WO2013183116A1 - 放電表面処理装置 - Google Patents

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裕介 安永
後藤　昭弘
寺本　浩行
信行 鷲見
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    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00—Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24—Generating plasma
    • H05H1/46—Generating plasma using applied electromagnetic fields, e.g. high frequency or microwave energy
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05H—PLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H2242/00—Auxiliary systems
    • H05H2242/20—Power circuits
    • H05H2242/22—DC, AC or pulsed generators

Definitions

  • the present invention relates to an electric discharge surface treatment apparatus that forms a film on the surface of a workpiece (workpiece) using electric discharge machining technology.
  • the discharge surface treatment device generates a pulsed discharge between a work electrode and a discharge electrode formed by compression molding any one of a metal powder, a metal compound powder, a ceramic powder, or a mixture thereof.
  • the electrode material melted by the thermal energy of the discharge or an apparatus for forming a film made of a substance obtained by reacting the electrode material by the thermal energy of the discharge.
  • the workpiece is a part used in a high temperature environment such as a turbine blade of an aircraft gas turbine engine.
  • a high temperature environment such as a turbine blade of an aircraft gas turbine engine.
  • it is necessary to coat or build up a material having strength and lubricity on the surface in a high temperature environment, and a discharge surface treatment apparatus is used.
  • the supply amount of the electrode material between the electrodes by the discharge pulse current and the subsequent supply amount to the workpiece surface are appropriate, and the supplied electrode It is necessary that the material is melted by the discharge pulse current and firmly bonded to the workpiece surface.
  • Patent Document 1 proposes a discharge surface treatment apparatus that can generate a discharge pulse current satisfying the above requirements between the electrodes to form a dense and relatively thick film. That is, Patent Document 1 discloses a configuration in which a capacitor is connected in parallel with the discharge electrode and the workpiece as a configuration for generating a discharge pulse current that satisfies the above requirements between the electrodes.
  • the capacitor is charged by the no-load voltage applied between the electrodes from the power source, and when discharge occurs, first, the current from the capacitor is added to the current supplied from the power source between the electrodes.
  • a discharge current having a high peak value and a short pulse width flows, followed by a discharge current having a low current value and a long pulse width consisting only of a current supplied from a power source.
  • a discharge pulse current having a shape of “high peak value short pulse width” + “low current value long pulse width” can flow between the electrodes. .
  • the electrode material is broken by breaking the electrode in the current portion of the “high peak value short pulse width”.
  • the supply amount between the electrodes is controlled, and in the subsequent current portion of the “low current value long pulse width”, a part of the electrode material is melted by the thermal energy of the discharge to form a film on the workpiece surface. .
  • Patent Document 1 if the capacitor is referred to as a first capacitor, a second capacitor is provided in parallel to the first capacitor, and the second capacitor is delayed from the occurrence of discharge.
  • the discharge current is prevented from being interrupted due to the reversal of the output current direction in the first capacitor by supplying the current.
  • the peak current from the first capacitor and the peak current from the second capacitor are superimposed, so that the electrode is melted.
  • the current value partially increases. If a part with an increased current value is formed in a part of the current part of the first "high peak value and short pulse width", the thermal energy for melting a part of the electrode material will increase too much and the film can be transferred to the coating side. Therefore, the film becomes a film having many voids and defects.
  • the present invention provides a gap between a discharge electrode obtained by compression molding a metal powder, a metal compound powder, a ceramic powder, or a mixture thereof and a workpiece.
  • a discharge surface treatment apparatus that generates a pulsed discharge and forms a film made of an electrode material or the like on the work surface by the heat energy of the discharge, one end is connected to either the discharge electrode or the work A capacitor, and a parallel circuit of a resistor and a diode provided in a connection line between either one of the discharge electrode and the workpiece and the other end of the capacitor are provided.
  • the reversal current caused by the reversal of the output current direction generated by the capacitor is suppressed or prevented in the vicinity of the boundary between the current portion of the first high peak value short pulse width and the subsequent current portion of the low current value long pulse width. Therefore, it is possible to prevent the discharge pulse current from being interrupted in the vicinity of the boundary between the current portion of the leading high peak value short pulse width and the subsequent low current value long pulse width current portion.
  • the current value does not locally vary in the current portion of the leading high peak value short pulse width. Therefore, there is an effect that the waveform of the entire discharge pulse current having a current portion with a high peak value and a short pulse width at the head generated between the electrodes can be formed into a current waveform that does not affect the film generation.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a waveform diagram illustrating the principle relationship between the pulse voltage applied between the electrodes and the flowing discharge pulse current.
  • FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 4 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a waveform diagram illustrating the principle relationship between the pulse voltage applied between the electrodes and the flowing discharge pulse
  • FIG. 7 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 9 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • FIG. 1 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 1 of the present invention.
  • a capacitor is connected in parallel with a discharge electrode and a workpiece arranged at a certain interval, and a current portion having a high peak value and a short pulse width is placed at the head of a discharge pulse current flowing between the electrodes of the discharge electrode and the workpiece.
  • a circuit (No. 1) is shown in which the discharge pulse current can be formed into a current waveform that does not affect the film formation when the film is formed.
  • a discharge electrode 1 for discharge surface treatment is a green compact obtained by compression molding any one of a metal powder, a metal compound powder, a ceramic powder, or a mixture thereof.
