CN101353777A - 一种球形零件批量等离子体基离子注入方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种球形零件批量等离子体基离子注入方法及其装置，它涉及一种球形零件等离子体基离子注入方法及其装置。针对转动工件的等离子体基离子注入装置和方法对球形零件进行等离子体基离子注入不均匀，无法实现同一批球形零件处理效果一致问题。方法是：将球形零件置于倾斜圆盘的环槽内，倾斜圆盘的转动通过驱动电机和传动装置控制，先停止驱动电机转动，开启高压脉冲电源，经高压脉冲电源延时后，对球形零件等离子体基离子注入，驱动电机和高压脉冲电源的启停保持同步切换；装置是：同步切换控制器通过一、二号电源给驱动电机和高压脉冲电源供电，驱动电机输出轴上固装有主动齿轮，主、从动齿轮啮合。本发明的装置和方法能对球形零件表面离子均匀注入。

Description

一种球形零件批量等离子体基离子注入方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种球形零件等离子体基离子注入方法及其装置，属于等离子体基离子注入技术领域。

背景技术

等离子体基离子注入技术可以对精密零件实现低温表面改性，其特点是不改变被处理零件的尺寸精度，且温度可以控制在室温或略高于室温，并且可以对处于等离子体环境中的所有表面进行同时注入，因此，该技术可以实现批量处理。该技术的基本原理是在工件周围形成等离子体空间，当有负高压脉冲施加到工件后，等离子体受到工件上的电场作用，在工件周围形成一正离子鞘层，鞘层中的正离子受电场力的作用同时从各个方向注入到工件表面，形成所谓的全方位离子注入。但对于复杂形状零件来说，还不能形成完全均匀的等离子体基离子注入，其主要原因有两个：其一是等离子体在空间分布的不均匀性会造成对应于工件表面不同位置处的离子密度不同；其二是工件表面形状会引起周围电场分布的不均匀，特别是曲率半径变化。球形零件虽然表面曲率半径相同，但受到支撑体的影响，表面的电场也远离均匀分布。通常人们采用转动工件的等离子体基离子注入装置和方法解决离子注入不均匀的问题，上述所述装置和方法对有回转轴的零件比较有效，但对于球形零件来说，能够形成均匀离子注入的滚动方案十分复杂，且还存在注入均匀性问题。由于在等离子体基离子注入时采用的是脉冲电压，滚动过程中微小的跳动会造成工件与支撑体之间产生电弧，该电弧对于象轴承钢球一类的精密零件的损伤不容忽视，因此一边离子注入，一边转动的方案并不可行。此外，上述所述装置和方法无法实现同一批球形零件处理效果一致的目的。

发明内容

本发明的目的是为解决现有的转动工件的等离子体基离子注入装置和方法对球形零件进行等离子体基离子注入存在注入不均匀，且无法实现同一批球形零件处理效果一致的问题。

本发明的一种球形零件批量等离子体基离子注入方法是这样完成的：将多个直径D相同的球形零件放置在倾斜圆盘的环槽内，所述倾斜圆盘的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°，倾斜圆盘的转动通过驱动电机和传动装置控制，所述驱动电机和高压脉冲电源的启停通过同步切换控制器控制，先对球形零件施加高压脉冲电压，对球形零件的表面进行等离子体基离子注入，注入时间为5-10min之后，停止施加高压脉冲电压，同时启动驱动电机，倾斜圆盘的转动使部分球形零件越过倾斜圆盘的环槽内的最高点后靠自重滚动至倾斜圆盘的环槽内的最低点，球形零件的滚动过程随机进行，倾斜圆盘的转速为1-10rpm/min、单次转动时间为3-30s，之后，停止驱动电机转动，同时开启高压脉冲电源，经高压脉冲电源延时5-10s后，开始对球形零件表面进行等离子体基离子注入，单次注入时间为5-10min，驱动电机和高压脉冲电源的启停保持同步切换，直至所有球形零件表面离子注入均匀为止。

本发明的一种球形零件批量等离子体基离子注入装置包括真空室、等离子体发生装置、高压脉冲电源、固定工作台、传动装置、驱动电机、垫块和电极；所述离子注入装置还包括一号电源、二号电源、同步切换控制器和倾斜圆盘，所述传动装置由主动齿轮、从动齿轮和推力轴承组成，所述同步切换控制器的一个控制输出端与一号电源的受控端相连接，同步切换控制器的另一个控制输出端与二号电源的受控端相连接，所述一号电源给驱动电机提供供电电源，二号电源给高压脉冲电源提供供电电源，所述驱动电机输出轴的上端穿过真空室的底端面装在真空室内，装在真空室内的驱动电机输出轴上固装有主动齿轮，所述主动齿轮与倾斜设置的从动齿轮啮合，所述从动齿轮的上端面上固装有与其倾斜方向相同的倾斜圆盘，从动齿轮的下端面与固定工作台之间设置有推力轴承，所述推力轴承通过从动齿轮的下端面和设置在固定工作台上的垫块限位，高压脉冲电源的输出电极给固定工作台通电，所述等离子体发生装置引入真空室部分设置在真空室内且位于倾斜圆盘的正上方。

