Устройство для электроискрового вибрационного легирования металлов

Изобретение относится к области технологических процессов обработки металлов, может быть использовано для электроискрового вибрационного легирования металлических изделий произвольной конфигурации – режущего инструмента, штамповой оснастки, деталей машин и механизмов, их маркировки и нанесения цифробуквенной информации на металлических изделиях. Устройство содержит корпус, соединенный контактной клеммой с устройством заземления, внутри которого размещены четыре функциональных блока - блок электропитания, частотный блок, блок охлаждения и блок накопительных конденсаторов, и размещенный вне корпуса устройства вибрационный блок, состоящий из вибратора с электрододержателем и электродом, при этом оно содержит блок импульсного источника питания, подключенный с возможностью осуществления электропитания блока накопительных конденсаторов и имеющий прямоугольную форму импульсов с частотой 500 Гц, и оснащено защитой от короткого замыкания, причем блок импульсного источника питания совместно с ключами конденсаторов выполнены с возможностью обеспечения дискретного набора разных фиксированных по величине суммарных емкостей в широком диапазоне от 10 до 4840 мкФ. Изобретение обеспечивает повышение качества легирования и повышение износостойкости при упрочнении и маркировке изделий из металла. 8 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области технологических процессов обработки металлов, может быть использовано для электроискрового вибрационного легирования металлических изделий произвольной конфигурации – режущего инструмента, штамповой оснастки, деталей машин и механизмов, их маркировки и нанесения   цифробуквенной информации на металлических изделиях.

Далее в тексте заявителем приведены термины, которые необходимы для облегчения однозначного понимания сущности заявленных материалов и исключения противоречий и/или спорных трактовок при выполнении экспертизы по существу.

Легирование – процесс введения в состав материала (металла, сплава, полупроводника) определенных примесей.  Легирование применяют для изменения или улучшения физических и химических свойств металлов, сплавов, в особенности для придания металлам и сплавам повышенной коррозионной стойкости и/или износостойкости. Металл, подвергшийся легированию, называется легированным. Легирование  может быть объемным и поверхностным.

Электроискровое вибрационное (виброплазменное) легирование - процесс легирования материалов с использованием одновременного воздействия электродуговой искры и вибрации электрода в широком диапазоне частот, указанный термин предложен заявителем для исключения неоднозначной трактовки использованного в описании термина.

Объемное легирование предусматривает введение добавок в весь объём металла.

Поверхностное легирование – введение легирующих добавок только в верхний (поверхностный) слой – используют для создания определенных свойств на поверхности металла изделия, например – антифрикционных или повышающих его (изделия) прочность, износостойкость. Поверхностное легирование предусматривает проникновение легирующего элемента в слой глубиной до двух и более миллиметров в случае необходимости.

Выбор технологии и легирующих добавок зависит от отрасли, в которой будет использоваться металлическое изделие [http://www.okorrozii.com/legirovanie.html].

При исследовании уровня техники заявителем выявлены аналоги заявляемого устройства для электроискровой обработки металлов.

Известно устройство электроискровой обработки металлов по патенту РФ №2223848, содержащее источник переменного напряжения, электрод-инструмент с наконечником, конденсатор и подключенные параллельно источнику напряжения катушку вибратора и мостовой выпрямитель, положительный потенциал которого заземлен, а отрицательный потенциал соединен через активное сопротивление с электродом-инструментом, отличающееся тем, что конденсатор установлен в цепи катушки вибратора и имеет емкость С=1/ ώ (ώ L-r tg ψ), где  ώ = 2 π f - круговая частота источника переменного напряжения; f - частота колебаний; L - индуктивность катушки вибратора; r - активное сопротивление катушки вибратора; ψ - угол, на который ток катушки вибратора опережает напряжение источника питания; при этом угол  ψ найден из условия - π /4< ψ <0.

Таким образом, в целом устройство содержит источник переменного напряжения, электрод-инструмент с наконечником, установленный в цепи катушки вибратора конденсатор и подключенные параллельно источнику напряжения катушку вибратора и мостовой выпрямитель, положительный потенциал которого заземлен, а отрицательный потенциал соединен через активное сопротивление с электродом-инструментом. При электроискровой маркировке металлов в качестве электрода используют высокоуглеродистую проволоку из стали марки Ст.45.

Недостатком известного устройства является ограниченная применимость – оно применимо только для маркировки изделий, с отсутствием применимости для поверхностного упрочнения деталей из-за отсутствия технологических возможностей управления мощностью электроискрового разряда, которая (мощность) определяет глубину упрочняемого слоя.

