新型电火花表面强化机的研制

新型电火花表面强化机的研制＊

王洪祥，余兵涛

（哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江　哈尔滨　１５０００１）

摘　　要：现有电火花表面强化的设备大多是手工操作的小功率设备，效率低，强化层薄且均匀性差。本文针对现有设备表面强化质量

较差的问题，详细介绍了一种新型电火花表面强化机的工作原理，各单元电路的组成及整个系统工作过程。新型电火花表面强化机采用无触点开关作为开关元件来控制火花放电，并采用旋转电极方式和氩气保护系统，工作稳定可靠，可达到较好强化质量。

关键词：电火花表面强化；无触点开关；旋转电极；氩气保护

中图分类号：ＴＰ２９　　　　文献标识码：Ｂ　　　　文章编号：１００３－７２４１（２０１１）０１２－００７８－０３

Development of an Instrument Applied in EDM

Surface Strengthening

WANG Hong-xiang, YU Bing-tao

（　Ｓｃｈｏｏｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，　Ｈａｒｂｉｎ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，　Ｈａｒｂｉｎ　１５０００１　Ｃｈｉｎａ　）

Abstract: Presently,the equipment used for EDM surface strengthening are mostly manual and low-powered, the efficiency is low

,the strengthen layer is thin and the uniformity is poor. Aiming at the low strengthen quality of the equipment, theworking principle of a new type instrument is introduced in this paper, and the circuit of each unit as well as the workingprocess of the system are described. The instrument uses non-contact switch as switching elements to control the sparkdischarge, and uses rotating electrode and argon protection system, the working process is stable and reliable and canachieve a higher strengthen quality.

Key words: EDM surface strengthening; non-contact switch; rotating electrode; argon protection

１　　引言

电火花表面强化工艺是是一种低应力、　低变形的表面强化工艺，它直接利用具有高能量密度的电能对工件表面进行强化处理，通过火花放电作用将作为电极的导电材料熔渗进金属工件表层，形成合金化的表面强化层，从而使工件的物理、化学和机械性能得到改善［１－２］。采用电火花表面强化技术对工件表面进行强化处理，可延长设备的使用寿命，减少资源消耗，具有很高的节能环保意义。该技术广泛的用于轴类、叶片等零件的修复，例如汽轮机大轴划伤将会导致漏气，可采用电火花

强化的方法，将其缺陷堆平，再磨光修理即可重新使用。电火花表面强化过程中因为产生热量很小，所以不会引起工件的组织变化［３－４］。

现有的电火花强化设备大多都是手工操作，功率小、效率较低、强化层薄、均匀性差、加工过程不稳定，很难达到要求的强化质量［５］。本文研制的电火花表面强化机旨在解决这一问题，设备采用由固态继电器和单相可控硅构成的无触点开关控制充放电过程，提高了脉冲放电的频率和稳定性；采用旋转电极，保证涂层的均匀连续性，同时提高了强化效率；采用氩气保护系统保护火花放电强化过程，以防止电极材料的氧化，有利于电极材料的均匀涂覆，有效地改善强化层的质量。

＊基金项目：哈尔滨市科技创新人才研究专项资金项目资助（编号２０１１ＲＦＸＸＧ００５）收稿日期：２０１１－０９－１９

２．电火花表面强化机的工作原理

研制的电火花表面强化机系统组成如图１所示，主要由电源系统、沉积焊枪和气体保护系统三大部分组成。电源系统包括隔离变压器、全波整流电路、滤波电路、储能电容电路和电子开关电路等。电网电压经隔离变压器进行降压，然后通过全波整流电路进行全波整流，整流后经滤波电路滤波，变成稳定的直流供后面储能电容充放电用。在沉积焊枪中，由马达带动焊针（工具电极）旋转，当沉积焊枪的焊针与被加工工件接触时，整个系统构成放电回路，储能电容电路的储能电容开始放电，气体保护系统的氩气气源装置在电磁继电器控制下自动给工作腔供气，焊针与工件之间产生火花放电，将电极材料熔渗进工件表层。储能电容充放电过程由电子开关电路控制，以获得稳定的放电脉冲。系统工作原理框图如图２所示。

图３　　隔离变压器单元

３．２　　整流滤波及储能单元

整流滤波及储能单元如图４所示，采用桥式整流方式进行全波整流，全波整流电路是由四个二极管组成的整流桥，整流后经ＲＬＣ滤波，变成稳定的直流供后面储能电容充放电，滤波电容容量大，一般在１０００μＦ以上，因而采用电解电容。储能电容电路由若干电容并联而成，分为几档，通过改变电容容量以调整放电强度。储能电容采用１００μＦ－２００μＦ的低介电容，不工作时储能电容充电，电压达到整流后的峰值。工作时储能电容上的电压是光脉冲型，其脉冲频率取决于电子开关单元的无触点开关触发频率。

图４　　整流滤波及储能单元

３．３　　电子开关单元

３．３．１　　固态继电器和无触点开关

图１　　电火花表面强化机系统组成

电火花表面强化机采用由固态继电器（ＳＳＲ）和单相可控硅构成的无触点开关作为开关元件，电子开关单元如图５所示。固态继电器全部由固态电子元器件组成。它利用电子元器件的电、磁和光特性来完成输入与输出的可靠隔离，利用大功率三极管、功率场效应管、单相可控硅和双相可控硅等器件的开关特性来实现无触点、无火花地接通和断开被控电路。

