专利名称：超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置的制作方法
技术领域：
本实用新型是一种超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置， 属于超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置的改造技术。
技术背景
目前用于模具修复与抛光加工的方法有如下几种 1、表面镀覆技术
镀覆技术按镀覆层形成过程及镀覆层与基体的结合机理可分为如下3
类
1) 热喷涂热喷涂是将喷涂粉末加热到可以相互粘结的状态，并以 一定速度喷射到基材表面，形成覆盖层的一类技术，如火焰喷涂、等离子 喷涂、爆炸枪喷涂和超音速喷涂等。其中火焰喷涂、等离子喷涂在模具修 复中最常用。热喷涂形成的修复层与基材之间为机械结合，所以多用于非 冲击载荷条件下的模具表面改性及形状修复。
2) 表面熔覆技术表面熔覆技术是新型表面改性技术，通过在基材 表面添加熔覆材料，并利用高能量密度的热源，使与基体表面的薄层一起 熔凝，形成与基体为冶金结合的添料熔覆层。按熔覆过程中釆用的热源， 可分为火焰熔覆、氩弧熔覆、激光熔覆。火焰熔覆、氩弧熔覆用于模具修 复中，虽然设备便宜，操作简单，但是由于受热面积过大，引起热变形， 故，修复质量不是很高。激光熔覆技术的熔覆热源能量密度非常高，使熔 覆材料选择范围大大增加，可获得与基体冶金结合的高性能、多用途的熔覆层。熔覆过程中引起的变形量很小，熔覆层表面平整度高，但是设备昂 贵，不利与现场的快速修复。
2、 气相沉积技术气相沉积是通过化学或热蒸发等物理过程，使沉
积材料汽化并在基体表面形成固体膜层的方法。气相沉积是表面技术中发 展迅速、类型较丰富的一种表面覆层技术，它可以在各种材料的模具表面 沉积多层膜，但是它应用于模具修复中也有许多缺点，如，和基体是物理 机械结合，结合强度不高，设备复杂、笨重，不利于现场修复，这些都很 大程度上限制其应用场合。
3、 电镀电镀是通过电解方法在固体表面上获得金属沉积层的电沉 积过程。它可以获得多种镀层，通过配置不同的镀液，使用一套设备可以 镀多种金属，但是设备与其他加工工艺的设备相比较复杂，而且在电镀的 过程中产生污染严重的电解液体，对环境污染较严重，与热喷涂相比涂层 的质量没有那么突出，会产生有害气体、烟尘、有害辐射光线，不与基体 表面形成合金，需要修复的零件尺寸受到电镀槽的限制， 一些大的零件将 无法电镀。
4、 电火花沉积修复电火花沉积技术(electro sp40rk deposition) 是利用短脉宽、高频率的脉冲电源把电极材料(阳极)焊接到金属基体上 的一种脉冲电弧微焊接技术。电火花沉积技术(ESD)的主要优点是能够用 低的热输入使电极材料与基体合金化结合。它减少了基体材料组织的热变 形，热应力；同时由于涂层与基体是冶金结合，因此经过ESD进行表面处理 的工件与等离子喷涂、电化学电镀等低热输入涂镀工艺相比其表面具有更 好的机械性能。与以上其它几种修复工艺相比，电火花沉积虽然有以上优 点，但是它也有其始终无法突破的瓶颈 一 一很难获得超过3 5 Op m厚度的致 密涂层，这一问题很大地限制了电火花沉积技术的应用场合。
5、 超声抛光超声抛光是把具有适当输出功率的超声振动系统产生的超声振动能量附加在要修复的模具表面上，从而使抛光工具与模具表面 以一定的频率和一定的振幅进行超声高频机械振动摩擦，达到为模具抛光 的表面光整加工方法。这一方法已经广泛地应用在模具表面光整加工中， 不仅大大节省了模具修复后的光整时间，而且很大程度上降低了模具修复 的成本。
目前国内外模具修复行业中，多数利用上述表面镀覆技术、气相沉积技 术、电镀、激光重熔技术对失效的模具进行修复，它们或多或少都有明显 的缺点。目前也有利用电火花沉积技术用于模具的修复，但由于是对电火 花沉积技术的单纯运用，但始终不能获得大修复厚度的沉积层，很大程度 上限制了这一技术的推广
实用新型内容
本实用新型的目的在于考虑上述问题而提供一种修复成本低，修复精 度较高的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化的装置。