Известно устройство электроискрового легирования по патенту РФ № 2245767, включающее источник питания, зарядно-разрядную цепь, накопительный конденсатор, включенный параллельно электроду-инструменту, схему управления и вибратор (ручной электрододержатель), отличающееся тем, что в зарядную цепь введен симистор с узлом управления напряжением, подаваемым на него, включающим конденсатор, выпрямитель с транзистором и потенциометром, кроме того, в схему введены узел привода электрододержателей, состоящий из мостового выпрямителя и диодного выпрямителя с управляемыми тиристорами, которые посредством переключателя режимов связаны с вибратором, а также узел управления частотой вибрации и частотой импульсов технологического тока, включающий симметричный мультивибратор с потенциометром и который связан, с одной стороны, с управляемыми тиристорами узла привода электрододержателей и, с другой стороны, с управляемыми тиристорами зарядно-разрядной цепи. Процесс легирования производят при емкостных разрядных конденсаторах 150, 210, 240, 300 мкФ и рабочих частотах вибратора от 100 до 1200 Гц, с электродами из материалов марки ВК-8 и Т15К6.

Недостатками известного устройства являются:

- сложность устройства, т.к. оно состоит из восьми видов радиокомпонентов, а именно: симистор, транзистор, тиристор, мультивибратор, конденсатор, резистор, потенциометр и диод;

- загроможденность электрической схемы устройства, т.к. в своем составе имеет шестьдесят шесть элементов, включая четыре накопительных конденсатора и десять элементов мультивибратора, в силу чего возникают проблемы по отводу выделяющегося тепловой энергии, в особенности при продолжительной работе устройства, что сопровождается снижением производительности труда и приводит к вынужденным остановам для его (устройства) охлаждения;

- короткий срок службы электромеханического привода электрода из-за больших ударных динамических нагрузок на его элементы на высоких рабочих частотах вибратора, т.к. частота равна в диапазоне от 100 Гц до 1200 Гц;

- ограниченность функциональных возможностей из-за малого диапазона регулировки вкладываемой в искровой разряд мощности, вследствие малого диапазона емкостей накопительных конденсаторов;

- перегрев устройства при длительной работе в силу отсутствия принудительного охлаждения элементов электрической схемы;

- относительно большие габариты устройства, ограничивающие его использование на рабочих постах, например – слесаря-инструментальщика, механизатора и ремонтника.

Наиболее близким по существу к заявленному техническому решению, выбранному заявителем в качестве прототипа, является устройство электроискрового легирования металлов по патенту РФ № 2655420. Устройство содержит корпус, соединенный контактной клеммой с устройством заземления, внутри которого размещены 4 блока (Фиг. 1): блок электропитания, состоящий из трансформатора, сигнальной лампы, расположенной между полюсами первичной обмотки трансформатора параллельно обмотке, включатель/выключатель питания сети и предохранитель, включенные в цепь первичной обмотки трансформатора, включатель/выключатель и предохранитель, включенные в цепь вторичной обмотки трансформатора к выводу, являющемуся общим для рабочих блоков устройства, частотный блок, подключенный к вторичной обмотке трансформатора, состоящий из двухпозиционного переключающего ключа в виде включателя/выключателя, последовательно соединенного с ключом диода, блок охлаждения, состоящий из выпрямительного моста, предохранителя и вентилятора охлаждения, блок накопительных конденсаторов, состоящий из выпрямительного моста со сглаживающим фильтром из конденсатора и резистора, накопительных конденсаторов, резисторов, включателей/выключателей, причем конденсаторы включены между собой параллельно в единую цепь с возможностью объединения/разъединения их емкостей включателями/выключателями, и размещенный вне корпуса вибрационный блок, состоящий из вибратора с электрододержателем и электродом, причем электрододержатель вибратора оснащен механизмом регулирования вылета электрода, а электрод выполнен с возможностью присоединения к плюсовому полюсу выпрямительного моста блока накопительных конденсаторов, к минусовому полюсу которого присоединяется обрабатываемое изделие, а электрод выполнен с возможностью соприкосновения с обрабатываемым изделием.

