专利名称：放电表面处理用电源装置和放电表面处理方法
技术领域：
本发明涉及改进用于放电表面处理的放电表面处理用电源装置和放电表面处理方法，是使放电表面处理用电极和被加工件的极间产生放电，并利用这种能量，在被加工件表面上形成由电极材料构成的硬质保护膜或由电极材料利用放电能量进行反应的物质构成的硬质保护膜。
背景技术：
以往，作为在被加工件表面形成硬质保护膜并使其具有耐腐蚀性、耐磨性的技术，有例如日本特开平5-148615公报所揭示的放电表面处理方法。这种技术使用将WC(碳化钨)粉末和Co(钴)粉混合压缩成型的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，进行一次加工(堆积加工)，接着换成铜电极等电极消耗较少的电极再作二次加工(再熔化加工)，这两道工序构成金属材料放电表面处理方法。这种方法能对钢材形成具有牢固粘合力的硬质保护膜，但对于硬质合金那样的烧结材料，难以形成具有牢固粘合力的硬质保护膜。
但是，根据我们的研究可知，如果将形成Ti(钛)等硬质碳化物的材料作为放电表面处理用电极，在与被加工件的金属材料之间产生放电，则能在被加工件的金属表面上形成牢固的硬质保护膜而并没有再熔或是融的过程。这是由于放电消耗掉的电极材料和加工液的组成成份C(碳)反应，生成TiC(碳化钛)的原因。另外可知，如果利用由TiH2(氢化钛)等金属氢化物构成的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，在与被加工件的金属材料之间产生放电，则会比使用Ti等材料的情况更迅速地形成更致密的硬质保护膜。此外还知道，如果利用将TiH2等氢化物与其它金属或陶瓷等混合后形成的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，在与被加工件的金属材料之间产生放电，则会极快地形成具有硬度、耐磨性等各种性质的硬质保护膜。
关于这种方法，例如在日本特开平9-192937号公报中已揭示，图4举例表示在这种放电表面处理中使用的装置构成图。图中，1为将TiH2粉末压缩成型而成的作为放电表面处理用电极的压粉体电极，2为被加工件，3为加工槽，4为加工液，5为对压粉体电极1和被加工件2所加电压和电流进行开关的开关元件，6为控制开关元件开关的控制装置，7为电源，8为电阻器，9为所形成的硬质保护膜。根据这样的构成，在压粉体电极1和被加工件2之间产生放电，利用该放电能量，在钢铁、硬质合金等构成的被加工件2的表面上形成硬质保护膜。开关元件5、控制电路6、电源7及电阻器8相当于放电表面处理用电源装置，它决定放电表面处理过程中的放电电流脉冲波形等。
这种以往的放电表面处理用电源装置放电电流脉冲基本上用矩形波，如图5所示，通过改变放电电流的峰值Ip及脉宽T，调整被加工件上形成的硬质保护膜的厚度等。
图6说明电极材料对被加工件的附着情况。图7表示从放电开始随着时间变化的电流密度和放电电弧柱直径的变化图。在图6中，1是放电表面处理用电极，2是被加工件，10是放电电弧柱，11是急速加热气化爆发释放的电极成分，12是附着在被加工件2上的电极成分。如图6(a)和7所示，在放电刚发生后，放电电弧柱10的直径小，电流密度极高。此外，放电表面处理用电极与通常的进行研削加工的放电加工用电极不同，为了提高表面处理作业的生产率，故意降低热传导和机械强度。因此，如图6(a)所示，在电流密度高的状态下放电表面处理用电极1的放电电弧柱10附近的部分急速加热，利用气化爆发使放电表面处理用电极1的一部分飞溅到周围(加工液中)。这里，利用加工液急速冷却急速加热气化爆发释放的电极成分11，不会形成被加工件2的硬质保护膜。另一方面，如图6(b)所示，在电流密度适当的状态下，因为放电电弧柱10的直径变大，所以能大范围加热放电表面处理用电极1，使附着在被加工件2上的电极成分12的量增多。