本发明具有以下有益效果：一、本发明的方法是将球形零件放置在具有一定倾角的倾斜圆盘内，利用倾斜圆盘的间歇运动，调整球形零件的位置，使其随机分布，从而达到整个球形零件表面能均匀接收注入的离子。倾斜圆盘的间歇运动与高压脉冲电源启动实现同步，防止由于球形零件滚动造成打弧现象。二、本发明的装置可以对不同尺寸的球形工件实现均匀离子注入，并确保球形工件表面不因为瞬间电弧放电而烧蚀，保证精密球形零件的尺寸精度，大幅度提高零件的使用寿命。三、本发明的装置和方法可以对球形零件进行等离子体基离子均匀注入，且可实现同一批球形零件处理效果一致的目的。

附图说明

图1是本发明的同步切换控制器6的控制电路图，图2是本发明的离子注入装置的整体结构主视图，图3是倾斜圆盘2与推力轴承1、垫块12和固定工作台10装配在一起的主视图，图4是图3的A向视图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图2～图4说明本实施方式，本实施方式的离子注入方法是这样完成的：将多个直径D相同的球形零件1放置在倾斜圆盘2的环槽3内，所述倾斜圆盘2的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°，倾斜圆盘2的转动通过驱动电机11和传动装置控制，所述驱动电机11和高压脉冲电源5的启停通过同步切换控制器6控制，先对球形零件1施加高压脉冲电压，对球形零件1的表面进行等离子体基离子注入，注入时间为5-10min之后，停止施加高压脉冲电压，同时启动驱动电机11，倾斜圆盘2的转动使部分球形零件1越过倾斜圆盘2的环槽3内的最高点后靠自重滚动至倾斜圆盘2的环槽3内的最低点，球形零件1的滚动过程随机进行，倾斜圆盘2的转速为1-10rpm/min、单次转动时间为3-30s，之后，停止驱动电机11转动，同时开启高压脉冲电源5，经高压脉冲电源5延时5-10s后，开始对球形零件1表面进行等离子体基离子注入，单次注入时间为5-10min，驱动电机11和高压脉冲电源5的启停保持同步切换，直至所有球形零件1表面离子注入均匀为止。

本实施方式的高压脉冲电源5为现有技术，也可以与专利公开日为1994年5月25日、公开号为CN 1087131A、名称为“金属等离子体源离子注入方法及装置”的发明专利申请中的相关构件相同。

具体实施方式二：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的球形零件1的直径D为3-50mm，可对不同直径的球形零件1进行表面离子注入处理。其它方法步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜圆盘2的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°，可保证球形零件1表面离子注入均匀一致。其它方法步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：结合图2～图4说明本实施方式，本实施方式的放置在倾斜圆盘2的环槽3内的球形零件1的最大横截面积占倾斜圆盘2的环槽3底面积的3/4以下，利于对球形零件1的表面进行均匀的离子注入。其它方法步骤与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：结合图1说明本实施方式，本实施方式的同步切换控制器6由3个JS14S时间继电器和控制电路组成，利用JS14S两组延时触点进行实现延时控制，其控制过程是：设置高压脉冲电源5的工作时间t1由第一时间继电器J1控制，驱动电机11转动时间t2由第二时间继电器J2控制，高压脉冲电源5的延时启动时间t3由第三时间继电器J3控制，离子注入按下述过程间歇进行：

一、合上电源开关Q，控制电路电源接通，第一时间继电器J1的其中一个常闭触点J1-1处于闭合状态，高压脉冲电源5的控制继电器K1接通，施加高压脉冲，第一时间继电器J1接通，同时开始计时注入时间；二、当时间为t1时，第一时间继电器J1的其中一个常闭触点J1-1由闭合变为开路，高压脉冲电源5的控制继电器K1断开，停止施加高压脉冲，第一时间继电器J1的常开触点J1-2闭合，驱动电机11的控制继电器K2接通，固定工作台10转动，同时第二时间继电器J2接通，开始计时转动时间；三、当第二时间继电器J2计时至t2时，第二时间继电器J2的常闭触点J2-1由闭合转变为开路，驱动电机11停止转动，同时第二时间继电器J2的常开触点J2-2闭合，接通第三时间继电器J3，延时计时开始；当第三时间继电器J3计时至t3时，第三时间继电器J3的常闭触点J3-1断开，控制电路电源复位，上述过程重新开始；四、关断电源开关Q，控制过程结束。