Недостатками прототипа являются:

1 - отсутствие защиты от короткого замыкания. Это приводит к тому, что при соприкосновении электрода вибратора с обрабатываемым изделием на короткое время происходит короткое замыкание обмотки силового трансформатора, приводящее к кратковременному (порядка 10^-8 с) протеканию по обмотке большой силы тока. При работе вибратора с частотой 100 Гц такое замыкание обмотки силового трансформатора будет 100 раз в секунду. В результате через некоторое время происходит перегрев силового трансформатора, что вынуждает прекратить работу по упрочнению и дождаться его остывания. При работе с устройством по патенту РФ № 2655420 перегрев силового трансформатора происходил за время порядка 2-х минут, а время остывания составляло более 5-ти минут;

2 - из-за синусоидальной формы напряжения питания емкости блока накопительных конденсаторов при работе вибратора не успевают заряжаться до величины питающего напряжения (для прототипа 60 В), а заряжаются до 70% от максимальной величины. Отсюда следует, что расчетная удельная вкладываемая мощность в изделие будет меньше в 2 раза от реальной величины;

3 - максимальная энергия электроискрового разряда равна не 3,24 Дж, как указано в описании изобретения в силу того, что из-за синусоидальности формы напряжения питания оно составляет по факту не более 1,62 Дж, что не всегда позволяет достигнуть потребности упрочнения поверхности изделия.

Задачей заявленного технического решения является устранение недостатков прототипа, а именно - создание устройства для электроискрового легирования металлов, обладающего:

- защитой от короткого замыкания;

- обеспечения заряда емкостей блока накопительных конденсаторов во время работы до выходного напряжения блока электропитания;

- расширенными функциональными возможностями по сравнению с возможностями прототипа.

Техническими результатами заявленного технического решения, по сравнению с прототипом являются:

1 - обеспечение защиты устройства от короткого замыкания обмотки силового трансформатора за счет отключения цепи электропитания емкостей блока накопительных конденсаторов в момент соприкосновения электрода вибратора с обрабатываемым изделием;

2 - обеспечение заряда емкостей блока накопительных конденсаторов во время работы до выходного напряжения блока электропитания за счет использования прямоугольной формы импульсов блока импульсного источника питания с частотой например 500 Гц;

3 - повышение производительности труда за счет обеспечения возможности работы устройства без останова;

4 - увеличение диапазона регулировки мощности искрового разряда, позволяющее расширение функциональных возможностей устройства. Пределы регулирования энергии электроискрового разряда устройства составляют от 0,018 до 11,9 Дж (против показателя у прототипа от 0,018 до 1,62 Дж);

5 - обеспечение возможности расширения диапазона работы устройства за счет замены емкости 1000 мкФ сглаживающего фильтра выходного напряжения блока импульсного источника питания на емкость 10 мкФ, что позволяет проводить маркировочные работы без использования емкостей блока накопительных конденсаторов;

6 - улучшение качества упрочнения и увеличение глубины упрочнения материала изделия, повышение эффективности работы устройства при упрочнении и маркировке изделий из металла за счет изменения конструктивных особенностей устройства в целом;

Сущностью заявленного технического решения является устройство для электроискрового вибрационного легирования металлов, содержащее корпус, соединенный контактной клеммой с устройством заземления, внутри которого размещены четыре функциональных блока - блок электропитания, частотный блок, блок охлаждения и блок накопительных конденсаторов, и размещенный вне корпуса устройства вибрационный блок, при этом

блок электропитания состоит из трансформатора, сигнальной лампы, расположенной между полюсами первичной обмотки трансформатора параллельно обмотке, включателя/выключателя питания сети и предохранителя, включенных в цепь первичной обмотки трансформатора, включателя/выключателя и предохранителя, включенных в цепь вторичной обмотки трансформатора к выводу, являющему общим для трех блоков - частотного блока, блока охлаждения и вибрационного блока, причем

частотный блок состоит из двухпозиционного переключающего ключа в виде включателя/выключателя, последовательно соединенного с ключом диода,

блок охлаждения состоит из выпрямительного моста со сглаживающим фильтром из конденсатора и резистора, предохранителя и вентилятора охлаждения,

блок накопительных конденсаторов состоит из накопительных конденсаторов, разрядных резисторов, включателей/выключателей, причем конденсаторы через включатели/выключатели включены между собой параллельно в единую цепь с возможностью объединения/разъединения их емкостей включателями/выключателями, а

вибрационный блок состоит из вибратора с электрододержателем и электродом, при этом электрододержатель вибратора оснащен механизмом регулирования вылета электрода, а электрод выполнен с возможностью присоединения к плюсовому полюсу блока накопительных конденсаторов, который выполнен с возможностью присоединения к обрабатываемому изделию минусовым полюсом, а электрод выполнен с возможностью соприкосновения с обрабатываемым изделием,

отличающееся тем, что оно содержит блок импульсного источника питания, подключенный с возможностью осуществления электропитания блока накопительных конденсаторов и имеющий прямоугольную форму импульсов с частотой 500 Гц, и оснащено защитой от короткого замыкания, причем блок импульсного источника питания совместно с ключами конденсаторов выполнены с возможностью обеспечения дискретного набора разных фиксированных по величине суммарных емкостей в широком диапазоне от 10 до 4840 мкФ.