这样，对于以往的放电表面处理用电源装置产生的矩形波的放电电流脉冲波形(例如图5)，即使为了提高表面处理的生产率，而提高放电电流脉冲的峰值Ip，特别在刚放电后，电极材料随着在被加工件侧的比例仍然很小。因此存在的问题是，电极材料随着在被加工件侧的比例为按重量比的10％到50％左右，因为电极材料的浪费大，所以表面处理成本上升。
放电表面处理方法是利用放电的热量释放电极材料，使其一部分成为硬质保护膜溶融附着在被加工件表面上的处理方法。因此，对于放电能量有两部分作用，一部分是所谓释放电极材料的作用，另一部分是使释放的材料与被加工件溶融的作用。
图8表示利用1个放电电流脉冲对被加工件的钢材进行放电表面处理时的被加工件表面的照片。图8(a)所示为电极材料的释放量过多的情况，图8(b)所示为电极材料的释放量过少的情况。在电极材料的释放量过多的情况下(图8(a))，利用放电能量释放的电极材料溶融不足，不能在被加工件上形成致密的硬质保护膜。在电极材料的释放量过少的情况下(图8(b))，被加工件溶融过度，除硬质保护膜附着外还对被加工件进行了研削加工。对于以往的放电表面处理用电源装置产生的矩形波的放电电流脉冲波形(例如图5)存在的问题是，在一次放电中因为利用1个矩形波的放电电流脉冲同时进行电极材料的释放和电极材料与被加工件的溶融，所以难于确保电极材料的适当的供给量，由于电极材料的供给不足会产生对被加工件的研削加工，而由于电极材料的供给过多会产生硬质保护膜的溶融不足。
发明内容
本发明为解决所述问题，要解决的技术问题是提供能降低表面处理成本、同时能在被加工件上形成致密的硬质保护膜的放电表面处理用电源装置及放电表面处理方法。
本发明的放电表面处理用电源装置，用于放电表面处理，所述放电表面处理使放电表面处理用电极和被加工件的极间产生放电，并利用其能量在被加工件表面形成硬质保护膜，在这种放电表面处理用电源装置中包括控制装置，这种控制装置将放电电流脉冲分割成第1脉宽T1(第1峰值Ip1)、第二脉宽T2(第2峰值Ip2)、……第n脉宽Tn(第n峰值Ipn)(n为2以上的整数)的区间，设定第1脉宽T1及第1峰值Ip1，以便达到抑制电极材料释放的规定范围内的所述极间电流密度，设定第k脉宽Tk及第k峰值Ipk(2≤k≤n、k为整数)，以便达到根据预期的加工条件预先设定的由所述电极材料释放产生的所述硬质保护膜材料供给量的值。
本发明的放电表面处理方法，用于放电表面处理，所述放电表面处理使放电表面处理电极和被加工件的极间产生放电，并利用其能量在所述被加工件表面形成硬质保护膜，在这种处理方法中，将放电电流脉冲分割成第1脉宽T1(第1峰值Ip1)、第二脉宽T2(第2峰值Ip2)、……第n脉宽Tn(第n峰值Ipn)(n为2以上的整数)的区间，设定第1脉宽T1及第1峰值Ip1，以便达到抑制电极材料释放的规定范围内的所述极间电流密度，设定第k脉宽Tk及第k峰值Ipk(2≤k≤n、k为整数)，以便达到根据预期的加工条件预先设定的由所述电极材料释放产生的所述硬质保护膜材料供给量的值，在所述被加工件表面上形成硬质保护膜。
本发明因为前述的构成，所以具有以下的效果。
本发明的放电表面处理用电源装置及放电表面处理方法，因能有效地将电极材料附着在被加工件表面上，所以能降低表面处理成本。
此外，因为能确保电极材料的适当的供给量，所以能在被加工件上形成致密的硬质保护膜。
附图简要说明
图1表示与本发明的实施形态相关的放电表面处理用电源装置的构成和极间电压和放电电流的波形图。
图2表示使用与本发明的实施形态相关的放电表面处理用电源装置进行放电表面处理而在被加工件上形成硬质保护膜情况的说明图。
图3表示用以往的放电表面处理用电源装置进行放电表面处理的场合与用本发明的放电表面处理用电源装置进行放电表面处理时的电极消耗长度的比较图。
图4举列表示在放电表面处理中使用的装置构成图。
图5表示以往的放电表面处理用电源装置中的极间电压和放电电流脉冲图。
