способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий и установка для его реализации

Формула изобретения

1. Способ электродуговой обработки поверхности металлических изделий в вакууме, при котором инициируют устойчивый дуговой разряд между анодом и поверхностью изделия, действующего в качестве катода, и перемещают дуговой разряд и обрабатываемое изделие относительно друг друга, отличающийся тем, что к упомянутым электродам прикладывают от источника питания импульсную составляющую с заданными параметрами и/или в цепи рабочего тока дуги формируют квазианод.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что параметры напряжения и тока импульсной составляющей задают в диапазоне: частота импульсов напряжения от 1 до 15 кГц, амплитуда импульсов напряжения от 50 до 200 В, частота импульсов тока от 0 до 2 кГц.

3. Установка для электродуговой обработки поверхности металлических изделий в вакууме, содержащая вакуумную камеру, устройство для создания вакуума, узел анода, узел катода, устройство для перемещения изделия и анода относительно друг друга, источник питания для образования и поддержания дуги, отрицательный выход которого электрически связан через узел катода с обрабатываемым изделием, отличающаяся тем, что источник питания содержит преобразователь электрического напряжения и задатчик параметров выходного тока, обеспечивающие подачу на электроды анода и катода установки импульсной составляющей с заданными параметрами напряжения и тока, и/или упомянутый узел анода содержит два электрода, расстояние между которыми устанавливают в зависимости от габаритов и поперечного сечения обрабатываемого изделия.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлообработке, а точнее, к электродуговой обработке деталей и заготовок различной формы и размеров для удаления с их поверхности окисной пленки различного вида, окалины и загрязнений.

Известен способ катодной обработки изделий устойчивым дуговым разрядом по а. с. СССР 719710 (опубл. 05.03.80, бюл. N 9), согласно которому в качестве катода используют обрабатываемую деталь, на поверхности которой под воздействием электродугового разряда создают перемещающиеся в заданном направлении с помощью изменения потенциала вдоль обрабатываемой поверхности катодные пятна, которые удаляют с поверхности очищаемого изделия окисную пленку и загрязнения. Обработку при этом ведут в вакууме, а разряд создают на падающем участке вольт-амперной характеристики дуги (далее - BAX). Недостатком этого способа является его низкая производительность, т.к. дугу необходимо перемещать вдоль обрабатываемого изделия сначала в одном направлении, а затем в противоположном, и так несколько раз, повышая качество очистки изделия за счет увеличения числа проходов электродуговым разрядом по его поверхности.

Известен способ обработки изделия по еврозаявке EP 0 560 526 A1 (опубл. 15.09.93, бюл. N 93/37), выбранный в качестве прототипа, согласно которому электродуговым разрядом в вакууме последовательно обрабатывают локальные участки поверхности металлического изделия, действующего в качестве катода. При этом анод и обрабатываемую деталь перемещают относительно друг друга в заданном направлении. Очистку поверхности изделия ведут на возрастающем участке BAX. Недостатком этого способа является его техническая сложность, т.к. , утверждая, что наилучшие результаты очистки получают при работе на возрастающем участке BAX, способ направлен на принудительное удержание процесса очистки в данном режиме. Для этого используют различные дополнительные устройства, необходимые для удержания контакта дуги с районом низкого сопротивления на поверхности изделия, которое создают, например, последовательным охлаждением участков изделия, подводом напряжения к противоположной стороне изделия с помощью скользящего контакта и др. Кроме того, в числе недостатков этого способа можно указать на то, что для очистки длинномерных изделий круглой формы требуются специальные устройства для их вращения.

Известно устройство для реализации способа катодной обработки деталей устойчивым дуговым разрядом (а.с. СССР 719710, опубл. 05.03.80, бюл. N 9). Устройство содержит вакуумную камеру, внутри которой помещается электрод, собранный из ряда колец, соединенных стержнем, используемый в качестве анода, и обрабатываемое изделие, используемое в качестве катода, а также поджигающий электрод. Кроме того, устройство содержит вакуумный насос для откачивания воздуха из вакуумной камеры. Обрабатываемое изделие располагается при обработке внутри набранного из колец анода. Устройство содержит также источник тока, положительный вывод которого связан с анодом, а отрицательный - с обрабатываемым изделием. Недостатком этого устройства является то, что оно позволяет производить очистку только изделий определенных габаритов в стационарном положении, например стержней для сварочных электродов. Очистка длинномерных изделий (проволока из бухты, катанка) требует дополнительных достаточно сложных приспособлений к устройству, а очистка листовых материалов невозможна.