Заявленное техническое решение иллюстрируется Фиг.1 – Фиг.8.

На Фиг. 1 представлена структурная схема прототипа.

На Фиг. 2 представлена структурная схема заявленного технического решения (неправильно назван вибрационный блок).

На Фиг. 3 представлена таблица сопоставительного анализа заявленного технического решения с прототипом.

На Фиг. 4 приведена электрическая схема заявленного устройства для электроискрового легирования (подробно описана ниже в примере конкретного выполнения).

На Фиг. 5 и 6 приведены фотографии микроповерхности образцов изделия (культиваторная стрельчатая лапа почвообрабатывающих машин) из стали марки 65Г толщиной 4 мм, обработанных с использованием устройства по прототипу (Фиг.5) и заявленного устройства (Фиг.6) при применении электрода диаметром 4 мм из вольфрамкобальтового твердого сплава ВК6 (увеличение 500 кратное). Обработка поверхности образцов производилась при емкостях накопительных конденсаторов 1800 мкФ. Частота работы вибратора составляла 100 Гц.

На Фиг. 7 и 8 приведены фотографии микроструктур поверхности поперечного шлифа образцов из стали марки 65Г, соответственно исходного образца (Фиг.7) и образца с электроискровой обработкой с использованием заявленного устройства (Фиг.8) при применении электрода диаметром 4 мм из вольфрамкобальтового твердого сплава ВК6 (увеличение 200-кратное). Обработка поверхности образцов производилась при емкости накопительных конденсаторов 1800 мкФ. Частота работы вибратора составляла 100 Гц.

Заявленное техническое решение реализовано путем совершенствования прототипа. Экспериментальные работы показали возможность использования заявленного устройства, также как и прототипа, в различных областях промышленной деятельности, в том числе - в инструментальном, литейном и ремонтном производстве, сельхозмашиностроении и автотракторостроении.

Далее приведено описание электрической схемы заявленного устройства.

На Фиг. 4 приведена электрическая схема заявленного устройства для электроискрового легирования металлов, которое (устройство) содержит следующие детали и элементы, соединенные между собой электрическими цепями:

1 - корпус;

2 - включатель /выключатель тока питания;

3, 6 - предохранители для защиты устройства от перегрузок и коротких замыканий в электрических цепях;

4 - трансформатор для распределения электропитания по рабочим блокам устройства;

5 - сигнальная лампа;

11, 13, …, 20 - включатели/выключатели;

12 - диод;

7 - выпрямитель - диодные мосты;

8 - конденсатор сглаживающего фильтра;

9 - резистор сглаживающего фильтра;

10 - вентилятор для защиты элементов электрической схемы от перегрева.

21, …, 26 - накопительные конденсаторы;

27, …, 32 - резисторы для сброса напряжения с накопительных конденсаторов 21, …, 26 после завершения рабочего процесса;

33 - вибратор, размещенный вне корпуса 1, имеющий механизм регулирования вылета электрода 34, например - регулирования с использованием известного червячно-реечного механизма;

34 - электрод, который при работе устройства приводят в соприкосновение с обрабатываемым изделием;

35 - обрабатываемое изделие;

36 - заземление основного корпуса 1;

37 - клемма заземления промышленного импульсного источника питания.

Червячно-реечный механизм регулирования вылета электрода и электрод для воздействия на обрабатываемую поверхность на Фиг. 4 детально не указаны, как общеизвестные элементы, не имеющие прямого отношения к электрической схеме устройства.

Конструкционные элементы заявленного устройства размещают в корпусе 1, например - металлическом, с клеммой, обеспечивающей возможность его (корпуса) соединения с заземлением 36.

Элементы конструкции внутри корпуса 1 собраны на монтажной плате, например - с использованием пайки.

Промышленный импульсный источник питания (на схеме показан надписью) имеет электрическую связь с конструкционными элементами заявленного устройства, размещенными в корпусе 1.

Корпус промышленного импульсного источника питания имеет клемму 37 для соединения с заземлением.

Промышленный импульсный источник питания и корпус заявленного устройства с размещенными в нем конструкционными элементами крепятся к рабочей монтажной плите. На ней также располагаются вибратор и изделие для обработки.

