离散多阳极钟罩式离子氮化炉的制作方法

本发明涉及钟罩式离子氮化炉，尤其是涉及离散多阳极钟罩式离子氮化炉。

背景技术：

辉光离子氮化由于渗氮速度快、表面硬度高、脆性小、抗疲劳、变形小、节能环保等优势被广泛地应用于精密关键构件表面硬化，如齿轮、轴、螺杆、机床零件、模具、冶金机械等。

离子氮化过程中，工件表面辉光放电的电流密度是不均匀的，一般为0.5~5ma/cm²，电流密度分布特点是：靠近阴极盘的下部电流密度大而上部较小。辉光放电的电流密度与气体压力、气体成份、温度、表面导电性、阴阳极距离等多种因素有关。

离子渗氮时温度不均匀是由离子渗氮零件的加热和散热特点所决定的。当零件在单位时间内获得的热量和散失的热量在某一温度下恰好相等时，该温度就为平衡温度；而温度不均匀就在于零件各处的平衡温度不同。

辉光放电加热包含三种能量变换，电能→离子、中性原子的动能→零件的热能。因此电流密度的大小是零件获得热量多少的主要标志。放电主要由阴极位降区所决定，但还受制于以下因素的影响：

1、阴阳极距离：当阴极电压一定时，阴极位降较低，离子和中性气体粒子的能量较小，零件的温度偏低。阴阳极距离不同，零件表面各处的电流密度也是有差异的，这种差别随着炉压的增加而增大；当阴阳极距离比较悬殊时，或炉压较高时，这种影响因素常常是导致温度不均匀的主要原因。

2、气体成分不均匀：直接用氨气作气源时，由于氨气在炉内流动过程中逐步电离分解，所以在炉内由上而下的气相组成是逐渐变化的。

3、气体流动不均匀：气体流经零件表面的流速不同会引起局部气压和气体密度的波动，这就会造成电流密度的波动。

4、零件上的沟槽、小孔由于辉光重叠，电流密度增大，造成所谓的辉光集中，这些地方升温很快，温度将高于辉光正常的地方。

5、零件的“形状效应”对温度的影响：在辉光均匀分布的零件上，不同零件或一个零件的不同部位的表面积与重量之比是不同的。表面积与重量之比大，意味着其得到的加热能量多，这些地方升温较快，最后稳定的平衡温度也比表面积与重量之比小的零件高。

综上所述，影响离子氮化炉温度均匀度的因素很多，相互作用，错综复杂。而渗氮时零件表面各处的温度均匀一致是保证渗氮层质量和减小变形的重要因素，对于长轴类零件渗氮，严重时温度高低能相差几十度甚至上百度，致使长轴类零件上、下硬度有高有低，渗氮层深浅不一，变形超差。

技术实现要素：

本发明目的在于提供一种离散多阳极钟罩式离子氮化炉，以改善现有的长轴类零件离子氮化过程中产生的上、下温度不均匀性，解决长轴类氮化件的氮化层硬度、深度相差较大问题。

为实现上述目的，本发明采取下述技术方案：

本发明所述离散多阳极钟罩式离子氮化炉，包括设有进气口和出气口的钟罩式炉体和离子脉冲电源；所述钟罩式炉体由炉体底座、设置在所述炉体底座上的炉筒、炉罩、通过绝缘支座设置在炉体底部的阴极盘组成；所述炉体由炉罩和多节炉筒组合而构成；所述炉罩和每节炉筒的炉壁自外向内依次由水冷夹层结构的外壁、内壁、隔热屏和辉光放电阳极组成；炉罩和每节炉筒的所述辉光放电阳极相互独立，各个辉光放电阳极分别与所述离子脉冲电源对应的一个正极输出端连接，所述炉体阴极与离子脉冲电源的负极输出端连接，炉罩和每节炉筒的所述外壁电气接地；炉罩和每节炉筒的炉壁上均设置有热电偶。

所述离子脉冲电源包括三相整流变压器、由移相触发电路控制触发角度的两个三相半控桥式电路、lc滤波储能电路、斩波器单元；所述三相整流变压器的原边绕组与三相交流电源连接，副边为两组三相绕组，分别按yny0/y6接法连接，每组所述的副边绕组分别与对应的一个所述三相半控桥式整流电路输入端连接，两个所述的三相半控桥式整流电路串联后与所述lc滤波储能电路输入端连接，lc滤波储能电路的输出端与多个相互并联的所述斩波器单元输入端连接，每个斩波器单元的正极输出端分别与对应的一个所述辉光放电阳极连接；所述移相触发电路的输入控制端与pi调节器的输出控制端连接，所述pi调节器的信号输入端与电压给定信号及电压传感器的信号输出端连接，所述电压传感器的信号输入端与lc滤波储能电路的输出端连接。