本实用新型的技术方案是包括有气体供给装置、电源及控制箱、接 线、电极装置、工件夹头，其中气体供给装置包括有氩气瓶、压力减压表、 通气软管，电极装置包括有外壳、电机主轴、第一换能器接线杆、第二换 能器接线杆、换能器、电极接线杆、保护气体接管、工具材料、装夹头、 导电垫片、滑块、绝缘陶瓷轴、第二换能器导电垫片、第一换能器导电垫 片、绝缘垫片、绝缘垫片、第一换能器接电滚动圆盘、第二换能器接电滚 动圆盘，其中电机主轴通过法兰与换能器连接，换能器的第一换能器接线 杆及第二换能器接线杆分别与第一换能器导电垫片及第二换能器导电垫片 连接，第一换能器导电垫片及第二换能器导电垫片分别与第一换能器接电 滚动圆盘、第二换能器接电滚动圆盘连接，电火花沉积的阳极接线与电极 接线杆连接，电极接线杆与滑块连接，滑块与通过绝缘陶瓷轴与装夹头连 接，工具材料夹紧在装夹头上，接线包括有电机正负极接线、换能器的正负电极接线和电火花沉积淀的阳极接线五根根线，调速电机与电机正负极 接线连接，换能器的正负接线分别与第一换能器接线杆、第二换能器接线 杆连接，通过压力减压表与氩气瓶连接的通气软管与电极装置中的保护气 体接管的一端连接，保护气体接管的另一端与装夹头及工具材料所在的安 装腔体相通，电源及控制箱中的电源部分包括超声电源及电火花沉积电源， 超声电 原与换能器连接，电火花沉积电源的阳极与电极接线杆连接，电火 花沉积电源的阴极与工件夹头连接，被修复模具装夹在工件夹头上。
上述电火花沉积的阳极接线通过外壳所设的电线、保护气体通孔与电 极接线杆连接。
上述换能器的正负接线通过外壳所设的电线、保护气体通孔分别与第 一换能器接线杆、第二换能器接线杆连接。
上述电极接线杆与外壳之间设有绝缘垫片。 上述电机主轴通过法兰及螺栓、弹簧与换能器连接。 上述调速电机通过螺钉固定在外壳上。
上述工具材料为在电火花沉积修复时使用的电极材料或在抛光时使用 的抛光油石。
上述外壳包括有依次连接的外端盖、二段外壳、三段外壳、四段外壳、 五段外壳、末端端盖。
上述第一换能器接线杆、第二换能器接线杆通过第一绝缘垫片隔开， 第二换能器导电垫片及第一换能器导电垫片与外壳之间设有第二绝缘垫 片。
本实用新型超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化的装置由于 釆用超声辅助电火花沉积与超声抛光复合的结构，利用电火花沉积工艺通 过电能把阳极材料涂镀到阴极(模具工件)上去的原理和超声机械振动摩 擦作用的复合来实现模具表面缺陷的修复，同时在修复完成后利用了超声振动的能量可完成修复后的后续加工一一对修复后的模具表面进行机械打 磨。由于综合运用了电火花沉积加工工艺与超声抛光技术的优点，具有修 复成本低，修复精度较高的特点，超声辅助电火花沉积与超声抛光复合的 模具修复及抛光的复合加工不仅能够对模具失效表面材料进行髙效率的修 复，适用于难用大型修复设备进行修复的场合，而且其电极装置巧妙利用 了超声效应和电极高速旋转机械磨削效应的各自优势，拓宽了修复领域， 提高沉积修复层的质量，并且可以在电火花沉积修复后可利用超声振动和 电极装置末端的旋转用于修复层的抛光，加工的精度高，表面质量好。本 实用新型的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化的装置修复成本 低，修复精度较高。
图l为本实用新型的原理图2为本实用新型电极装置的结构示意图3为图2在换能器旋转90°后的结构示意图。
l外端盖；2调速电机；3 二段外壳；4螺钉；5电机主轴；6 电线、保护气体通孔；7螺栓；8弹簧；9、 10换能器接线杆；11换 能器；12电极接线杆；13保护气体接管；14五段外壳；15绝缘 垫片;16末端端盖；17工具材料(电极材料或抛光油石)；18装夹 头；19导电垫片；20滑块；21绝缘陶瓷轴；22四段外壳；23、 25换能器导电垫片；24绝缘垫片；26绝缘垫片；27法兰；28、 29换能器接电滚动圆盘；30三段外壳；31 氩气瓶；32压力减压表； 33通气软管；34电源及控制箱；35接线；36电火花沉积电源的阴 极；37电极装置；38被修复模具；39工件夹头；40外壳。
具体实施方式
实施例本实用新型的结构示意图如图1、 2、 3所示，包括有气体供给装置、