Заявленное устройство представлено в виде шести рабочих блоков, из которых:

• четыре функциональных блока размещены внутри корпуса, снабженного контактной клеммой для соединения его (корпуса 1) с устройством заземления 36:

I - блок электропитания;

II - частотный блок;

III - блок охлаждения;

IV - блок накопительных конденсаторов;

• два блока размещены вне корпуса устройства, а именно:

V - вибрационный блок питания;

VI - блок промышленного импульсного источника питания.

При этом для исключения загромождения чертежа, блоки не выделены на Фиг. 4 по отдельности.

Далее заявителем представлены более детальные описания указанных блоков:

Блок I (электропитания) содержит:

- трансформатор 4, размещенный внутри корпуса 1 для распределения электропитания по рабочим блокам устройства,

- включатель/выключатель питания сети 2,

- предохранитель 3,

- сигнальную лампу 5, включенную между полюсами первичной обмотки трансформатора 4 параллельно (обмотке).

Включатель/выключатель питания сети 2 и предохранитель 3 включены:

- в цепь первичной обмотки трансформатора 4,

- в частотный блок,

- в блок охлаждения,

- в вибрационный блок через предохранитель 6, при этом питание производится от вторичной обмотки трансформатора 4.

Блок II (частотный), подключен к вторичной обмотке трансформатора, например, с напряжением 30 В, и содержит;

- включатель/выключатель 13,

- двухпозиционный переключающий ключ в виде включателя/выключателя 11 и последовательно соединенный с ним (ключом) диод 12.

Положение ключа 11 определяет частоту работы вибратора 33, частоту колебаний электрода 34 в электродержателе вибратора и искрообразования между электродом 34 и обрабатываемым изделием 35;

Блок III (охлаждения), подключенный к вторичной обмотке трансформатора, например, с напряжением 12 В, содержит:

- выпрямительный мост 7 со сглаживающим фильтром из конденсатора 8,

- резистор 9,

- вентилятор охлаждения 10;

Блок IV (накопительных конденсаторов) содержит:

- включатель/выключатель 14 для подачи напряжения от промышленного импульсного источника питания,

- конденсаторы 21, …, 26,

- резисторы 27, …, 32 для сброса напряжения с конденсаторов 21, …, 26 после завершения рабочего процесса,

- ключи (включатели/выключатели) 15, …, 20, причем конденсаторы 21, …, 26 включены между собой параллельно в единую цепь с возможностью объединения (суммирования) или разъединения их емкостей ключами (включателями/выключателями) 15, …, 20 с обеспечением дискретного набора разных фиксированных по величине суммарных емкостей (с учетом емкости сглаживающего фильтра выходного напряжения промышленного импульсного источника питания) в диапазоне, например, от 10 до 4840 мкФ;

Блок V (вибрационный), размещен вне корпуса 1 устройства, содержит вибратор 33 с электрододержателем и электродом 34. Электрододержатель вибратора 33 оснащен механизмом регулирования вылета электрода 34, например - с использованием известного червячно-реечного механизма. При работе электрод 34 присоединяют к плюсовому (+) выводу блока накопительных конденсаторов, а обрабатываемое изделие 35 присоединяют, например - с применением подпружиненного зажима, к минусовому (-) выводу блока накопительных конденсаторов,. При работе устройства электрод 34 приводят в соприкосновение с обрабатываемым изделием 35. В зоне соприкосновения электрода 34 и изделия 35 между ними происходит искровой разряд с частотой, задаваемой положением ключа 11. При разряде материал электрода наносится на обрабатываемое изделие, в результате происходит легирование изделия;

Блок VI (промышленный блок импульсного источника питания), размещен вне корпуса 1 устройства, имеет следующие характеристики:

- подключен в электрическую цепь первичной обмотки трансформатора 4 блока электропитания;

- имеет мощность, например, 360 Вт;

- имеет выходное напряжение, например, 70 В;

- имеет защиту от короткого замыкания;

- имеет прямоугольную форму импульсов выходного напряжения с частотой, например, 500 Гц;

- емкость сглаживающего фильтра выходного напряжения уменьшена, например, до 10 мкФ;

- положительный потенциал выходного напряжения источника питания подсоединен к плюсовому полюсу блока накопительных конденсаторов;

- отрицательный потенциал подсоединен к минусовому полюсу блока накопительных конденсаторов;

- корпус промышленного импульсного источника питания снабжен контактной клеммой для соединения его (корпуса) с устройством заземления.

Заявленное устройство работает следующим образом.

Перед началом работы пользователь производит внешний осмотр и убеждается в рабочем состоянии устройства, наличии его заземления. Далее устройство подключают к источнику электропитания, например - в электрическую сеть напряжением 220 В, с частотой 50 Гц.

Ключом 2 производят подачу электропитания в устройство. Загорающаяся лампа 5 сигнализирует о наличии питания в электрической схеме.