图6表示电极材料附着在被加工件的说明图。
图7表示从放电开始随着时间变化的电流密度和放电电弧柱直径的变化图。
图8表示利用1个放电电流脉冲对钢材进行放电表面处理时的被加工件表面的照片。
实施发明的最佳形态图1表示与本发明实施形态相关的放电表面处理装置用电源装置，图1(a)为构成图、图1(b)为极间电压及放电电流波形图，图1(c)表示又一例的放电电流波形图。在图1中，1为放电表面处理用电极，2为被加工件，3为加工槽，4为加工液，13为开关元件组，14为控制开关元件组13开、关的控制手段，15为电源，16为电阻器组，T1为第1脉宽，T2为第2脉宽，Tr为停止时间，Ip1为第1峰值，Ip2为第2峰值。开关元件组13、控制手段14、电源15以及电阻器组16相当于放电表面处理用电源装置，决定放电表面处理过程中放电电流脉冲波形等。
下面，对动作进行说明。使放电表面处理用电极1和被加工件2相对置于加工液4中，利用未图示的驱动装置保持规定的间隙。放电电流的峰值是在电源15的电源电压及电阻器组16中与开关元件组13导通的开关元件串联连接的电阻值的函数。利用控制手段使得与电阻器组16中电阻值大的电阻串联连接的开关元件组13的开关元件导通，通过这样在放电表面处理用电极1和被加工件2之间施加电压，经过规定的时间后，产生放电(第1峰值Ip1)。在检测出产生放电并经过第1脉宽T1后，利用控制装置14使前述导通的开关元件断开，并使得与电阻器组16中电阻值小的电阻串联连接的开关元件组13的开关元件导通，通过这样使放电电流增加(第2峰值Ip2)。然后，经过第2脉宽T2后，利用控制手段14使开关元件组13的开关元件全部断开。再经过停止时间Tr后，再次利用控制手段14有选择地使开关元件组13的开关元件导通。通过反复进行以上的动作，进行放电表面处理。这样，能利用控制手段14有选择地使开关元件组13的开关元件导通及断开，进行放电电流的峰值控制。
放电电流脉冲，可为图1(b)那样的阶梯状，也可如图1(c)那样的斜坡状。要增加放电电流脉冲的斜坡状，可通过将电感串联接入放电表面处理用电源装置的电源电路中来实现。
图2表示使用与本发明的实施形态相关的放电表面处理用电源装置进行放电表面处理而在被加工件上形成硬质保护膜情况的说明图，在图2中，1为电极，2为被加工件，10为放电电弧柱，17为利用与本发明相关的方法在被加工件2上形成的硬质保护膜。图2(a)相当于图1(b)或图1(c)的第1脉宽T1开始的部分，图2(b)相当于图1(b)或图1(c)的第1脉宽T1结束的部分，图2(c)相当于图1(b)或图1(c)的第2脉宽T2的部分。
在图1(b)或图1(c)中，设定第1脉宽T1和第1峰值Ip1，达到抑制电极材料释放的规定范围内的电流密度(图2(a))，在第1个脉宽T1的区间中，使放电电弧柱(10)的直径充分增大(图2(b))，接着，在这种放电电弧柱(10)的直径放大的状态下，在第2脉宽T2中，利用控制手段14控制开关元件组13等，使放电电流增大到第2峰值Ip2，以便达到根据预期的加工条件预先设定的由所述电极材料释放产生的所述硬质保护膜材料供给量的值，通过这样对被加工件(2)有效地形成硬质保护膜(17)(图2(c))。
对于达到抑制电极材料释放的规定范围内的电流密度的第1脉宽T1和第1峰值Ip1以及使得对被加工件的硬质保护膜材料的供给量达到预期量的第2脉宽T2和第2峰值Ip2的设定值，能预先由实验求出，并能够对应于所要的加工速度、硬质保护膜面的性能形状以及电极消耗等的加工条件进行设定。例如，只要通过实验预先收集使放电表面处理用电极的材料及其结构成分以及硬度等电极参数、被加工件的材料等参数、第1脉宽T1、第2脉宽T2、第1峰值Ip1和第2峰值Ip2的放电电流的脉宽以及峰值的参数变化时的放电表面处理用电极的消耗量、在被加工件上形成的硬质保护膜面的性能形状以及表面处理作业的生产率等数据，并使用这些数据对应于所要的加工速度、硬质保护膜面的性能形状以及电极消耗等加工条件，设定达到抑制电极材料的释放的规定范围内的电流密度的第1脉宽T1和第1峰值Ip1以及使得对被加工件的硬质保护膜材料的供给量达到预期量的第2脉宽T2和第2峰值Ip2即可。