具体实施方式六：结合图2～图4说明本实施方式，本实施方式的球形零件批量等离子体基离子注入装置包括真空室7、等离子体发生装置8、高压脉冲电源5、固定工作台10、传动装置、驱动电机11、垫块12和电极13；所述离子注入装置还包括一号电源14、二号电源15、同步切换控制器6和倾斜圆盘2，所述传动装置由主动齿轮16、从动齿轮17和推力轴承18组成，所述同步切换控制器6的一个控制输出端与一号电源14的受控端相连接，同步切换控制器6的另一个控制输出端与二号电源15的受控端相连接，所述一号电源14给驱动电机11提供供电电源，二号电源15给高压脉冲电源5提供供电电源，装在真空室7内的驱动电机输出轴19上固装有主动齿轮16，所述主动齿轮16与倾斜设置的从动齿轮17啮合，所述从动齿轮17的上端面上固装有与其倾斜方向相同的倾斜圆盘2，从动齿轮17的下端面与固定工作台10之间设置有推力轴承18，所述推力轴承18通过从动齿轮17的下端面和设置在固定工作台10上的垫块12限位，高压脉冲电源5的输出电极13给固定工作台10通电，所述等离子体发生装置8引入真空室部分设置在真空室7内且位于倾斜圆盘2的正上方。本实施方式的等离子体发生装置8、高压脉冲电源5和固定工作台10为现有技术，也可以与专利公开日为1994年5月25日、公开号为CN 1087131A、名称为“金属等离子体源离子注入方法及装置”的发明专利申请中的相关构件相同。工作时，对等离子体发生装置8通电，并通过同步切换控制器6对高压脉冲电源5和驱动电机11同步切换通、断电。

具体实施方式七：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜圆盘2的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°，可保证球形零件1表面离子注入均匀一致。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式八：结合图2～图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜圆盘2的直径D1小于等离子体发生装置8的引入真空室部分直径D2，可以保证所有的球形零件1都能得到等离子体的注入。其它组成及连接关系与具体实施方式六相同。

具体实施方式九：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜圆盘2的上端面的中心位置设有圆柱体20，所述圆柱体20与倾斜圆盘2的外沿21之间设有环槽3，所述环槽3的底端面上设有多个方孔22，倾斜圆盘2的外沿21的高度H1和圆柱体20的高度H2均等于2/3球形零件直径D，可保证球形零件1在倾斜圆盘2的环槽3内运动，当倾斜圆盘2停止转动时，可通过环槽3底端面上的方孔22定位。其它组成及连接关系与具体实施方式六或七相同。

具体实施方式十：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的圆柱体20的直径为80-100mm，每个方孔22的边长等于1/10-1/5球形零件1的直径D，相邻两个方孔22的间距等于1/3-1/2球形零件1的直径D，可确保球形零件1定位稳固。其它组成及连接关系与具体实施方式九相同。

具体实施方式十一：结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式的倾斜圆盘2的环槽3的直径D3为80-100mm，可保证球形零件1在倾斜圆盘2的环槽3内有足够大的运动空间。其它组成及连接关系与具体实施方式十相同。

具体实施方式十二：结合图1说明本实施方式，本实施方式的同步切换控制器6由3个JS14S时间继电器和控制电路组成，利用JS14S两组延时触点进行实现延时控制，其控制过程是：设置高压脉冲电源5的工作时间t1由第一时间继电器J1控制，驱动电机11转动时间t2由第二时间继电器J2控制，高压脉冲电源5的延时启动时间t3由第三时间继电器J3控制，离子注入按下述过程间歇进行：

一、合上电源开关Q，控制电路电源接通，第一时间继电器J1的其中一个常闭触点J1-1处于闭合状态，高压脉冲电源5的控制继电器K1接通，施加高压脉冲，第一时间继电器J1接通，同时开始计时注入时间；二、当时间为t1时，第一时间继电器J1的其中一个常闭触点J1-1由闭合变为开路，高压脉冲电源5的控制继电器K1断开，停止施加高压脉冲，第一时间继电器J1的常开触点J1-2闭合，驱动电机11的控制继电器K2接通，固定工作台10转动，同时第二时间继电器J2接通，开始计时转动时间；三、当第二时间继电器J2计时至t2时，第二时间继电器J2的常闭触点J2-1由闭合转变为开路，驱动电机11停止转动，同时第二时间继电器J2的常开触点J2-2闭合，接通第三时间继电器J3，延时计时开始；当第三时间继电器J3计时至t3时，第三时间继电器J3的常闭触点J3-1断开，控制电路电源复位，上述过程重新开始；四、关断电源开关Q，控制过程结束。