电火花表面强化机通过无触点开关的通断来控制储能电容的充放电。当有触发信号时，无触点开关导通，储能电容放电。无触点开关是一个ＫＫ５０型的快速

图２　　工作原理框图

３　　主要电路单元

３．１　　隔离变压器单元

隔离变压器单元如图３所示，隔离变压器是将电压降到６０Ｖ、８０Ｖ两档的降压变压器，与地隔离，通过改变电压档次可以改变储能电容的峰值电压，借以改变电火花的放电强度，变压器的功率约为１Ｋｗ。

单相可控硅，一旦有触发并且有持续电流的存在，无触点开关将连续导通，这时固态继电器工作。该固态继电器有零电压导通，零电流截止的特性。储能电容经无触点开关，固态继电器放电，很快放光。当接近零电流时，固态继电器截止，可控硅也小于维持电流截止。这时放完电的储能电容开始充电，直到下一个触发脉冲触发无

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触点开关，储能电容又开始放电。放电的次数决定于触发频率，频率高，沉积细，均匀，但如果太高无触点开关的频率跟不上，将起到相反的效果。

开关闭合，延时器ＫＴ开始工作，氩气电磁阀Ｄ吸合供气，储能电容通过ＫＫ５０－ＳＳＲ　－焊针－工件构成回路，储能电容开始放电，放电完成后由于ＳＳＲ的作用可控硅截止，在截止的一段时间内，储能电容又充满电，当下一个触发脉冲到来时，又开始放电产生火花，这样周而复始地进行。延时器ＫＴ起到延时关闭氩气电磁阀作用，当松开开关ＳＢ时，系统停止工作，氩气电磁阀Ｄ线路上的延时器ＫＴ开关经延时一段时间才断开。

３．３．２　　触发脉冲发生器

触发脉冲发生器用于产生无触点开关的触发脉冲，由５５５芯片构成的多谐振荡器、ＣＤ４０４０芯片构成的分频电路和达林顿管等构成。５５５芯片按图５连接构成多谐振荡器，其频率可通过连接在５脚的电位器来调节，通过３脚输出，其输出频率较高，需输入到ＣＤ４０４０芯片进行分频，并在适当的分频点引出，使其频率在５０－６００ＨＺ的范围内连续可调。但此输出功率较小，须经由三个三极管构成的达林顿管进行放大，这样才能触发可控硅。

图６　　系统总电路图

４　　结束语

本文所介绍的新型电火花表面强化机采用由固态

图５　　电子开关单元

继电器和快速单相可控硅构成的无触点开关作为开关元件来控制火花放电，采用旋转电极方式和氩气保护系统，工作稳定可靠，工作效率高，工件表面强化层较厚且均匀，强化层的质量好。所研制的电火花表面强化机使用灵活，便于现场操作，已在实际应用中产生了良好的效果。

３．４　　系统总电路图

系统总电路图如图６所示，合上电源，Ｔ１变压器有电，转换ＳＡ１开关可改变输出电压，电网交流电经ＤＷ１全波整流后滤波变成稳定的直流，直流峰值的大小由ＳＡ１开关位置来决定，经阻抗Ｒ　Ｌ对储能电容进行充电，当焊针与被加工表面不接触时，因为放电不构成回路，所以储能电容充电到峰值而不放电，通过转换ＳＡ２、ＳＡ３开关来改变储能电容的投放量，以改变放电强度。ＳＡ１开关合上后电机Ｍ１通电，电扇转动，工作电流控制系统的工作电压，５５５多谐振荡器震荡产生方波输出，该方波经ＣＤ４０４０分频，调节分频级数和频率调节器Ｗ１使频率在５０－６００ＨＺ之间连续可调变化，频率的快慢可用闪烁的指示灯ＷＨ来显示，分频出的５０－６００ＨＺ变化的方波经　Ｇ１、Ｇ２、Ｇ３构成的达林顿管进行功率放大并触发ＫＫ５０可控硅按一定频率通断，但因为此时储能电容未构成放电回路，所以无触点开关尚不能导通。按下开关ＳＢ，马达Ｍ带动焊针转动，这时焊针与被加工工件接触，继电器Ｊ开始工作，Ｊ２开关闭合，ＳＳＲ通电导通，Ｊ１

参考文献：

［１］　陈钟燮．电火花表面强化工艺［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９８７．

［２］　王钊，陈荐．电火花表面强化技术研究与发展概况［Ｊ］．热处理技术与装备，２００８，２９（６）：４６－５０．

［３］　陈伟伟，朱颖等．电火花沉积技术国内外研究现状［Ｊ］．焊接，２００６，（５）：２１－２６．

［４］　朱世根等．电火花表面强化工艺及设备．机械设计与制造［Ｊ］．２００２，（６）：８０－８１．

［５］　李程，梁志杰等．大功率电火花表面强化工艺对涂层性能的影响［Ｊ］．中国表面工程．２００７，２０（６）：３２－３５．

作者简介：王洪祥（１９６７－），男，教授／博导，研究方向：机械设计及理论、超精密加工及检测技术。

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/0yl1.html