  • the workpiece 2 which is a material to be processed is a part that needs to be coated or built up with a material having strength and lubricity in a high temperature environment.
  • the discharge electrode 1 is directly connected to the positive end of the power source 3.
  • a work piece is connected to the negative electrode end of the power supply 3 via a series circuit of a switching element group 4 including a plurality of switching elements arranged in parallel and a resistor group 5 in which the same number of resistors as the plurality of switching elements are juxtaposed. 2 is connected.
  • Each switching element of the switching element group 4 is individually ON / OFF controlled by the control circuit 6. As a result, each switching element of the switching element group 4 constitutes a discharge pulse generator.
  • the discharge electrode 1 is connected to one end of a capacitor 8 via a parallel circuit of a resistor 9 and a diode 10.
  • the diode 10 has an anode terminal connected to the discharge electrode 1 and a cathode terminal connected to one end of the capacitor 8. The other end of the capacitor 8 is directly connected to the work 2.
  • FIG. 2 is a waveform diagram for explaining the principle relationship between the pulse voltage applied between the electrodes and the flowing discharge pulse current.
  • FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG. In FIG. 3, (1) the interelectrode voltage, (2) the discharge current, (3) the current from the power source 3, (4) the current from the capacitor 8, and (5) one or more of the switching element group 4 The timing of the switching elements is shown.
  • FIG. 2 (1) shows the control operation contents of the control circuit 6.
  • the control circuit 6 turns on one or more switching elements of the switching element group 4, the output voltage of the power source 3 is applied between the discharge electrode 1 and the workpiece 2.
  • the voltage between the electrodes decreases from the no-load voltage 12 before the discharge to the discharge voltage 13.
  • the control circuit 6 continues to turn on one or more switching elements of the switching element group 4 until the predetermined time 14 elapses from the timing when the interelectrode voltage decreases from the no-load voltage 12 to the discharge voltage 13, and the predetermined time When 14 has elapsed, one or more switching elements in which the switching element group 4 is turned on are turned off for a predetermined time to form a rest time 15. Turn on the element.
  • the control circuit 6 repeats the above operation. A pulse voltage having a pulse width of a period 16 in which one or more switching elements of the switching element group 4 are ON is repeatedly applied between the poles with a pause time 15 therebetween.
  • a discharge pulse current having the predetermined time 14 as a pulse width flows.
  • This discharge pulse current is composed of a leading pulse current 17 and a subsequent pulse current 18.
  • the leading pulse current 17 is a current component having a high peak value and a short pulse width
  • the subsequent pulse current 18 is a current component having a low current value and a long pulse width.
  • the leading pulse current 17 having a high peak value and a short pulse width is due to the provision of the capacitor 8, and the state of its operation is shown in FIG. That is, when one or more switching elements of the switching element group 4 are turned on and a voltage is applied between the electrodes from the power source 3, the capacitor 8 is charged through the resistor 9.
  • the head of the high peak value short pulse width obtained by adding the current (FIG. 3 (4)) from the capacitor 8 to the current (FIG. 3 (3)) supplied from the power source 3 between the electrodes.
  • a pulse current 17 (FIG. 2) flows, followed by a subsequent pulse current 18 (FIG. 2) having a low current value length pulse width consisting only of a current (FIG. 3 (3)) supplied from the power source 3.
  • the phenomenon that the discharge current is interrupted in the middle as in the prior art can be suppressed.
  • the current value does not locally vary in the current portion of the leading high peak value short pulse width. Therefore, since a discharge pulse current having an appropriate current waveform that does not affect the formation of the film can be supplied between the electrodes, a dense film can be formed.
  • the capacitor 8 is charged via the resistor 9 in preparation for the next cycle. If the resistance value of the resistor 9 is large, the effect of suppressing the reversal current of the capacitor 8 is increased, but charging the capacitor 8 is hindered, so that there is a problem that the charging time becomes longer. Therefore, the resistance value of the resistor 9 is set to about 10 to 100 ⁇ so as to suppress the reversal current of the capacitor 8 and not affect the charging time.
  • Patent Document 2 describes a method for suppressing a pulse in the negative electrode direction in positive and negative AC pulses.
  • this is a circuit that suppresses the negative current of alternating current, charging to the capacitor is not taken into consideration, and the circuit is configured to prevent the pulse from being connected.
  • This circuit is different from a circuit that generates a combination of a first pulse current 17 having a short pulse width and a subsequent pulse current 18 having a low pulse length.
  • FIG. FIG. 4 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 2 of the present invention.
  • the same reference numerals are given to components that are the same as or equivalent to the components shown in FIG. 1 (Embodiment 1).
  • the description will be focused on the portion related to the second embodiment.
  • a capacitor is connected in parallel with a discharge electrode and a workpiece arranged at a certain interval, and a current portion having a high peak value and a short pulse width is placed at the head of the discharge pulse current flowing between the discharge electrode and the workpiece.
  • a circuit part 2 capable of forming the discharge pulse current into a current waveform that does not affect the film generation, in place of the capacitor 8,
  • a series circuit of a capacitor group 20 in which a plurality of capacitors constituting a variable capacitor are juxtaposed and a switch group 21 in which the same number of switches as the plurality of capacitors are juxtaposed is provided.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • each switch of the switch group 21 is a transistor, a relay, or a mechanical switch. Therefore, each switch of the switch group 21 is individually ON / OFF controlled by the control circuit 6 or manually.
  • FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • the timings of the switching elements are shown.
  • the inversion current generated in the capacitor performing charge / discharge operation in the capacitor group 20 is blocked by the diode 10, and the resistor Therefore, there is no problem that a portion with a low output current is generated in the current portion where the leading pulse current 17 is switched to the succeeding pulse current 18 as shown in FIGS.
  • the current value does not locally vary in the current portion of the leading high peak value short pulse width.
  • a discharge pulse current having an appropriate current waveform that does not affect the formation of the film can be supplied between the electrodes.
  • the number of switches to be turned on in the switch group 21 by changing the number of switches to be turned on in the switch group 21, the number of capacitors to be charged / discharged in the capacitor group 20 can be changed.
  • the capacitance value of the capacitor connected in parallel can be changed.
  • the peak value of the leading pulse current 17 having a high peak value and a short pulse width can be changed. Therefore, when the discharge electrode 1 is hard, the peak current is largely controlled. However, when the discharge electrode 1 is soft, the peak current can be controlled to be small.
  • the supply amount of the electrode material can be made flexible so as to flexibly correspond to various electrodes, it is possible to form a dense film with various electrodes.
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 3 of the present invention.
  • components that are the same as or equivalent to the components shown in FIG. 1 are assigned the same reference numerals.
  • the description will be focused on the portion related to the third embodiment.
  • a capacitor is connected in parallel with a discharge electrode and a workpiece arranged at a certain interval, and a current portion having a high peak value and a short pulse width is placed at the head of the discharge pulse current flowing between the discharge electrode and the workpiece.
  • the resistor 9 and the diode 10 are formed as a circuit (part 3) that can form the discharge pulse current into a current waveform that does not affect the film generation.
  • a switching element 23 is provided. The switching element 23 is ON / OFF controlled by the control circuit 6.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • FIG. 7 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • the timing of the switching element and (6) the timing of the switching element 23 are shown.
  • the control circuit 6 turns on the switching element 23 when turning on one or more switching elements of the switching element group 4 and applying the output voltage of the power source 3 between the discharge electrode 1 and the workpiece 2 (FIG. 7 ( 5) (6)). As a result, the capacitor 8 is charged through the switching element 23.
  • a pulse having a high peak value and a short pulse width obtained by adding the current (FIG. 7 (4)) from the capacitor 8 to the current (FIG. 7 (3)) supplied from the power source 3 between the electrodes.
  • a current 17 (FIG. 2) flows, followed by a pulse current 18 (FIG. 2) having a low current value length pulse width consisting only of a current (FIG. 7 (3)) supplied from the power source 3.
  • the reverse of the current direction occurs in the capacitor 8 at the location where the subsequent pulse current 18 having the “low current value length pulse width” starts to flow, but the control circuit 6 knows in advance the timing at which the subsequent pulse current 18 starts flowing. Therefore, the switching element 23 is turned OFF at that timing, and this is continued for a short arbitrary time (FIG. 7 (6)). Then, even if the current direction is reversed in the capacitor 8, the reversed current is blocked by the switching element 23 that is turned off. Therefore, as shown in FIGS. 7 (2) and (4), there is no problem that a portion with a low output current occurs in the current portion where the leading pulse current 17 switches to the succeeding pulse current 18.
  • the phenomenon that the discharge current is interrupted in the middle as in the prior art can be suppressed.
  • the current value does not locally vary in the current portion of the leading high peak value short pulse width. Therefore, since a discharge pulse current having an appropriate current waveform that does not affect the formation of the film can be supplied between the electrodes, a dense film can be formed.
  • control circuit 6 turns on the switching element 23 that has been turned off after the lapse of an arbitrary time so that the capacitor 8 can be charged in preparation for the next cycle in the period of the subsequent pulse current 18 (FIG. 7 (6)). This is continued until one or more switching elements of the switching element group 4 are turned off (FIGS. 7 (5) and (6)). Thus, sufficient charging can be completed in a short time without increasing the charging time of the capacitor 8.
  • FIG. 8 is a circuit diagram showing a main configuration of a discharge surface treatment apparatus according to Embodiment 4 of the present invention.
  • components that are the same as or equivalent to the components shown in FIG. 6 are assigned the same reference numerals.
  • the description will be focused on the portion related to the fourth embodiment.
  • a capacitor is connected in parallel with a discharge electrode and a workpiece arranged at a certain interval, and a current portion having a high peak value and a short pulse width at the head of a discharge pulse current flowing between the electrodes of the discharge electrode and the workpiece.
  • a circuit part 4 that can form the discharge pulse current into a current waveform that does not affect the film generation, in place of the capacitor 8,
  • a series circuit of the capacitor group 20 and the switch group 21 shown in FIG. 3 constituting the variable capacitor is provided.
  • the contents of each switch of the switch group 21 and the ON / OFF control method are the same as in the second embodiment.
  • Other configurations are the same as those in FIG.
  • FIG. 9 is a waveform diagram for explaining the operation of the main configuration of the discharge surface treatment apparatus shown in FIG.
  • the timing of the switching element and (6) the timing of the switching element 23 are shown.