Работа вентилятора 10 позволяет убедиться в наличии охлаждения рабочих элементов электрической схемы в корпусе 1. Работоспособность промышленного импульсного источника питания подтверждается работой его вентилятора и загоранием сигнальной лампы наличия электрического питания.

Распределение электропитания в рабочую часть электрической схемы осуществляет трансформатор тока 4.

Для защиты элементов электрической схемы от перегрева предусмотрен осевой вентилятор 10, например - с электропитанием 12 В от диодного моста 7 со сглаживающим фильтром из конденсатора 8 и резистора 9, действующий в течение всего процесса работы устройства.

Безопасность пользователя от пробоев напряжения на корпус работающего устройства обеспечивают его заземлением 36 и 37, например - на провод защитного заземления электрической сети.

Электромагнитный вибратор 33 питается от переменного напряжения, оптимальная величина которого Uопт ≈ 30 В. Подача на него питания производится включателем/выключателем 13. Частота возникающих в вибраторе колебаний переменного напряжения, и, соответственно - частоты колебаний и искрообразования между электродом 34 и изделием 35, в указанном на Фиг. 4 положении ключа 11, соответствует частоте 100 Гц.

При подаче напряжения через диод 12 переключением цепи питания включателя/выключателя 11 частота колебаний вибратора составит 50 Гц.

При включении ключа 14 на анод (электрод) и катод (изделие) подается напряжение от накопительного конденсатора 10 мкФ импульсного источника питания.

При работе электромагнитного вибратора 33 энергия электрической искры в изделие будет передаваться от емкости импульсного источника питания.

С целью расширения диапазона технологических возможностей устройства, расширения области его применения - как для легирования, так и для маркировки изделий, в блоке IV (блок накопительных конденсаторов) размещены накопительные конденсаторы 21, …, 26 совместно с ключами 15, …, 20, которые позволяют производить дискретный набор более чем 20 разных фиксированных по величине суммарных емкостей с возможностью регулирования емкости в диапазоне от 10 до 4840 мкФ.

Например, если требуется получение емкости в 430 мкФ для упрочнения заготовки, включаются ключи 21 и 22 соответственно.

Емкости блока накопительных конденсаторов предназначены для выбора и регулирования вкладываемой в искровой разряд мощности с целью регулирования глубины проникновения легирующего материала в легируемое изделие в зависимости от потребностей пользователя.

В представленном далее примере реализации заявленного устройства элементы электрической схемы, их марки и номиналы выбраны из существующего перечня широко представленных продаже и реализуемых на рынке радиокомпонентов:

- трансформатор тока 4 – ТП-115-17;

- предохранители плавкие стеклянные на 250 В: 3 – 0,2 А; 6 – 1,0 А;

- индикаторная лампа 5 - 230 В Osmoz Leg 024142;

- включатели/выключатели 11,13 – 20 тумблеры ТП1-2;

-диод 12 - 2Д120А1;

- диодный мост 7 - SK115;

- конденсаторы электролитические на 100 В: 8 - 10 мкФ, 21 - 100 мкФ, 22 – 320 (220+100) мкФ, 23 - 470 мкФ, 3 4- 940 (470+470) мкФ, 25 - 1000 мкФ, 26 - 2000 (1000+1000) мкФ;

- резисторы 9, 27, …, 32 - по 1 MOM, 0,15 Вт;

- вентилятор 35 - вентилятор 5Bites [F6010S-3] от персонального компьютера;

- вибратор 36 - электрододержатель установки ЭФИ-25.

При использовании указанных выше радиокомпонентов заявленное техническое решение (без промышленного импульсного источника питания) размещается в корпусе размером 150×140×85 мм (малогабаритный) и имеет массу менее 3,0 кг.

Вышеприведенные конкретные марки и номиналы комплектующих радиокомпонентов, использованные для изготовления действующего устройства как примера заявленного технического решения, не ограничивают перечень радиокомпонентов, которые могут быть использованы для изготовления других вариантов заявленного устройства.

Эксперименты по обработке поверхностей электроискровыми методами показали, что частота колебаний вибратора не оказывает сколь-нибудь существенного влияния на качество обработки изделий.

В практической деятельности частота колебаний вибратора в диапазоне от 50 до 100 Гц достаточна для обеспечения высококачественного упрочнения поверхности металлических изделий различной конфигурации.

Далее приведено осуществление заявленного технического решения - технология упрочнения поверхностей металлических изделий заявленным устройством для электроискрового легирования.