图3为表示在被加工件上形成的硬质保护膜的厚度相同的条件下，使用以往的放电表面处理用电源装置进行放电表面处理时与使用与本发明相关的放电表面处理用电源装置的放电表面处理时的电极消耗长度的比较图。这种情况下，以往的放电表面处理用电源装置产生的放电电流脉冲是峰值Ip为8A、脉宽T为8μs的矩形波，与本发明相关的放电表面处理用电源装置产生的放电电流脉冲是第1脉宽T1为8μs、第1峰值Ip1为2A、第2脉宽T2为8μs、第2峰值Ip2为8A。在图3中，利用以往的放电电流脉冲，电极消耗长度是大约500μm，利用与本发明相关的放电电流脉冲，电极消耗长度是大约200μm，可见与本发明相关的放电表面处理用电源装置能大幅度地降低电极消耗如前所述，若采用与本发明相关的放电表面处理用电源装置进行放电表面处理，因为能将电极材料有效地附着在被加工件表面上，所以能减少表面处理成本。此外，因为能确保电极材料的适当的供给量，所以能在被加工件上形成致密的硬质保护膜。
在前述的说明中，放电电流的峰值为2级的阶梯形状，但也可以为3级以上的形状。此外，在脉宽的各区间中，放电电流脉冲的电流值也可以不是固定值或者斜坡状，而是规定的时间函数。
工业上的实用性如上所述，与本发明相关的放电表面处理用电源装置及放电表面处理方法，适用于在被加工件表面上形成硬质保护膜的表面处理相关产业。
权利要求
1.一种放电表面处理用电源装置，用于放电表面处理，所述放电表面处理使放电表面处理用电极和被加工件的极间产生放电，并利用其能量在被加工件表面形成硬质保护膜，其特征在于，包括控制装置，所述控制装置将放电电流脉冲分割成第1脉宽T1(第1峰值Ip1)、第二脉宽T2(第2峰值Ip2)、……第n脉宽Tn(第n峰值Ipn)(n为2以上的整数)的区间，设定第1脉宽T1及第1峰值Ip1，以便达到抑制电极材料释放的规定范围内的所述极间电流密度，设定第k脉宽Tk及第k峰值Ipk(2≤k≤n、k为整数)，以便达到根据预期的加工条件预先设定的由所述电极材料释放产生的所述硬质保护膜材料的供给量的值。
2.一种放电表面处理方法，用于放电表面处理，所述放电表面处理使放电表面处理电极和被加工件的极间产生放电，并利用其能量在所述被加工件表面形成硬质保护膜，其特征在于，所述处理方法包括将放电电流脉冲分割成第1脉宽T1(第1峰值Ip1)、第二脉宽T2(第2峰值Ip2)、……第n脉宽Tn(第n峰值Ipn)(n为2以上的整数)的区间，设定第1脉宽T1及第1峰值Ip1，以便达到抑制电极材料释放的规定范围内的所述极间电流密度，设定第k脉宽Tk及第k峰值Ipk(2≤k≤n、k为整数)，以便达到根据预期的加工条件预先设定的由所述电极材料释放产生的所述硬质保护膜材料供给量的值，在所述被加工件表面上形成硬质保护膜。
全文摘要
本发明揭示一种放电表面处理用电源装置和放电表面处理方法,设定放电电流的第1脉宽T1及第1峰值Ip1,以便达到抑制电极材料释放的规定范围内的电极(1)和被加工件(2)的极间的电流密度,在第1脉宽T1的区间,在放电电弧柱(10)的直径充分增大的状态下,在第2脉宽T2中,使放电电流增大到第2峰值Ip2为止,在所述极间产生放电,使得由所述电极材料释放产生的所述硬质保护膜材料的供给量达到根据预期加工条件而预先设定的值,通过这样对被加工件(2)有效地形成硬质保护膜(17)。能降低表面处理的成本,同时能在被加工件(2)上形成致密的硬质保护膜(17)。
文档编号C23C8/06GK1344333SQ00805400
公开日2002年4月10日 申请日期2000年1月24日 优先权日2000年1月24日
发明者後藤昭弘, 毛吕俊夫 申请人:三菱电机株式会社