  • the control circuit 6 turns on one or more switching elements of the switching element group 4 in a state where any one of the switch groups 21 is ON, and changes the output voltage of the power source 3 between the discharge electrode 1 and the workpiece 2.
  • the switching element 23 is turned ON (FIGS. 9 (5) and (6)). Then, the capacitors in the capacitor group 20 corresponding to the ON switches in the switch group 21 are charged through the switching element 23.
  • the control circuit 6 knows in advance the timing at which the subsequent pulse current 18 begins to flow. Therefore, the control circuit 6 turns off the switching element 23 at that timing and continues it for a short arbitrary time ( FIG. 9 (6)). Then, even if the current direction inversion occurs in the capacitors that are charging / discharging in the capacitor group 20, the inversion current is blocked by the switching element 23 that is turned OFF, and therefore, as shown in FIGS. Thus, there is no problem that a portion with a low output current is generated in the current portion where the leading pulse current 17 is switched to the succeeding pulse current 18. In addition, the current value does not locally vary in the current portion of the leading high peak value short pulse width.
  • a discharge pulse current having an appropriate current waveform that does not affect the formation of the film can be supplied between the electrodes.
  • control circuit 6 arbitrarily turns off the switching element 23 so that the capacitor 8 can be charged in preparation for the next cycle in the period of the subsequent pulse current 18. It is turned on after a lapse of time (FIG. 9 (6)), and this is continued until one or more switching elements of the switching element group 4 are turned off (FIGS. 9 (5) and (6)).
  • FOG. 9 (6) the control circuit 6 arbitrarily turns off the switching element 23 so that the capacitor 8 can be charged in preparation for the next cycle in the period of the subsequent pulse current 18. It is turned on after a lapse of time (FIG. 9 (6)), and this is continued until one or more switching elements of the switching element group 4 are turned off (FIGS. 9 (5) and (6)).
  • the number of switches that are turned on in the switch group 21 by changing the number of switches that are turned on in the switch group 21, the number of capacitors that perform charge / discharge operations in the capacitor group 20 can be changed.
  • the capacitance value of the capacitor connected in parallel with can be changed.
  • the peak current 17 having a high peak value and a short pulse width can be changed, the peak current is largely controlled when the discharge electrode 1 is hard. However, when the discharge electrode 1 is soft, the peak current can be controlled to be small.
  • the supply amount of the electrode material can be appropriately adapted to flexibly correspond to various electrodes, a dense film with various electrodes can be formed.
  • the discharge surface treatment apparatus connects the capacitor in parallel with the discharge electrode and the workpiece, and forms a current portion having a high peak value and a short pulse width at the head of the discharge pulse current generated between the electrodes.
  • it is useful as a discharge surface treatment apparatus capable of forming the waveform of the entire discharge pulse current into a current waveform that does not affect the film formation.