所述斩波器单元由斩波及缓冲电路、igbt驱动电路、pwm控制电路电路、手动或pid温控器、打弧信号采集模块和过流信号采集模块组成；所述斩波及缓冲电路的正极输出端与对应的一个所述辉光放电阳极连接，斩波及缓冲电路的负极输出端与所述炉体阴极连接，斩波及缓冲电路的输入端与所述lc滤波储能电路的输出端连接；所述打弧信号采集模块与缓冲电路的续流二极管两端连接，过流信号采集模块的信号取自霍尔电流传感器，打弧信号采集模块、过流信号采集模块、所述手动或pid温控器的信号输出端与所述pwm控制电路的信号输入端连接，pwm控制电路的信号输出端通过igbt驱动电路与斩波器单元开关元件绝缘栅双极型晶体管igbt的控制端连接，手动或pid温控器的信号输入端与对应的一个热电偶信号连接。

所述斩波及缓冲电路主要由绝缘栅双极型晶体管igbt和空芯电抗器lk1构成；所述绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极c端与所述lc滤波储能电路的输出端连接，缓冲电阻r26、缓冲电容c24、嵌位二极管d11构成充放电型缓冲电路，所述缓冲电容c24一端与绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极c端连接，而另一端与所述嵌位二极管d11阳极和所述缓冲电阻r26的一端连接，缓冲电阻r26的另一端及嵌位二极管d11的阴极与绝缘栅双极型晶体管igbt的发射极e端连接；使用快速二极管d11嵌位瞬变电压，可抑制震荡发生；rc时间常数为开关周期的1/3，以保证缓冲电容c24上吸收的尖峰电压能量在每一开关周期内通过缓冲电阻r26放掉；

电阻r25、电容c23、二极管d10组成了放电阻止型缓冲电路，既能抑制关断浪涌电压，缓冲电路的损耗又很小；所述电容c23、二极管d10串联后连接于绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极c端和发射极e端之间，二极管d10的阳极经所述电阻r25与所述电源阴极连接；

二极管d9为续流二极管，用于吸收输出负载回路中由于分布电感而形成的反压，电容c22和电阻r24组成阻容吸收电路对二极管d9两端进行过压保护；

为了抑制绝缘栅双极型晶体管igbt导通后电流的上升率以及出现打弧、阴阳极短路现象时，能够有充分的检测时间，在回路中串联了限流空芯电感器lk1；为了释放每个周期中的导通阶段限流空芯电感器lk1中所储存的能量，设置了由二极管d12、电阻r29构成的电流释放回路，电阻r29是阻值很小的功率电阻，在每个脉冲周期放掉限流空芯电感器lk1中的能量；通过限流空芯电感器lk1元件抑制绝缘栅双极型晶体管igbt的电流上升率，实现对绝缘栅双极型晶体管igbt的过电流保护；

绝缘栅双极型晶体管igbt的发射极e端通过由电阻r29、限流空芯电感器lk1串联的电路与对应的一个辉光放电阳极连接，在其输出阳极主线上装有霍尔电流传感器sha对电流信号进行采集。

本发明的优点在于采取对所述钟罩式离子氮化炉的辉光放电阳极分区域布置，并各自独立地进行辉光电流密度的调节，因此有效地改善了长轴类零件离子氮化过程中的温度均匀性，保证了长轴类零件离子氮化的质量。

附图说明

图1是本发明所述钟罩式炉体的结构示意图。

图2是本发明离子电源的电路原理框图。

图3是本发明所述离子电源的电路原理图。

图4是本发明所述斩波器单元的电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述实施例。

如图1所示，本发明所述离散多阳极钟罩式离子氮化炉，包括设有进气口1和出气口2的钟罩式炉体和离子脉冲电源；钟罩式炉体由炉体底座3、设置在炉体底座3上的炉筒、钟罩、通过绝缘支座4设置在炉体底部的阴极盘5组成；炉体由炉罩6和多节炉筒7通过o型密封圈8密封组合构成；炉罩6和每节炉筒7的炉壁自外向内依次由水冷夹层结构的外壁、内壁、隔热屏9、阳极筒10和阳极输电杆11组成，各个阳极筒10相互独立，因此炉罩6和每节炉筒7的辉光放电阳极筒10电位上相互独立，各个辉光放电阳极筒10分别与离子脉冲电源对应的一个正极输出端连接，阴极盘5通过阴极杆12与离子脉冲电源的负极输出端连接，炉罩6和每节炉筒7的外壁电气接地；贯穿炉罩6和每节炉筒7的炉壁均设置有热电偶13。

如图2、3、4所示，所述离子脉冲电源包括三相整流变压器tm、由移相触发电路控制触发角度的两个三相半控桥式电路、lc滤波储能电路、斩波器单元14；三相整流变压器tm的原边绕组与380v/50hz三相交流电源连接，副边绕组为两组三相绕组，分别按yny0/y6接法连接，每组副边绕组分别与对应的一个三相半控桥式整流电路输入端连接，两个三相半控桥式整流电路串联后与lc滤波储能电路输入端连接，lc滤波储能电路的输出端与多个相互并联的斩波器单元14输入端连接，斩波器单元14的个数与辉光放电阳极筒10的数量相等，每个斩波器单元14的正极输出端分别与对应的一个阳极输电杆11连接；移相触发电路的输入控制端与pi调节器的输出控制端连接，pi调节器的信号输入端与电压给定信号及电压传感器的信号输出端连接，电压传感器的信号输入端与lc滤波储能电路的输出端连接。