电源及控制箱34、接线35、电极装置37、工件夹头39,其中气体供给装 置包括有氩气瓶31、压力减压表32、通气软管33,电极装置37包括有外 壳40、电机主轴5、第一换能器接线杆9、第二换能器接线杆IO、换能器 11、电极接线杆12、保护气体接管13、工具材料17、装夹头18、导电垫 片19、滑块20、绝缘陶瓷轴21、第二换能器导电垫片23、第一换能器导 电垫片25、绝缘垫片24、绝缘垫片26、第一换能器接电滚动圆盘28、第 二换能器接电滚动圆盘29,其中电机主轴5通过法兰27与换能器11连接， 换能器11的第一换能器接线杆9及第二换能器接线杆IO分别与第一换能 器导电垫片25及第二换能器导电垫片23连接，第一换能器导电垫片25及 第二换能器导电垫片23分别与第一换能器接电滚动圆盘28、第二换能器 接电滚动圆盘29连接，电火花沉积的阳极接线与电极接线杆12连接，电 极接线杆12与滑块20连接，滑块20与通过绝缘陶瓷轴21与装夹头18连 接，工具材料17夹紧在装夹头18上，接线35包括有电机正负极接线、换 能器的正负电极接线和电火花沉积淀的阳极接线五根根线，调速电机2与 电机正负极接线连接，换能器的正负接线分别与第一换能器接线杆9、第 二换能器接线杆10连接，通过压力减压表32与氩气瓶31连接的通气软管 33与电极装置37中的保护气体接管13的一端连接，保护气体接管13的 另 一端与装夹头18及工具材料17所在的安装腔体相通，电源及控制箱34 中的电源部分包括超声电源及电火花沉积电源，超声电源与换能器11连 接，电火花沉积电源的阳极与电极接线杆12连接，电火花沉积电源的阴极 36与工件夹头39连接，被修复模具38装夹在工件夹头39上。由于在进 行修复与抛光过程中所受的扭矩力很小，所以直流调速电机2可以选择小 功率电机。换能器ll选择夹心式陶瓷压电换能器，本实用新型需要的超声 振动功率为IOOW左右，超声频率为20KZH左右，夹心式陶瓷压电换能器在几十千赫到几十千赫的低频率正常工作，而且夹心式换能器的夹紧机构有 预紧力，增大了换能器的机械强度。调速电机2接通直流电后产生0~
2400r/min的转速，同时换能器11接通电源后将产生纵向的高频振动，换 能器11通过法兰27与电机主轴5连接后，电机以下的部分将会获得高速 的旋转与轴向的高频振动复合运动。
本实施例中，上述电火花沉积的阳极接线通过外壳40所设的电线、 保护气体通孔6与电极接线杆12连接。上述换能器的正负接线通过外壳 40所设的电线、保护气体通孔6分别与第一换能器接线杆9、第二换能器
接线杆10连接。
上述电极接线杆12与外壳40之间设有绝缘垫片15。 本实施例中，上述电机主轴5通过法兰27及螺栓7、弹簧8与换能 器11连接。弹簧8的作用是缓冲减振，降低换能器ll产生的高频轴向振 动对电机主轴5的影响。上述调速电机2通过螺钉4固定在外壳40上。
上述工具材料17为在电火花沉积修复时使用的电极材料或在抛光时 使用的抛光油石，工具材料17在电火花沉积修复时使用的电极材料可以选 择硬质合金、模具钢等，其形状做成圆柱形，以方便装夹。
为了方便内部零部件的装配，外壳40分为6段，包括有依次连接的外 端盖l、 二段外壳3、三段外壳30、四段外壳22、五段外壳14、末端端盖 16,每段之间通过螺紋连接，其制作材料为铝合金，而且在外壳的外表面 均要涂镀一层绝缘材料，其目的是提高安全性，防止漏电，避免对搡作人 员的伤害。
本实施例中，上述第一换能器接线杆9、第二换能器接线杆10通过 第一绝缘垫片24隔开，第二换能器导电垫片23及第一换能器导电垫片25 与外壳40之间设有第二绝缘垫片26，第一绝缘垫片24及第二绝缘垫片26 完成对各部分的绝缘工作。本实用新型超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置的核心部 分是电极装置，它能够在修复时让电极材料实现绕轴的高速旋转与轴向的 高频超声振动的复合运动，达到能对各种形状的模具大厚度，高表面质量 表面修复。电源及控制箱34中的控制系统包括总控系统、电源控制系统、
电极调速系统以及保护气体控制系统等，该控制体系能通过实时控制和协 调电参数、电极旋转速度、保护气体的流速，来达到实时合理地组合加工 过程中电能和机械能，达到最优的加工效果的目的。该控制系统主要包括 电源的电容、电容两端之间的电压、沉积厚度监测装置、加工过程监控装 置、电机驱动器以及电源等控制模块。电源控制系统既可以根据工作要求 的需要，对电火花沉积修复参数进行调节，也可以保障修复与抛光之间的