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Abstract

　放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、極間に発生する放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、後続の低電流値長パルス幅の電流部分に切り替わる箇所において反転電流を抑制または阻止することにより、放電パルス電流の波形を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成する。

Description

放電表面処理装置
　本発明は、放電加工技術を利用して被処理材（ワーク）の表面に被膜を形成する放電表面処理装置に関するものである。
　放電表面処理装置は、金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの極間にパルス状の放電を発生させ、ワークの表面に、その放電の熱エネルギーによって溶融した電極材料あるいは電極材料が放電の熱エネルギーにより反応した物質からなる被膜を形成する装置である。
　なお、ワークとしては、例えば航空機用ガスタービンエンジンのタービンプレードなど高温環境下で用いられる部品である。この種の高温環境下で用いられる部品の補修などでは、表面に高温環境下で強度と潤滑性とを持った材料をコーティングあるいは肉盛りする必要があり、放電表面処理装置が用いられる。
　ところで、緻密な厚膜を放電表面処理により形成するためには、放電パルス電流による電極材料の極間への供給量およびその後のワーク表面への供給量が適切であり、かつ、供給された電極材料がその放電パルス電流により溶融されてワーク表面に強固に結合することが必要である。
　例えば特許文献１では、上記要件を満たした放電パルス電流を極間に発生させ、緻密で比較的厚い被膜を形成できる放電表面処理装置が提案されている。すなわち、特許文献１では、上記要件を満たした放電パルス電流を極間に発生させる構成として、放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続した構成が示されている。
　この構成によれば、コンデンサは、電源から極間に印加される無負荷電圧により充電され、放電が発生すると、極間に、まず、電源から供給される電流にコンデンサからの電流が加算された高ピーク値短パルス幅の放電電流が流れ、それに電源から供給される電流のみからなる低電流値長パルス幅の放電電流が後続して流れる。このように、放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続すれば、極間に、「高ピーク値短パルス幅」＋「低電流値長パルス幅」の形状をした放電パルス電流を流すことができる。
　この「高ピーク値短パルス幅」＋「低電流値長パルス幅」の形状をした放電パルス電流によれば、先頭の「高ピーク値短パルス幅」の電流部分において、電極を崩して電極材料の極間への供給量が制御され、後続の「低電流値長パルス幅」の電流部分において、電極材料の一部を放電の熱エネルギーにより溶融しワーク表面に被膜を形成することが行われる。
　しかし、先頭のパルス電流部分と後続のパルス電流部分との境界箇所では、極間の放電電圧によりコンデンサへの充電が開始されるので、出力電流方向の反転が起こり、出力電流の低い部分が発生するという問題がある。特に、電源から供給される電流が低い場合、この出力電流方向の反転が起こる部分において放電電流が途切れる現象が起こることがある。放電電流が途中で途切れると、必要な放電熱エネルギーを得ることができないため、電極材料の溶融が不完全となり、空隙や欠陥の多い被膜が形成されてしまう。
　この問題を解決するため、特許文献１では、上記コンデンサを第１のコンデンサと称すれば、該第１のコンデンサに並列に第２のコンデンサを設け、放電発生から遅延して第２のコンデンサから電流を供給することで、第１のコンデンサでの出力電流方向の反転による放電電流の途切れを防止する構成が提案されている。
　しかし、極間に、第１のコンデンサと第２のコンデンサとを並置する構成では、第１のコンデンサからのピーク電流と第２のコンデンサからのピーク電流とを重畳させるため、電極を溶かす働きを行う「高ピーク値短パルス幅」の先頭電流部分において、電流値が部分的に増加してしまう。先頭の「高ピーク値短パルス幅」の電流部分の一部に電流値の増加した部分が出来てしまうと、電極材料の一部を溶融する熱エネルギーが増加し過ぎて上手く被膜側へ移行できず被膜を除去する働きを起こすので、被膜は空隙や欠陥の多い被膜となる。
特開２００５－２１３５５４号公報
　つまり、従来技術では、先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を有する放電パルス電流の波形を、被膜形成に影響を与えない電流波形に形成することが不可能であった。
　本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、極間に発生する放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、その放電パルス電流の波形を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できる放電表面処理装置を得ることを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの極間にパルス状の放電を発生させ、その放電の熱エネルギーによってワーク表面に電極材料等からなる被膜を形成する放電表面処理装置において、前記放電電極と前記ワークとのいずれか一方に一端が接続されたコンデンサと、前記放電電極と前記ワークとのいずれか他方と前記コンデンサの他端との間の接続ラインに介在して設けられた抵抗器およびダイオードの並列回路とを備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分と後続の低電流値長パルス幅の電流部分との境界付近において、コンデンサで生ずる出力電流方向の反転による反転電流を抑制または阻止することができるので、放電パルス電流が、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分と後続の低電流値長パルス幅の電流部分との境界付近において途切れることを無くすことができる。また、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分において局所的に電流値が異なることも生じない。したがって、極間に発生する先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を有する放電パルス電流全体の波形を、被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できるという効果を奏する。