Сначала с учетом особенностей изделия (назначения изделия, свойств и толщины его материала, требуемого значения твердости и др.) производят выбор электрода и режима обработки.

Перед началом работы проверяют исправность элементов устройства, наличие заземления и включателем/выключателем 2 подают электропитание в заявленное устройство, далее подводят вибрирующий электрод в рабочую зону обработки и легким прикосновением электрода к поверхности изделия обрабатывают его поверхность.

Глубину проникновения легирующих материалов регулируют путем экспериментального подбора и изменением суммарной емкости конденсаторов 21…26.

При этом исходят из того, что при высоких значениях суммарной емкости большей оказывается вложенная вибратором 33 в искровой разряд мощность и легирующий материал глубже проникает в тело легируемого изделия 35.

Таким же образом степень видимости (качество) наносимой электродом 34 на изделие 35 цифробуквенной информации зависит от суммарной емкости конденсаторов 21... 26 - чем больше суммарная емкость конденсаторов 21... 26, тем заметнее наносимая электродом 34 на поверхность изделия 35 информация.

Эффективность обработки обеспечивают круговым движением рабочего электрода по обрабатываемой поверхности изделия. Шаг движения электрода выбирают опытным путем таким образом, чтобы на обрабатываемой поверхности не оставлять свободных зон.

Заявителем в результате проведения опытных экспериментальных работ выявлена оптимальная амплитуда возвратно-поступательного движения (колебаний, вибрации) электрода в диапазоне до 1 мм, которая обеспечила исключение прилипания электрода к изделию в процессе его легирования, в результате чего обеспечена возможность нанесения более качественного однородного слоя.

При маркировке изделий применяют электрод-наконечник из стальной заостренной (заточенной под конус) проволоки, например, диаметром 3 мм.

Результаты приведены на Фиг.5 – Фиг.8.

На Фиг. 5 и 6 приведены фотографии микроповерхности образцов изделия (культиваторная стрельчатая лапа почвообрабатывающих машин) из стали марки 65Г толщиной 4 мм, обработанных с использованием устройства по прототипу и заявленного устройства при применении электрода диаметром 4 мм из вольфрамкобальтового твердого сплава ВК6 (увеличение 500 кратное). Обработка поверхности образцов производилась при емкостях накопительных конденсаторов 1800 мкФ. Частота работы вибратора составляла 100 Гц.

Для изучения топографии поверхностей был использован микроскоп levenhuk 40l/50l/d50l в комплекте с персональным компьютером. Сравнение фотографий микроструктур показало, что действительно при электроискровой обработке поверхности с применением устройства по прототипу на поверхности остались зоны, не подвергнутые воздействию электрической искры.

Это означает, что в процессе работы накопительные конденсаторы не заряжались до напряжения питания, вследствие этого энергии конденсаторов оказалось недостаточным для воздействия на всю обрабатываемую поверхность, в отличие от заявленного устройства.

На Фиг. 7 и 8 приведены фотографии микроструктур поверхности поперечного шлифа образцов из стали марки 65Г, соответственно исходного образца и образца с электроискровой обработкой с использованием заявленного устройства при применении электрода диаметром 4 мм из вольфрамкобальтового твердого сплава ВК6 (увеличение 200-кратное). Обработка поверхности образцов производилась при емкости накопительных конденсаторов 1800 мкФ. Частота работы вибратора составляла 100 Гц.

Определение и фотографирование микроструктуры выполнялось с помощью инвертированного металлографического микроскопа Olympus GX51 с увеличением от 50х до 1000х. Микроструктура эталонного (исходного) образца (Фиг.7) соответствует микроструктуре малоуглеродистой (доэвтектоидной) стали после отжига. Зернистая феррито-перлитная структура с преобладанием феррита. Сравнение микроструктур эталонного образца и основного материала образцов, подвергнутых электроискровой обработке, показало идентичность их структур.

Поверхностный слой, сформированный при электроискровом вибрационном упрочнении, которое, по мнению заявителя, можно назвать и виброплазменым упрочнением (Фиг. 8), представляет собой новую композиционную структуру.

Верхний тонкий слой состоит из материала анода, модифицированного элементами материала катода и межэлектродной среды. Под верхним слоем располагается модифицированный упрочненный слой, состоящий из смеси материалов анода и катода. Под ним располагается зона термического влияния, образованная в результате импульсного теплового воздействия. Ее структура отличается от базовой структуры материала обрабатываемой детали как строением, так и зернистостью. Упрочнение материала основы по глубине детали при электроискровой обработке происходит преимущественно на 0,5 – 1,0 мм.

