PL213098B1 - Urządzenie do utwardzania powierzchni metalowych przy pomocy iskry elektrycznej - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do utwardzania powierzchni metalowych przy pomocy wysokonapięciowej iskry elektrycznej.

Iskra elektryczna jest znanym zjawiskiem fizycznym powstającym w wyniku przebicia elektrycznego w gazie pod ciśnieniem atmosferycznym lub większym. Na ogół powstają wówczas zygzakowate rozwidlające się kanały, w których silne elektronowe i jonowe lawiny powodują wzrost ciśnienia do setek atmosfer i temperatury do ~10⁴ K. Istnieje więc potencjalna możliwość wykorzystania tego zjawiska do obróbki powierzchni, z której to wyładowanie zachodzi.

Znane sposoby modyfikacji powierzchni przy pomocy wyładowania elektrycznego polegają na wykorzystaniu ruchomej elektrody, która przesuwając się po obrabianej powierzchni i odrywając się od niej, powoduje powstawanie impulsowego wyładowania elektrycznego wywołującego określone zmiany na obrabianej powierzchni metalowej. W literaturze przedmiotu zostało to przedstawione m. in. w pracach: B. Antoszewski, N. Radek, Wytwarzanie powierzchni niejednorodnych technologią elektroiskrową i laserową, Inżynieria Rolnicza vol. 2, nr 62, str. 23-30, 2005 r., D. Ozimina, N. Radek, J. Senatorski, Wybrane właściwości warstw powierzchniowych otrzymywanych elektroiskrowo, Inżynieria Materiałowa nr 5/2005, str. 701-703, 2005 r., B. Antoszewski, N. Radek, W. Tarelnik, Testing the resistance to seizure of electro spark deposited coating, Problems of Tribology, Ukraina, nr 1/2004, str. 8-13, 2004 r., T. Burakowski, T. Wierzchoń, Inżynieria powierzchni metali, WNT, 1995 r., oraz P. Kula, Inżynieria warstwy wierzchniej, Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, 2001 r.

W przedstawionej literaturze załączanie obwodu elektrycznego nastę powało poprzez zwieranie elektrody z obrabianą powierzchnią. Narzuca to oczywiście wymagania odnośnie stosowanego napięcia, które nie może w tym przypadku być zbyt duże. W związku z tym, wykorzystywanie większych energii powoduje rozciągnięcie procesu w czasie i przechodzenie iskry elektrycznej w wyładowanie łukowe. Bardzo istotnie obniża się przy tym temperatura wyładowania. Materiał jest rozgrzewany głęboko i szybkie schłodzenie go poprzez przewodnictwo cieplne jest wówczas utrudnione. Podobną sytuację mamy w przypadku koreańskiego zgłoszenia nr KR20010069859, w którym zastrzeżony jest sposób wykorzystujący drgające i wirujące elektrody, oraz w zgłoszeniu nr EP137747, gdzie pracę impulsową można również uzyskać jedynie w wyniku zmiany oporności plazmy łuku elektrycznego modyfikującego obrabianą powierzchnię.

W zgł oszeniu patentowym nr GB1315540 ujawnia się sposób obróbki powierzchni metali w celu polepszenia jej przyczepności, polegający na poddawaniu powierzchni wyładowaniu elektrycznemu przez zastosowanie źródła zasilania wysokiej częstotliwości, i przy wykorzystaniu wyładowania z co najmniej jednej elektrody metalowej powleczonej materiałem izolacyjnym o wysokiej stałej dielektrycznej. Mamy tu do czynienia z bardzo małym prądem przesunięcia, który nie jest w stanie wywołać poważniejszych zmian fazowych, a ponadto przy zastrzeżonym zakresie częstotliwości (22-24 kHz) wyładowanie nie może mieć charakteru wyładowania iskrowego.

Istotą wynalazku jest urządzenie do utwardzania powierzchniowego przy pomocy iskry elektrycznej wytworzonej pomiędzy utwardzaną powierzchnią a elektrodą, na którą podawane są wysokonapięciowe impulsy z generatora, charakteryzujące się tym, że generatorem impulsów elektrycznych jest układ składający się z iskiernika, którego jedna elektroda jest połączona poprzez opornik z zasilaniem wysokonapięciowym U i bezpośrednio z okładką kondensatora, którego druga okładka jest połączona z elektrodą i poprzez opornik z masą, natomiast druga elektroda iskiernika jest połączona bezpośrednio z masą.

W kolejnym wariancie wynalazku urządzenie do utwardzania powierzchniowego przy pomocy iskry elektrycznej charakteryzuje się tym, że generatorem impulsów elektrycznych jest układ składający się z iskiernika, którego jedna elektroda jest połączona poprzez opornik z zasilaniem wysokonapięciowym U i bezpośrednio z okładką pierwszego kondensatora, którego druga okładka jest połączona z elektrodą i poprzez opornik z masą, natomiast druga elektroda iskiernika jest połączona poprzez opornik z zasilaniem wysokonapięciowym -U i bezpośrednio z okładką drugiego kondensatora, którego druga okładka jest połączona z masą.

Korzystnie, urządzenie posiada laser wraz z układem ogniskującym wiązkę laserową na modyfikowanej powierzchni, w miejscu oddziaływania iskry elektrycznej z tą powierzchnią.

Korzystnie, urządzenie w obszarze iskry elektrycznej posiada dodatkowo dyszę nadmuchu gazu połączoną z butlą.