図１は、本発明の実施の形態１による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。 図２は、極間に印加するパルス電圧と流れる放電パルス電流との原理的な関係を説明する波形図である。 図３は、図１に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。 図４は、本発明の実施の形態２による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。 図５は、図４に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。 図６は、本発明の実施の形態３による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。 図７は、図６に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。 図８は、本発明の実施の形態４による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。 図９は、図８に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。
　以下に、本発明にかかる放電表面処理装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。
実施の形態１．
　図１は、本発明の実施の形態１による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。図１では、或る間隔を置いて配置される放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、放電電極とワークとの極間に流れる放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、その放電パルス電流を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できる回路（その１）が示されている。
　図１において、放電表面処理用の放電電極１は、金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した圧粉体である。被処理材であるワーク２は、高温環境下で強度と潤滑性とを持った材料をコーティングあるいは肉盛りする必要がある部品である。
　電源３の正極端には、放電電極１が直接接続されている。電源３の負極端には、並列に配置された複数のスイッチング素子からなるスイッチング素子群４と、その複数のスイッチング素子と同数の抵抗器を並置した抵抗器群５との直列回路を介してワーク２に接続されている。スイッチング素子群４の各スイッチング素子は、制御回路６から個別にＯＮ・ＯＦＦ制御される。これによって、スイッチング素子群４の各スイッチング素子は、放電パルス発生部を構成する。
　また、放電電極１は、抵抗器９とダイオード１０の並列回路を介してコンデンサ８の一端に接続されている。ダイオード１０は、アノード端子が放電電極１に接続され、カソード端子がコンデンサ８の一端に接続されている。コンデンサ８の他端は、ワーク２に直接接続されている。
　なお、図１では、放電電極１とワーク２は、加工液７中に配置される場合を示してあるが、空気中に配置される場合もある。
　次に、図１～図３を参照し、この実施の形態１に関わる部分の動作について説明する。なお、図２は、極間に印加するパルス電圧と流れる放電パルス電流との原理的な関係を説明する波形図である。図３は、図１に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。図３では、（１）極間電圧と、（２）放電電流と、（３）電源３からの電流と、（４）コンデンサ８からの電流と、（５）スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子のタイミングとが示されている。
　図２（１）は、制御回路６の制御動作内容を示している。制御回路６がスイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＮさせると、電源３の出力電圧が放電電極１とワーク２との極間に印加される。その状態で或る時間が経過して極間に放電が発生すると、極間電圧は、放電前の無負荷電圧１２から放電電圧１３に低下する。制御回路６は、極間電圧が無負荷電圧１２から放電電圧１３に低下するタイミングから所定時間１４を経過するまでの間、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＮさせ続け、その所定時間１４が経過すると、スイッチング素子群４のＯＮさせてある１以上のスイッチング素子を所定時間ＯＦＦさせて休止時間１５を形成し、休止時間１５が終了すると、再度、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＮさせる。制御回路６は、以上の動作を繰り返す。極間には、休止時間１５を挟んで、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子がＯＮしている期間１６をパルス幅とするパルス電圧が繰り返し印加される。
　図２（２）に示すように、極間には、極間電圧が無負荷電圧１２から放電電圧１３に低下するタイミングからスイッチング素子群４のＯＮしている１以上のスイッチング素子がＯＦＦするまでの所定時間１４を経過するまでの間、その所定時間１４をパルス幅とする放電パルス電流が流れる。この放電パルス電流は、先頭パルス電流１７と、後続パルス電流１８とで構成される。先頭パルス電流１７は、高ピーク値短パルス幅の電流成分であり、後続パルス電流１８は、低電流値長パルス幅の電流成分である。
　高ピーク値短パルス幅の先頭パルス電流１７は、コンデンサ８を設けたことによるものであり、その働きの様子が図３に示されている。すなわち、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子がＯＮして電源３から極間に電圧が印加されると、コンデンサ８が抵抗器９を通して充電される。放電が発生すると、極間に、まず、電源３から供給される電流（図３（３））にコンデンサ８からの電流（図３（４））が加算された高ピーク値短パルス幅の先頭パルス電流１７（図２）が流れ、それに、電源３から供給される電流（図３（３））のみからなる低電流値長パルス幅の後続パルス電流１８（図２）が後続する。
　この場合、「低電流値長パルス幅」の後続パルス電流１８が流れ始める箇所では、コンデンサ８に電流方向の反転が起こっているが、その反転電流は、ダイオード１０にて阻止されるとともに、抵抗器９により抑制されるので、図３（２）（４）に示すように、先頭パルス電流１７から後続パルス電流１８に切り替わる電流部分に出力電流の低い部分が発生するという問題は生じない。
　つまり、従来技術のように放電電流が途中で途切れるという現象を抑制することができる。また、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分において局所的に電流値が異なることも生じない。したがって、極間に、被膜の生成に影響を与えない適切な電流波形の放電パルス電流を供給できるので、緻密な被膜を形成することが可能になる。
　ここで、後続パルス電流１８の期間において、次の周期に備えてコンデンサ８への充電が抵抗器９を介して行われる。抵抗器９の抵抗値は、大きいとコンデンサ８の反転電流を抑制する効果は大きくなるが、コンデンサ８への充電を妨げるので、充電時間が長くなるという問題がある。そこで、抵抗器９の抵抗値は、コンデンサ８の反転電流を抑制する効果があり、かつ充電時間に影響を与えないように、１０～１００Ω程度としている。
　なお、例えば特許文献２では、正負両極性の交流パルス中の負極方向のパルスを抑制する方法が記載されている。しかし、これは交流の負極電流を抑制する回路のため、コンデンサへの充電は考慮されておらず、またパルスが繋がらなくするために構成されている回路であり、本実施の形態による、高ピーク値短パルス幅の先頭パルス電流１７と、低電流値長パルス幅の後続パルス電流１８とを組み合わせて発生させる回路とは異なるものである。
実施の形態２．