Известно устройство, реализующее способ обработки детали по еврозаявке EP 0 560 526 A1 (опубл. 15.09.93, бюл. N 93/37), выбранное в качестве прототипа. Это устройство содержит вакуумную камеру, насос для создания вакуума в указанной камере, перепускное устройство между камерой и вакуумным насосом, блок анода, блок катода, поджигающий блок для создания дугового разряда между анодом и обрабатываемой деталью, используемой в качестве катода. Блоки катода, анода и поджигающий расположены внутри вакуумной камеры. Насос связан с вакуумной камерой посредством вакуум-провода через перепускное устройство. Блок катода электрически связан с деталью, выход положительной полярности источника питания через контактный узел электрически связан с блоком анода, а через резистор, регулирующий ток дуги, и другой контактный узел - с поджигающим блоком. Указанные электрические связи с блоками анода, катода и поджигающим блоком осуществляются через отверстия, предусмотренные в корпусе вакуумной камеры. Основным недостатком этого устройства является его сложность, связанная с принудительным режимом обработки деталей, на что указано выше при описании этого способа.

Задача, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, состоит в повышении качества и производительности очистки поверхности металлических изделий, а также в возможности обработки изделий различной конфигурации, поперечного сечения и протяженности.

Технический результат данного решения состоит в повышении плотности и равномерности распределения катодных пятен на единицу площади обрабатываемой поверхности, а также скорости их перемещения и уменьшении риска перегрева обрабатываемого изделия. Другим техническим результатом является увеличение удельного значения доли ионного тока дуги, воздействующего на поверхность изделия, а значит, увеличение удельной энергии, выделяющейся в месте контакта дуги с деталью и способствующей разрушению поверхности окисной пленки, окалины или иного загрязнения.

Поставленная задача достигается тем, что согласно предлагаемому способу электродуговой обработки металлических изделий в вакуумной камере создают заданную степень разряжения, инициируют устойчивый дуговой разряд и перемещают дугу и обрабатываемую деталь, служащую катодом, относительно друг друга. Кроме перечисленных признаков для достижения указанного технического результата в цепи рабочего тока дуги формируют частотно-импульсную составляющую напряжения и тока и/или дуговой разряд формируют между изделием и квазианодом, возникающим в промежутке между двумя электродами анода. При этом параметры импульсов тока и напряжения, а также объем плазмы между элементами конструкции анода варьируют в заданных пределах в зависимости от конфигурации обрабатываемого изделия, степени загрязнения его поверхности и требуемой чистоты ее обработки. Согласно экспериментальным данным в п. 2 формулы частоту импульсов напряжения задают в пределах 1 - 15 кГц, амплитуду импульсного напряжения в пределах 50 - 200 В, а частоту импульсов тока в пределах 0 - 2 кГц.

В устройстве поставленная задача достигается за счет использования установки, реализующей предлагаемый способ. Установка для электродуговой обработки поверхности металлических изделий содержит вакуумную камеру, устройство для создания вакуума в указанной камере, узлы анода и катода, устройство для перемещения изделия и дугового разряда относительно друг друга, источник питания для образования и поддержания дуги, отрицательный вывод которого электрически связан через узел катода с обрабатываемым изделием. Дополнительно источник питания установки содержит преобразователь электрического напряжения и задатчик параметров выходного тока, формирующие импульсные сигналы сложной формы и обеспечивающие получение технического результата. Вместо этого или дополнительно к этому в установке анод выполнен из двух электродов, каждый из которых соединен с положительным выводом источника питания, а расстояние между электродами обеспечивает возникновение квазианода после зажигания дугового разряда и устанавливается в зависимости от габаритов обрабатываемого изделия и размеров его поперечного сечения. Для обеспечения высокой производительности обработки длинномерных изделий, например, таких как катанка, лента, пруток и т.п., в устройстве могут использоваться несколько однотипных узлов катода и анода, располагаемых вдоль направления обработки. Причем количество катодных узлов в этом случае должно быть в два раза больше, чем анодных.