PL 213 098 B1

Wynalazek został przedstawiony w przykładzie wykonania, w którym fig. 1-5 przedstawiają poszczególne warianty urządzenia do utwardzania powierzchni wysokonapięciową iskrą elektryczną, zaś fig. 6 - mikroskopową strukturę powierzchni.

Urządzenie do utwardzania powierzchni (1 przy pomocy iskry elektrycznej (2), wytworzonej pomiędzy tą powierzchnią a elektrodą (3), wykorzystuje generator impulsów wysokonapięciowych zbudowany w oparciu o iskiernik (4) załączający do masy podłączoną poprzez opornik (5) do zasilania wysokonapięciowego U okładkę kondensatora (6), którego druga okładka jest połączona bezpośrednio z elektrodą (3) i poprzez opornik (7) z masą (fig. 1).

W innej postaci wynalazku okładka kondensatora (6), podłączona poprzez opornik (5) do zasilania wysokonapięciowego U, jest załączana poprzez iskiernik (4) do podłączonej poprzez opornik (8) do zasilania wysokonapięciowego -U okładki kondensatora (9), którego druga okładka jest połączona bezpośrednio z masą, przy czym druga okładka kondensatora (6) jest połączona bezpośrednio z elektrodą (3) i poprzez opornik (7) z masą (fig. 2).

W procesie utwardzania można zastosować także wiązkę lasera (10) skupioną przy pomocy układu ogniskującego (11) na utwardzanej powierzchni (1), w miejscu oddziaływania iskry elektrycznej (fig. 3), oraz dodatkowo nadmuch (12) gazów z butli (13), w miejscu oddziaływania iskry elektrycznej z utwardzaną powierzchnią (fig. 4).

Przedstawione urządzenie jest szczególnie korzystne przy obróbce części maszyn. W wyniku krótkiego oddziaływania iskry elektrycznej następuje bardzo szybkie nagrzewanie i topnienie warstwy powierzchniowej, a następnie szybki proces przechodzenia w stan stały, niekiedy amorficzny. Zależnie od składu chemicznego, np. dla stopów Fe-C, można uzyskiwać struktury martenzytyczne, martenzytyczno-bainityczne, zaś dla żeliwa - ledeburyt (żeliwo białe).

W wykonanym układzie, którego schemat przedstawiono na rysunku (fig. 5), elektroda w postaci miedzianego pręta o średnicy 1,5 mm zakończona sferą o promieniu 0,75 mm była usytuowana w odległości d = 1 mm od powierzchni obrabianego materiału. W wyniku załączenia dwóch przeciwnie naładowanych kondensatorów do napięcia ± 30 kV poprzez iskiernik, powstawał zamknięty obwód elektryczny, w którym głównymi odbiornikami energii zgromadzonej w kondensatorach jest iskiernik i elektroda z iskrą elektryczną obrabiającą powierzchnię podstawionego detalu.

W wyniku obróbki żeliwa E210 uzyskano strukturę powierzchni przedstawioną na zdjęciu mikroskopowym przedstawionym na fig. 6.

Efektem obróbki był bardzo znaczny wzrost twardości materiału na jego powierzchni.

Claims (6)

1. Urządzenie do utwardzania powierzchni metalowych przy pomocy iskry elektrycznej (2) wytworzonej pomiędzy utwardzaną powierzchnią (1) a elektrodą (3), na którą podawane są wysokonapięciowe impulsy z generatora, znamienne tym, że generatorem impulsów elektrycznych jest układ składający się z iskiernika (4), którego jedna elektroda jest połączona poprzez opornik (5) z zasilaniem wysokonapięciowym U i bezpośrednio z okładką kondensatora (6), którego druga okładka jest połączona z elektrodą (3) i poprzez opornik (7) z masą, natomiast druga elektroda iskiernika jest połączona bezpośrednio z masą.

2. Urządzenie według zastrz. 1, znamienne tym, że posiada laser (10) wraz z układem (11) ogniskującym wiązkę laserową na modyfikowanej powierzchni (1), w miejscu oddziaływania iskry elektrycznej (2) z tą powierzchnią.

3. Urządzenie według zastrz. 1 albo 2, znamienne tym, że w obszarze iskry elektrycznej (2) posiada dodatkowo dyszę nadmuchu gazu (12) połączoną z butlą (13).

4. Urządzenie do utwardzania powierzchni metalowych przy pomocy iskry elektrycznej (2) wytworzonej pomiędzy utwardzaną powierzchnią (1) a elektrodą (3), na którą podawane są wysokonapięciowe impulsy z generatora, znamienne tym, że generatorem impulsów elektrycznych jest układ składający się z iskiernika (4), którego jedna elektroda jest połączona poprzez opornik (5) z zasilaniem wysokonapięciowym U i bezpośrednio z okładką kondensatora (6), którego druga okładka jest połączona z elektrodą (3) i poprzez opornik (7) z masą, natomiast druga elektroda iskiernika jest połączona poprzez opornik (8) z zasilaniem wysokonapięciowym -U i bezpośrednio z okładką kondensatora (9), którego druga okładka jest połączona z masą.

PL 213 098 B1

5. Urządzenie według zastrz. 4, znamienne tym, że posiada laser (10) wraz z układem (11) ogniskującym wiązkę laserową na modyfikowanej powierzchni (1), w miejscu oddziaływania iskry elektrycznej (2) z tą powierzchnią.

6. Urządzenie według zastrz. 4 albo 5, znamienne tym, że w obszarze iskry elektrycznej (2) posiada dodatkowo dyszę nadmuchu gazu (12) połączoną z butlą (13).