　図４は、本発明の実施の形態２による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。なお、図４では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態２に関わる部分を中心に説明する。
　図４では、或る間隔を置いて配置される放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、放電電極とワークとの極間に流れる放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、その放電パルス電流を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できる回路（その２）として、図１（実施の形態１）に示した構成において、コンデンサ８に代えて、可変コンデンサを構成する複数のコンデンサを並置したコンデンサ群２０とその複数のコンデンサと同数のスイッチを並置したスイッチ群２１との直列回路が設けられている。その他の構成は、図１と同様である。
　なお、スイッチ群２１の各スイッチは、トランジスタまたはリレーあるいは機械的なスイッチである。したがって、スイッチ群２１の各スイッチは、制御回路６により、あるいは、手操作により、個別にＯＮ・ＯＦＦ制御される。
　次に、図２と図４と図５を参照し、この実施の形態２に関わる部分の動作について説明する。なお、図５は、図４に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。図５では、（１）極間電圧と、（２）放電電流と、（３）電源３からの電流と、（４）コンデンサ群２０からの電流と、（５）スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子のタイミングとが示されている。
　スイッチ群２１のいずれか一つのスイッチがＯＮしている状態で、制御回路６が、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＮさせると、電源３から極間に電圧が印加される。すると、スイッチ群２１内のＯＮしているスイッチに対応するコンデンサ群２０内のコンデンサが、抵抗器９を通して充電される。
　放電が発生すると、極間に、まず、電源３から供給される電流（図５（３））にコンデンサ群２０内の１つのコンデンサからの電流（図５（４））が加算された高ピーク値短パルス幅のパルス電流１７（図２）が流れ、それに、電源３から供給される電流（図３（３））のみからなる低電流値長パルス幅のパルス電流１８（図２）が後続する。
　そして、「低電流値長パルス幅」の後続パルス電流１８が流れ始める箇所において、コンデンサ群２０において充放電動作をしているコンデンサで生ずる反転電流は、ダイオード１０にて阻止されるとともに、抵抗器９により抑制されるので、図５（２）（４）に示すように、先頭パルス電流１７から後続パルス電流１８に切り替わる電流部分に出力電流の低い部分が発生するという問題は生じない。また、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分において局所的に電流値が異なることも生じない。
　つまり、この実施の形態２においても実施の形態１と同様に、極間に、被膜の生成に影響を与えない適切な電流波形の放電パルス電流を供給できる。
　加えて、この実施の形態２では、スイッチ群２１において、ＯＮさせるスイッチ数を変化させることにより、コンデンサ群２０において充放電するコンデンサの数を変更することができるので、放電電極１およびワーク２と並列に接続するコンデンサの容量値を変化させることができる。
　つまり、図５（２）（４）に示すように、高ピーク値短パルス幅の先頭パルス電流１７のピーク値を変化させることができるので、放電電極１が硬い場合にはピーク電流を大きく制御し、放電電極１が軟らかい場合にはピーク電流を小さく制御することができる。
　したがって、この実施の形態２では、様々な電極に柔軟に対応して電極材料の供給量を適切にすることができるので、様々な電極による緻密な被膜が形成できることになる。
実施の形態３．
　図６は、本発明の実施の形態３による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。なお、図６では、図１（実施の形態１）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態３に関わる部分を中心に説明する。
　図６では、或る間隔を置いて配置される放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、放電電極とワークとの極間に流れる放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、その放電パルス電流を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できる回路（その３）として、図１（実施の形態１）に示した構成において、抵抗器９とダイオード１０の並列回路に代えて、スイッチング素子２３が設けられている。スイッチング素子２３は、制御回路６によりＯＮ・ＯＦＦ制御される。その他の構成は、図１と同様である。
　次に、図２と図６と図７を参照し、この実施の形態３に関わる部分の動作について説明する。なお、図７は、図６に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。図７では、（１）極間電圧と、（２）放電電流と、（３）電源３からの電流と、（４）コンデンサ８からの電流と、（５）スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子のタイミングと、（６）スイッチング素子２３のタイミングとが示されている。
　制御回路６は、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＮさせ電源３の出力電圧を放電電極１とワーク２との極間に印加する際に、スイッチング素子２３をＯＮさせる（図７（５）（６））。これによってコンデンサ８がスイッチング素子２３を通して充電される。放電が発生すると、極間に、まず、電源３から供給される電流（図７（３））にコンデンサ８からの電流（図７（４））が加算された高ピーク値短パルス幅のパルス電流１７（図２）が流れ、それに、電源３から供給される電流（図７（３））のみからなる低電流値長パルス幅のパルス電流１８（図２）が後続する。
　この場合、「低電流値長パルス幅」の後続パルス電流１８が流れ始める箇所では、コンデンサ８に電流方向の反転が起こるが、制御回路６は、予め後続パルス電流１８が流れ始めるタイミングが判っているので、そのタイミングでスイッチング素子２３をＯＦＦさせそれを短い任意時間継続する（図７（６））。そうすると、コンデンサ８に電流方向の反転が起こっても、その反転電流は、ＯＦＦしたスイッチング素子２３により阻止される。よって、図７（２）（４）に示すように、先頭パルス電流１７から後続パルス電流１８に切り替わる電流部分に出力電流の低い部分が発生するという問題は生じない。
　つまり、従来技術のように放電電流が途中で途切れるという現象を抑制することができる。また、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分において局所的に電流値が異なることも生じない。したがって、極間に、被膜の生成に影響を与えない適切な電流波形の放電パルス電流を供給できるので、緻密な被膜を形成することが可能になる。