功能转换。电源及控制箱34中的加工电源是超声电源与电火花沉积电源的
集成电源，其内部包含有相应的电源控制系统，且与总控制系统连接，控 制系统能根据修复的需要，调整电机转速、放电频率、加工电压等参数。 电源可以釆取直流电源或脉冲电源等各种形式，电能的传递形式和供给能 量由相应的电源控制系统来控制。保护气体供给系统可以防止修复时发生 的电极材料氧化。
本实用新型使电能与机械能高效结合，同时通过电极装置，不仅把电 火花沉积修复这一工艺发挥的淋漓尽致，而且通过引入超声振动的能量，
使模具修复过程中的修复与打磨能够在一台设备上能够便捷、快速地在一 台设备上进行，能够大大提高修复效率，节约修复成本。同时，本实用新
型在电火花沉积修复的同时，融入超声振动后，可以细化电火花沉积修复 层的晶粒结构，提高沉积层的结合强度，而且由于在沉积的过程中，电极 具有高频的振动与高速的旋转复合运动，复合运动的引入利于电极材料均 匀地沉积到基体材料上去，从而有利于沉积厚度的提高。另外，本实用新 型的电极装置通过能换器与电机的柔性结合，尾端能够实现高速的旋转与超声的高频振动的复合运动形式，此独特的运动形式，不仅能够有利于保 障沉积修复层的质量，还可以防止电极与被修复模具长接触引起的短路， 避免了模具表层的短路烧坏。
本实用新型超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置的加工工 艺，其包括如下步骤
l)接通电火花沉积电源，即将电极接线杆12接正极，被修复模具38 接负极，接通调速电机2及换能器11，开启气体供给装置的保护气体开关， 手持电极装置37在被修复模具38表面横向地来回移动，直到修复到需要的
尺寸为止；
2) 根据被修复模具38的材料特性，在电源及控制箱34的控制面板上 调整各参数，.以便使修复在最佳工艺参数下进行；
3) 关闭电火花沉积电源与保护气体开关，把工具材料17在电火花沉 积修复时使用的电极材料换成抛光油石，对沉积后的表面进行抛光打磨， 直到加工到需要的表面精度；
4) 完成工作后关闭所有开关。
本实用新型高能量密度的脉冲电能通过电极装置末端的电极材料对 需要修复的模具进行放电加工，而此时超声振动的能量通过电极装置的末 端(电极材料)施加到修复模具的表面，本实用新型方法通过在沉积修复 的同时辅助以高频的超声振动和高速旋转运动，可以把强大超声波施加到 模具介面，使模具表层材料物理效应在此发生强烈反应，进而瞬间激活金 属品格中的粒子，使金属片相合处的分子相互渗透而有利于金属的结合， 还能够使电极材料均勻，致密地沉积到模具上，同时涂层不会骤冷骤热， 避免了由热应力积累形成的微裂紋，有利于涂层的增厚。修复步骤完成后， 本实用新型还可以利用高频的超声振动能量和电极的高速旋转来对修复后 的模具表面进行光整打磨抛光，从而不仅能够获得大厚度、高致密、好的表面质量的沉积修复层，而且大大降低了修复抛光成本，提高了修复的效
权利要求1、一种超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置，其特征在于包括有气体供给装置、电源及控制箱(34)、接线(35)、电极装置(37)、工件夹头(39)，其中气体供给装置包括有氩气瓶(31)、压力减压表(32)、通气软管(33)，电极装置(37)包括有外壳(A)、电机主轴(5)、第一换能器接线杆(9)、第二换能器接线杆(10)、换能器(11)、电极接线杆(12)、保护气体接管(13)、工具材料(17)、装夹头(18)、导电垫片(19)、滑块(20)、绝缘陶瓷轴(21)、第二换能器导电垫片(23)、第一换能器导电垫片(25)、绝缘垫片(24)、绝缘垫片(26)、第一换能器接电滚动圆盘(28)、第二换能器接电滚动圆盘(29)，其中电机主轴(5)通过法兰(27)与换能器(11)连接，换能器(11)的第一换能器接线杆(9)及第二换能器接线杆(10)分别与第一换能器导电垫片(25)及第二换能器导电垫片(23)连接，第一换能器导电垫片(25)及第二换能器导电垫片(23)分别与第一换能器接电滚动圆盘(28)、第二换能器接电滚动圆盘(29)连接，电火花沉积的阳极接线与电极接线杆(12)