正常進(jìn)行的關(guān)鍵，無論哪種先進(jìn)的控制技術(shù)，都要以先進(jìn)的檢測(cè)環(huán)節(jié)為基礎(chǔ)，而且設(shè)計(jì)的關(guān)鍵也在于檢測(cè)參數(shù)的選擇及其檢測(cè)環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。

以放電電極能否在工件表面實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定放電為目的來設(shè)計(jì)檢測(cè)控制環(huán)節(jié)。目前關(guān)于間隙放電狀態(tài)的檢測(cè)，國(guó)內(nèi)外研究人員提出了幾種方法，主要有射頻信號(hào)檢測(cè)、間隙平均電壓檢測(cè)、擊穿延時(shí)檢測(cè)、放電狀態(tài)時(shí)間百分?jǐn)?shù)檢測(cè)和壓下力檢測(cè)等[2-6]。

圖1 全自動(dòng)高能微弧火花表面處理機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

對(duì)于不同的放電電路，需要采用與之相適應(yīng)的檢測(cè)電路。用示波器對(duì)本放電設(shè)備的電極放電波形進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其與文獻(xiàn)上的理想化波形描述有差別。為了選擇出最適合的檢測(cè)方法，組建了LabView數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集，其原理圖如圖2所示。其中，電阻R1與R2組成分壓電路(分壓比為100∶1)，用于檢測(cè)放電間隙電壓值；電流傳感器和電阻Ri(12 Ω)用于檢測(cè)放電間隙電流，電流傳感器的匝數(shù)比為1 000∶1。

3 放電波形采集與數(shù)據(jù)分析

采用上述數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)對(duì)可控硅后的放電波形在不同電壓、不同頻率下分別進(jìn)行了采集分析，放電脈沖通過可控硅觸發(fā)控制，可控硅后為放電的直接測(cè)量點(diǎn)。通過對(duì)放電波形進(jìn)行分析，可以得到空載、過載和正常放電時(shí)的波形圖。

3.1 空載

空載時(shí)的放電波形如圖3所示。電壓為脈沖序列，其脈沖幅值在40 V～55 V范圍內(nèi)，而電流的幅值很小，所以可以將空載時(shí)的狀態(tài)等效成只有電壓脈沖而沒有電流脈沖。

圖2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖

圖3 空載時(shí)的放電波形

3.2 過載

過載時(shí)的放電波形如圖4所示。電壓的幅值幾乎為零，雖然電流波形是周期為0.01 s(100 Hz)的有規(guī)律波形，但是其幅值很小，因此，將過載時(shí)的狀態(tài)等效成既沒有電壓脈沖，也沒有電流脈沖。

圖4 過載時(shí)的放電波形

3.3 火花放電

火花放電時(shí)的放電波形如圖5所示?；鸹ǚ烹姇r(shí)，每一個(gè)電壓脈沖都將有一個(gè)電流脈沖與之相對(duì)應(yīng)，雖然相比較之下電壓的幅值遠(yuǎn)小于電流的幅值，但是此狀態(tài)下電壓脈沖的幅值與空載時(shí)的電壓脈沖的幅值相接近，所以將火花放電時(shí)的狀態(tài)等效成既有電壓脈沖，又有電流脈沖。

4 檢測(cè)與控制方案

根據(jù)上述分析，可以通過檢測(cè)電壓、電流的脈沖數(shù)(計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)方式)來確定放電狀態(tài)的好壞。選擇合適的電壓、電流幅度閾值，用兩個(gè)計(jì)數(shù)器分別記錄下電壓

脈沖數(shù)(空載和火花放電時(shí)的脈沖個(gè)數(shù))和電流脈沖數(shù)(火花放電時(shí)的脈沖個(gè)數(shù))。當(dāng)只有電壓脈沖而沒有電流脈沖時(shí)，處于空載狀態(tài)，電極應(yīng)向下運(yùn)行接近工件；當(dāng)既沒有電壓脈沖又沒有電流脈沖時(shí)，處于過載狀態(tài)，電極應(yīng)向上運(yùn)行離開工件；當(dāng)既有電壓脈沖又有電流脈沖時(shí)，是火花放電狀態(tài)，電極位置合適，保持原位不動(dòng)。脈沖計(jì)數(shù)控制電路方框圖如圖6所示。

圖5 火花放電時(shí)的脈沖波形

圖6 脈沖計(jì)數(shù)控制電路方框圖

5 結(jié)論

本文所研制的電極控制器，在中國(guó)科學(xué)院金屬研究所研制的3H-ES-A5000自動(dòng)表面冶金處理機(jī)上進(jìn)行了大量的試驗(yàn)。在試驗(yàn)中，該電極控制器工作穩(wěn)定，對(duì)于平面以及曲面工件都能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定地放電，加工出的試樣工件的表面鍍層均勻連續(xù)，能滿足實(shí)際生產(chǎn)需要。

[1] 羅成，董仕節(jié)，熊翔，等.電火花沉積表面處理技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)展[J].表面技術(shù)，2009，38(4)：53-56.

[2] 王東生，王茂才，鄒躍歧，等.電火花表面強(qiáng)化處理研究進(jìn)展[J].航空維修與工程，2003(4)：36-37.

[3] 朱世根，施群，顧偉生，等.電火花表面強(qiáng)化工藝及設(shè)備[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2002(6)：80-81.

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Automatic Electrode Controller for Micro-arc High-energy Spark Surface Metallurgy Processor

ZHANG Cun-lai

(Xinzhou Vocational & Technical College, Xinzhou 034000, China)

This paper introduced the development of an automatic electrode controller for high-energy micro-arc spark surface metallurgy processor. By use the controller, the change from manual to automatic repair and reinforcement of metal parts wear surface is realized, so that the bottleneck problems of restricting this technology popular has been preliminarily solved. Through the sampling and analysis of the voltage pulse and current pulse of the spark discharge gap, the continuous and stable discharge control is realized by the electrode controller. The experiment and debugging show that the electrode controller works continually and stably and the repair of the surface of metal parts is realized.

metal surface; electrode controller; spark discharge; metallurgy processor

1672- 6413(2015)06- 0161- 02

2015- 09- 21；

2015- 11- 02

張存來(1956-)，男，山西定襄人，副教授，本科，主要從事金屬材料加工工藝研究。

TP273

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