　ここで、制御回路６は、後続パルス電流１８の期間において、次の周期に備えてコンデンサ８の充電が行えるようにするため、ＯＦＦしたスイッチング素子２３を任意時間経過後にＯＮさせ（図７（６））、それをスイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＦＦさせるまで継続する（図７（５）（６））。これによって、コンデンサ８の充電時間が長くなることなく、短時間に十分な充電を完了することができる。
実施の形態４．
　図８は、本発明の実施の形態４による放電表面処理装置の要部構成を示す回路図である。なお、図８では、図６（実施の形態３）に示した構成要素と同一ないし同等である構成要素には同一の符号が付されている。ここでは、この実施の形態４に関わる部分を中心に説明する。
　図８では、或る間隔を置いて配置される放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、放電電極とワークとの極間に流れる放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、その放電パルス電流を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できる回路（その４）として、図６（実施の形態３）に示した構成において、コンデンサ８に代えて、可変コンデンサを構成する図３に示したコンデンサ群２０とスイッチ群２１の直列回路が設けられている。スイッチ群２１の各スイッチの内容およびＯＮ・ＯＦＦ制御の方法は、実施の形態２と同様である。その他の構成は、図６と同様である。
　次に、図２と図４と図５を参照し、この実施の形態２に関わる部分の動作について説明する。なお、図９は、図８に示す放電表面処理装置の要部構成の動作を説明する波形図である。図９では、（１）極間電圧と、（２）放電電流と、（３）電源３からの電流と、（４）コンデンサ群２０からの電流と、（５）スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子のタイミングと、（６）スイッチング素子２３のタイミングとが示されている。
　制御回路６は、スイッチ群２１のいずれか１つがＯＮしている状態で、スイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＮさせ、電源３の出力電圧を放電電極１とワーク２との極間に印加する際に、スイッチング素子２３をＯＮさせる（図９（５）（６））。すると、スイッチ群２１内のＯＮしているスイッチに対応するコンデンサ群２０内のコンデンサが、スイッチング素子２３を通して充電される。
　放電が発生すると、極間に、まず、電源３から供給される電流（図９（３））にコンデンサ群２０内の１つのコンデンサからの電流（図９（４））が加算された高ピーク値短パルス幅のパルス電流１７（図２）が流れ、それに、電源３から供給される電流（図３（３））のみからなる低電流値長パルス幅のパルス電流１８（図２）が後続する。
　そして、制御回路６は、実施の形態３にて説明したように、予め後続パルス電流１８が流れ始めるタイミングが判っているので、そのタイミングでスイッチング素子２３をＯＦＦさせそれを短い任意時間継続する（図９（６））。そうすると、コンデンサ群２０において充放電動作をしているコンデンサにおいて電流方向の反転が起こっても、その反転電流は、ＯＦＦしたスイッチング素子２３により阻止されるので、図９（２）（４）に示すように、先頭パルス電流１７から後続パルス電流１８に切り替わる電流部分に出力電流の低い部分が発生するという問題は生じない。また、先頭の高ピーク値短パルス幅の電流部分において局所的に電流値が異なることも生じない。
　つまり、実施の形態３と同様に、極間に、被膜の生成に影響を与えない適切な電流波形の放電パルス電流を供給できる。
　また、制御回路６は、実施の形態３にて説明したように、後続パルス電流１８の期間において、次の周期に備えてコンデンサ８の充電が行えるようにするため、ＯＦＦしたスイッチング素子２３を任意時間経過後にＯＮさせ（図９（６））、それをスイッチング素子群４の１以上のスイッチング素子をＯＦＦさせるまで継続する（図９（５）（６））。これによって、コンデンサ群２０において充放電動作をしているコンデンサの充電時間が長くなることなく、短時間に十分な充電を完了することができる。
　加えて、この実施の形態４では、スイッチ群２１においてＯＮさせるスイッチ数を変化させることにより、コンデンサ群２０において充放電動作を行うコンデンサの数を変更することができるので、放電電極１およびワーク２と並列に接続するコンデンサの容量値を変化させることができる。
　つまり、図９（２）（４）に示すように、高ピーク値短パルス幅の先頭パルス電流１７のピーク値を変化させることができるので、放電電極１が硬い場合にはピーク電流を大きく制御し、放電電極１が軟らかい場合にはピーク電流を小さく制御することができる。
　したがって、この実施の形態４では、様々な電極に柔軟に対応して電極材料の供給量を適切にすることができるので、様々な電極による緻密な被膜が形成できることになる。
　以上のように、本発明にかかる放電表面処理装置は、放電電極およびワークと並列にコンデンサを接続し、極間に発生する放電パルス電流の先頭に高ピーク値短パルス幅の電流部分を形成する場合に、その放電パルス電流全体の波形を被膜生成に影響を与えない電流波形に形成できる放電表面処理装置として有用である。
　１　放電電極
　２　ワーク
　３　電源
　４　スイッチング素子群
　５　抵抗器群
　６　制御回路
　７　加工液
　８　コンデンサ
　９　抵抗器
　１０　ダイオード
　１７　高ピーク値短パルス幅の先頭パルス電流
　１８　低電流値長パルス幅の後続パルス電流
　２０　コンデンサ群
　２１　スイッチ群
　２３　スイッチング素子

Claims (4)

  1. 　金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの極間にパルス状の放電を発生させ、その放電の熱エネルギーによってワーク表面に電極材料等からなる被膜を形成する放電表面処理装置において、
    　前記放電電極と前記ワークとのいずれか一方に一端が接続されたコンデンサと、
    　前記放電電極と前記ワークとのいずれか他方と前記コンデンサの他端との間の接続ラインに介在して設けられた抵抗器およびダイオードの並列回路と
    　を備えたことを特徴とする放電表面処理装置。
  2. 　金属粉末、金属化合物の粉末、セラミックスの粉末のいずれか一つまたはそれらの混合物を圧縮成形した放電電極とワークとの極間にパルス状の放電を発生させ、その放電の熱エネルギーによってワーク表面に電極材料等からなる被膜を形成する放電表面処理装置において、
    　前記放電電極と前記ワークとのいずれか一方に一端が接続されたコンデンサと、
    　前記放電電極と前記ワークとのいずれか他方と前記コンデンサの他端との間の接続ラインに介在して設けられたスイッチング素子と、
    　前記スイッチング素子を、前記極間への電圧印加時から放電発生後の所定時間経過時までの間ＯＮさせ、任意時間ＯＦＦさせた後、前記極間への電圧印加を終了するまでの期間内ＯＮさせる制御回路と
    　を設けたことを特徴とする放電表面処理装置。
  3. 　前記コンデンサは、
    　可変コンデンサである
    　ことを特徴とする請求項１または２に記載の放電表面処理装置。
  4. 　前記可変コンデンサは、
    　複数のコンデンサを並列に配置したコンデンサ群と、前記複数のコンデンサと同数のスイッチを並列に配置したスイッチ群との直列回路で構成されている
    　ことを特徴とする請求項３に記載の放電表面処理装置。
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