所述斩波器单元14由斩波及缓冲电路、igbt驱动电路、pwm控制电路、手动或pid温控器、打弧信号采集模块和过流信号采集模块组成；斩波及缓冲电路的正极输出端与对应的一个辉光放电阳极11连接，斩波及缓冲电路的负极输出端与阴极盘5相连的阴极杆12连接，斩波及缓冲电路的输入端与lc滤波储能电路的输出端连接；打弧信号采集模块与缓冲电路的续流二极管两端连接，过流信号采集模块的信号取自霍尔电流传感器，打弧信号采集模块、过流信号采集模块、手动或pid温控器的信号输出端与pwm控制电路的信号输入端连接，pwm控制电路的信号输出端通过igbt驱动电路与斩波器单元开关元件绝缘栅双极型晶体管igbt的控制端连接，手动或pid温控器的信号输入端与对应的一个热电偶信号连接。

如图4所示，所述斩波及缓冲电路主要由绝缘栅双极型晶体管igbt和空芯电感器lk1构成；绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极c端与所述lc滤波储能电路的输出端连接，缓冲电阻r26、缓冲电容c24、嵌位二极管d11构成充放电型缓冲电路，缓冲电容c24一端与绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极c端连接，而另一端与嵌位二极管d11阳极和缓冲电阻r26的一端连接，缓冲电阻r26的另一端、嵌位二极管d11的阴极与绝缘栅双极型晶体管igbt的发射极e端连接；使用快速二极管d11嵌位瞬变电压，可抑制震荡发生；rc时间常数为开关周期的1/3，以保证缓冲电容c24上吸收的尖峰电压在每一开关周期内通过缓冲电阻r26放掉。

电阻r25、电容c23、二极管d10组成了放电阻止型缓冲电路，既能抑制关断浪涌电压，缓冲电路的损耗又很小；电容c23、二极管d10串联后连接于绝缘栅双极型晶体管igbt的集电极c端和发射极e端之间，二极管d10的阳极经电阻r25与阴极盘5相连的阴极杆12连接。

为了限制绝缘栅双极型晶体管igbt导通后电流的上升率以及出现打弧、正负极短路现象时，能够有充分的检测时间，在回路中串联了限流空芯电感器lk1；为了释放限流空芯电感器lk1中所储存的能量，在限流空芯电感器lk1的放电回路中联接了阻值很小的功率电阻r29和快速二极管d12，构成回路，在每个脉冲周期放掉限流空芯电感器lk1中的能量；通过限流空芯电感器lk1元件抑制绝缘栅双极型晶体管igbt的电流变化率，完成对绝缘栅双极型晶体管igbt的过电流保护。

绝缘栅双极型晶体管igbt的发射极e端通过由电阻r29和限流空芯电感器lk1组成的串联电路与对应的一个阳极杆11连接，在其输出主线上装有霍尔电流传感器sha。

本发明工作原理简述如下：

380v/50hz三相四线制交流电网接入后，先通过三相整流变压器tm实现与电网的隔离并变压，绕组接线方式为yny0/y6接法，可以减少整流后的谐波，调整电压给定，可以开环或闭环控制整流电压的输出，经比例积分调节综合放大后接入移相触发电路，再经过末级放大电路，用于驱动晶闸管t1、t2、t3、t4、t5、t6的移相导通，滤波及储能电路由大容量的平波电抗器lt和脉冲电容c23构成，使电压平稳并储能，滤波后的直流电压接入多个相互并联的斩波器单元14。

斩波器单元14的控制方式为定频调宽控制，导通比的控制可手动开环调节或通过pid温控器的输出信号实现闭环调节。

炉体内每个区的热电偶13提供温度信号，缓冲电路采集打弧信号，斩波电路输出端采集过流信号，送入pwm控制电路，当出现弧光（打弧）放电或过流时，炉体阴、阳极间电流上升、电压下降，取电压下降信号达一定值时关闭或减小当前周期的脉冲宽度，对离子电源进行保护；当打弧剧烈时，电流上升到一定值时，通过霍尔电流传感器sha测到的信号，关断绝缘栅双极型晶体管igbt的驱动信号，从而实现保护。pwm控制信号通过光耦隔离传输到igbt驱动电路，控制绝缘栅双极型晶体管igbt栅极g的充放电，igbt驱动电路具有过流保护、降栅压软关断等保护功能。

每个斩波器单元的负极为阴极公共端，与炉内工件15等电位；每个斩波器单元的正极接入对应的一个辉光放电阳极筒10，由于各个辉光放电阳极10相互独立，因此炉罩6和每节炉筒7的辉光放电阳极筒10相互独立，将炉体工作区分割成多个辉光放电场区域，每个区域的电流密度可以独立调节，温度单独控制，实现每个分区温度的闭环控制。

手动/自动选择开关决定着pid温控器的控制方式，当该开关处于手动控制模式时，导通比由“导通比给定”电位器调节给定，当该开关处于自动控制模式时，导通比由pid温控器或plc程序根据温度的偏差自动控制调节，从而实现温度的自动控制；正常工作时导通比在15～85%之间变化。