На фиг. 1 изображена схема установки для электродуговой обработки поверхности металлических изделий.

На фиг. 2 изображен пример конкретной реализации электродов анода.

На фиг. 3 фрагментарно изображена временная диаграмма работы источника питания.

На фиг. 4 изображен BAX дуги.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

В вакуумной камере 1 создают разряжение, равное 10 Па, при помощи вакуумного насоса 2. Измерение производят, например, вакуумметром 3. Инициируют электродуговой разряд между изделием 4 (катодом), например проволокой, и узлом анода 5, подавая от источника питания 6 напряжение холостого хода, равное 80 В. При помощи механизма протяжки (не показан) сообщают проволоке скорость движения порядка 1,2 м/с. Источником питания устанавливают рабочий ток дуги - 250 А и одновременно в цепи рабочего тока формируют импульсы напряжения со следующими параметрами: частота импульсов - 2,5 кГц, амплитуда - 150 В, время нарастания переднего фронта - 1 мкс, длительность каждого импульса - 5 мкс. При этом на каждом обрабатываемом участке под воздействием импульсов создается множество мелких быстродвижущихся катодных пятен, что можно наблюдать, например, визуально через смотровое окно камеры (не показано). В зависимости от загрязнения изделия и требований к чистоте его обработки частоту импульсов напряжения варьируют в диапазоне от 1,7 до 3 кГц. За счет импульсной составляющей в цепи рабочего тока увеличивается плотность полного тока дуги, соответственно увеличивая и величину ионного тока, который выполняет функцию рабочего инструмента очистки изделия, т.к. положительные ионы, бомбардируя поверхность катода (изделия), взаимодействуют со слоем окислов и загрязнений и образуют новые катодные пятна на обрабатываемой поверхности, а также увеличивают скорость их перемещения. Увеличение плотности тока способствует и увеличению удельной энергии, выделяющейся в месте контакта дуги с изделием, а значит, более быстрому разрушению пленки окислов и загрязнений.

Эффект квазианода возникает в промежутке между двумя электродами, соединенными с положительным выводом одного источника питания, при расположении их на определенном расстоянии друг от друга в зависимости от формы и размеров обрабатываемого изделия. Подобный же эффект используется в некоторых электронных лампах, например двуханодном кенотроне. Эффект квазианода позволяет увеличить удельное значение доли ионного (чистящего) тока по сравнению с электронным током. Следовательно, использование квазианода также направлено на получение указанного технического результата.

При замере параметров BAX в режиме устойчивого дугового разряда было отмечено, что для непрерывных процессов очистки (например, проволоки из бухты) наиболее энергоэкономичным и эффективным режимом является участок нулевого градиента BAX дуги (участок B на фиг. 4). Причем начало любого электродугового процесса очистки изделий происходит на участке A, т.к. в качестве источников питания для электродуговой обработки обычно используются источники с падающей внешней BAX, а режим работы на участке C нежелателен из-за опасности пережигания таких тонких изделий, как, например, проволока.

Предлагаемая установка может быть осуществлена следующим образом.

Установка для электродуговой обработки поверхности металлических изделий в вакууме содержит вакуумную камеру 1, насос 2 для создания вакуума в камере 1, перепускное устройство 7, устройство 8 для подачи газовой среды в камеру 1, вакуумметр 3, узел анода 5, узел катода 9, поджигающий блок 10 для создания дугового разряда между анодом и обрабатываемым изделием 4, используемым в качестве катода, узел протяжки и источника питания 6 для образования и поддержания дуги, содержащий преобразователь электрического напряжения и задатчик параметров тока, регулируемые органами управления. Узлы анода и катода и поджигающий блок расположены внутри вакуумной камеры. Насос связан с вакуумной камерой через перепускное устройство вакуум-проводом. Устройство для подачи газовой среды в камеру связано с камерой также вакуум-проводом. Источник питания выходом отрицательной полярности электрически связан с узлом катода, а выходом положительной полярности с узлом анода. Электрические связи с узлами анода и катода осуществляются через изолированные герметичные вводы в корпусе вакуумной камеры. Источник питания установки дополнительно содержит преобразователь электрического напряжения и задатчик параметров выходного тока. Кроме этого или вместо этого анодный узел содержит два электрода (фиг. 2), расположенные на заданном расстоянии друг по отношению к другу, причем расстояние между электродами задают исходя из формы и размера в поперечном сечении обрабатываемого изделия. Для обработки длинномерных изделий узлы анода и катода имеют отверстия, расположенные на одной оси для прохождения сквозь них изделия, причем конфигурация и размеры отверстий определяются формой и размером в поперечном сечении обрабатываемого изделия.