На основании вышеизложенного можно сделать вывод, что заявителем решены поставленные задачи и достигнут заявленный технический результат, а именно - создано устройство для электроискрового легирования металлов, в котором, по сравнению с прототипом:

1 - обеспечена защита устройства от короткого замыкания обмотки силового трансформатора за счет отключения цепи электропитания емкостей блока накопительных конденсаторов в момент соприкосновения электрода вибратора с обрабатываемым изделием;

2 - обеспечен заряд емкостей блока накопительных конденсаторов во время работы до выходного напряжения блока электропитания за счет использования прямоугольной формы импульсов блока импульсного источника питания с частотой 500 Гц;

3 - повышена производительность труда за счет обеспечения возможности работы устройства без останова;

4 - увеличен диапазон регулировки мощности искрового разряда, позволяющий расширение функциональных возможностей устройства. Пределы регулирования энергии электроискрового разряда устройства составляет от 0,018 до 11,9 Дж;

5 - обеспечена возможность расширения диапазона работы устройства за счет замены емкости 1000 мкФ сглаживающего фильтра выходного напряжения блока импульсного источника питания на емкость 10 мкФ, что позволяет проводить маркировочные работы без использования емкостей блока накопительных конденсаторов;

6 - улучшено качество упрочнения, увеличена глубина упрочнения материала изделия и повышена производительность труда при упрочнении и маркировке изделий из металла за счет изменения конструктивных особенностей устройства.

Заявленное устройство расширяет перечень инструментов для целевой электроискровой обработки металлических изделий и поверхностей, обладает расширенной, по сравнению с прототипом, областью применения устройств электроискровой обработки металлов.

Результаты использования заявленного устройства обеспечивает в целом:

- повышение качества упрочнения,

- повышение износостойкости,

- производительности труда при упрочнении и маркировке изделий из металла,

- повышение производительности труда при использовании упрочненного инструмента.

Заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «новизна», так как при определении уровня техники не выявлено устройство, которому присущи признаки, идентичные (то есть совпадающие по исполняемой ими функции и форме выполнения этих признаков) совокупности признаков, перечисленных в формуле изобретения.

Заявленное техническое решение удовлетворяет условию патентоспособности «изобретательский уровень», поскольку не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного изобретения, и не установлена известность влияния отличительных признаков на указанный технический результат.

Заявленное техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость», предъявляемому к изобретениям, так как изготовлено с использованием известных материалов, комплектующих изделий, стандартных технических устройств и оборудования.

Устройство для электроискрового вибрационного легирования металлов, содержащее корпус, соединенный контактной клеммой с устройством заземления, внутри которого размещены четыре функциональных блока - блок электропитания, частотный блок, блок охлаждения и блок накопительных конденсаторов, и размещенный вне корпуса устройства вибрационный блок, при этом

блок электропитания состоит из трансформатора, сигнальной лампы, расположенной между полюсами первичной обмотки трансформатора параллельно обмотке, включателя/выключателя питания сети и предохранителя, включенных в цепь первичной обмотки трансформатора, включателя/выключателя и предохранителя, включенных в цепь вторичной обмотки трансформатора к выводу, являющемуся общим для трех блоков - частотного блока, блока охлаждения и вибрационного блока, причем

частотный блок состоит из двухпозиционного переключающего ключа в виде включателя/выключателя, последовательно соединенного с ключом диода,

блок охлаждения состоит из выпрямительного моста со сглаживающим фильтром из конденсатора и резистора, предохранителя и вентилятора охлаждения,

блок накопительных конденсаторов состоит из накопительных конденсаторов, разрядных резисторов, включателей/выключателей, причем конденсаторы через включатели/выключатели включены между собой параллельно в единую цепь с возможностью объединения/разъединения их емкостей включателями/выключателями, а

вибрационный блок состоит из вибратора с электрододержателем и электродом, при этом электрододержатель вибратора оснащен механизмом регулирования вылета электрода, а электрод выполнен с возможностью присоединения к плюсовому полюсу блока накопительных конденсаторов, который выполнен с возможностью присоединения к обрабатываемому изделию минусовым полюсом, а электрод выполнен с возможностью соприкосновения с обрабатываемым изделием,

отличающееся тем, что оно содержит блок импульсного источника питания, подключенный с возможностью осуществления электропитания блока накопительных конденсаторов и имеющий прямоугольную форму импульсов с частотой 500 Гц, и оснащено защитой от короткого замыкания, причем блок импульсного источника питания совместно с ключами конденсаторов выполнены с возможностью обеспечения дискретного набора разных фиксированных по величине суммарных емкостей в широком диапазоне от 10 до 4840 мкФ.