连接，电极接线杆(12)与滑块(20)连接，滑块(20)与通过绝缘陶瓷轴(21)与装夹头(18)连接，工具材料(17)夹紧在装夹头(18)上，接线(35)包括有电机正负极接线、换能器的正负电极接线和电火花沉积淀的阳极接线五根根线，调速电机(2)与电机正负极接线连接，换能器的正负接线分别与第一换能器接线杆(9)、第二换能器接线杆(10)连接，通过压力减压表(32)与氩气瓶(31)连接的通气软管(33)与电极装置(37)中的保护气体接管(13)的一端连接，保护气体接管(13)的另一端与装夹头(18)及工具材料(17)所在的安装腔体相通，电源及控制箱(34)中的电源部分包括超声电源及电火花沉积电源，超声电源与换能器(11)连接，电火花沉积电源的阳极与电极接线杆(12)连接，电火花沉积电源的阴极(36)与工件夹头(39)连接，被修复模具(38)装夹在工件夹头(39)上。
2、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述电火花沉积的阳极接线通过外壳(A)所设的电线、保护 气体通孔(6 )与电极接线杆(12 )连接。
3、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述换能器的正负接线通过外壳(A)所设的电线、保护气体 通孔(6)分别与第一换能器接线杆(9)、第二换能器接线杆(10)连接。
4、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述电极接线杆(12)与外壳(A)之间设有绝缘垫片(15)。
5、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述电机主轴(5)通过法兰(27)及螺栓(7)、弹簧(8)与换能器(11)连接。
6、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述调速电机(2)通过螺钉(4)固定在外壳(A)上。
7、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述工具材料(17)为在电火花沉积修复时使用的电极材料或在抛光时使用的抛光油石。
8、根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置，其特征在于上述外壳(A)包括有依次连接的外端盖(1) 、 二段外壳(3)、三段外壳(30)、四段外壳(22)、五段外壳(14)、末端端盖(16)。
9、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置，其特征在于上述第一换能器接线杆(9)、第二换能器接线杆(10)通过 第一绝缘垫片U4)隔开。
10、 根据权利要求1所述的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装 置，其特征在于上述第二换能器导电垫片(23)及第一换能器导电垫片(25) 与外壳U)之间设有第二绝缘垫片(26)。
专利摘要本实用新型是一种超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置。本实用新型超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化的装置包括有气体供给装置、电源及控制箱(34)、接线(35)、电极装置(37)、工件夹头(39)，其利用电火花沉积工艺和超声机械振动摩擦作用的复合来实现模具表面缺陷的修复，同时在修复完成后利用超声振动的能量可完成对修复后的模具表面进行机械打磨。其综合运用了电火花沉积加工工艺与超声抛光技术的优点，故修复成本低，修复精度较高，本实用新型的复合加工不仅能够对模具失效表面材料进行高效率的修复，适用于难用大型修复设备进行修复的场合。本实用新型的超声辅助电火花沉积修复与超声抛光一体化装置操作简单，方便实用。
文档编号B23K9/04GK201224011SQ20082004663
公开日2009年4月22日 申请日期2008年4月18日 优先权日2008年4月18日
发明者李勇勇, 谢志祥, 郭钟宁 申请人:广州市番禺联合科技发展有限公司;广东工业大学