Claims (10)

1、一种球形零件批量等离子体基离子注入方法，其特征在于：所述离子注入方法是这样完成的：将多个直径D相同的球形零件(1)放置在倾斜圆盘(2)的环槽(3)内，所述倾斜圆盘(2)的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°，倾斜圆盘(2)的转动通过驱动电机(11)和传动装置控制，所述驱动电机(11)和高压脉冲电源(5)的启停通过同步切换控制器(6)控制，先对球形零件(1)施加高压脉冲电压，对球形零件(1)的表面进行等离子体基离子注入，注入时间为5-10min之后，停止施加高压脉冲电压，同时启动驱动电机(11)，倾斜圆盘(2)的转动使部分球形零件(1)越过倾斜圆盘(2)的环槽(3)内的最高点后靠自重滚动至倾斜圆盘(2)的环槽(3)内的最低点，球形零件(1)的滚动过程随机进行，倾斜圆盘(2)的转速为1-10rpm/min、单次转动时间为3-30s，之后，停止驱动电机(11)转动，同时开启高压脉冲电源(5)，经高压脉冲电源(5)延时5-10s后，开始对球形零件(1)表面进行等离子体基离子注入，单次注入时间为5-10min，驱动电机(11)和高压脉冲电源(5)的启停保持同步切换，直至所有球形零件(1)表面离子注入均匀为止。

2、根据权利要求1所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入方法，其特征在于：所述球形零件(1)的直径D为3-50mm。

3、根据权利要求1所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入方法，其特征在于：所述倾斜圆盘(2)的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°。

4、根据权利要求1所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入方法，其特征在于：所述放置在倾斜圆盘(2)的环槽(3)内的球形零件(1)的最大横截面积占倾斜圆盘(2)的环槽(3)底面积的3/4以下。

5、一种实现权利要求1所述方法的球形零件批量等离子体基离子注入装置，所述离子注入装置包括真空室(7)、等离子体发生装置(8)、高压脉冲电源(5)、固定工作台(10)、传动装置、驱动电机(11)、垫块(12)和电极(13)；其特征在于：所述离子注入装置还包括一号电源(14)、二号电源(15)、同步切换控制器(6)和倾斜圆盘(2)，所述传动装置由主动齿轮(16)、从动齿轮(17)和推力轴承(18)组成，所述同步切换控制器(6)的一个控制输出端与一号电源(14)的受控端相连接，同步切换控制器(6)的另一个控制输出端与二号电源(15)的受控端相连接，所述一号电源(14)给驱动电机(11)提供供电电源，二号电源(15)给高压脉冲电源(5)提供供电电源，所述驱动电机输出轴(19)的上端穿过真空室(7)的底端面装在真空室(7)内，装在真空室(7)内的驱动电机输出轴(19)上固装有主动齿轮(16)，所述主动齿轮(16)与倾斜设置的从动齿轮(17)啮合，所述从动齿轮(17)的上端面上固装有与其倾斜方向相同的倾斜圆盘(2)，从动齿轮(17)的下端面与固定工作台(10)之间设置有推力轴承(18)，所述推力轴承(18)通过从动齿轮(17)的下端面和设置在固定工作台(10)上的垫块(12)限位，高压脉冲电源(5)的输出电极(13)给固定工作台(10)通电，所述等离子体发生装置(8)引入真空室部分设置在真空室(7)内且位于倾斜圆盘(2)的正上方。

6、根据权利要求5所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入装置，其特征在于：所述倾斜圆盘(2)的中心轴线与竖直方向之间的夹角α为5°-30°。

7、根据权利要求5所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入装置，其特征在于：所述倾斜圆盘(2)的直径D1小于等离子体发生装置(8)引入真空室部分的直径D2。

8、根据权利要求5或6所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入装置，其特征在于：所述倾斜圆盘(2)的上端面的中心位置设有圆柱体(20)，所述圆柱体(20)与倾斜圆盘2的外沿(21)之间设有环槽(3)，所述环槽(3)的底端面上设有多个方孔(22)，倾斜圆盘(2)的外沿(21)的高度H1和圆柱体(20)的高度H2均等于2/3球形零件直径D。

9、根据权利要求8所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入装置，其特征在于：所述圆柱体(20)的直径为80-100mm，每个方孔(22)的边长等于1/10-1/5球形零件(1)的直径D，相邻两个方孔(22)的间距等于1/3-1/2球形零件(1)的直径D。

10、根据权利要求8所述的一种球形零件批量等离子体基离子注入装置，其特征在于：所述倾斜圆盘(2)的环槽(3)的直径D3为80-100mm。

Images