Вакуумная камера может быть выполнена в виде металлического цилиндра с двумя шлюзами 11, механически соединенными с камерой и электрически изолированными от нее. Одна из торцевых сторон камеры 1 выполнена съемной и служит загрузочным люком, который в свою очередь снабжен уплотнителем.

Вакуумный насос может быть серийно выпускаемым типа ABP-150.

В качестве перепускных устройств могут быть использованы серийно выпускаемые клапаны серии КВЭ.

В качестве вакуумметра может быть использован термопарный вакуумметр ВТ-3.

В качестве вакуум-проводов использовались трубы из нержавеющей стали с внутренним диаметром 40, 63, 100 мм.

Поджигающий блок может быть выполнен в виде магнита с подвижным якорем, к которому приваривается поджигающий электрод.

Установка работает следующим образом.

При помощи установки производилась очистка проволоки (изделия 4) диаметром 1,2 мм. Перед началом работы на монтажном столе 12 закрепляют узел анода 5, два узла катода 9 и поджигающий блок 10. Узел анода выполнен из двух электродов, форма которых зависит от формы и размеров обрабатываемого изделия. Для очистки проволоки использовались в качестве электродов анода токопроводящие пластины прямоугольной формы. Расстояние между электродами анода () установили равным 14 мм. В центре каждой пластины имеется отверстие в виде двойного усеченного конуса, как это показано на фиг. 2. Монтажный стол 12 крепят на корпусе камеры 1 при помощи кронштейнов. Шлюзы 11 подсоединяют к корпусу камеры 1 при помощи фланцев. Проволоку с разматывающего устройства (не показано) пропускают через входной шлюз, первый катодный узел, через отверстие анодного узла, второй катодный узел, через выходной шлюз и подсоединяют к устройству протяжки (не показано). Затем герметизируют камеру 1, закрыв загрузочный люк. От органов управления установкой (не показаны) включают вакуумный насос. При достижении вакуума, измеряемого вакуумметром, равного 10 Па, включают источник питания 6. Затем при помощи узла протяжки сообщают проволоке скорость движения, равную 0,5 м/с. С помощью органов управления подают от источника питания напряжение холостого хода 80 В на узлы анода и катода и катушку электромагнита поджигающего устройства, якорь которого с закрепленным на нем электродом обеспечивает электрический контакт анодной цепи с проволокой. При этом за счет падающей внешней характеристики источника питания напряжение на узлах катода и анода падает ниже напряжения удержания якоря электромагнита, и якорь возвращается в исходное состояние. В момент размыкания электрода поджигающего устройства с проволокой возбуждается электрическая дуга и начинается процесс очистки проволоки.

Одновременно источник питания формирует импульсный сигнал сложной формы, приведенный на временной диаграмме (фиг. 3). При этом работа источника питания осуществляется следующим образом: при включении источника питания дуги трехфазное напряжение 380 В 50 Гц подается на преобразователь, где оно преобразуется в напряжение с частотой 1-5 кГц. Полученное переменное напряжение посредством трансформатора преобразуется в напряжение, величина которого определяется процессом очистки. Для задания параметров выходного тока (максимального и минимального) по длительности и амплитуде в схеме используют задатчик 13, содержащий блок задания длительности максимального и минимального тока, выполненный в виде мультивибратора на базе операционного усилителя, в обратную связь которого включены резисторы, регулирующие время максимального и минимального выходного тока на выходе устройства.