盧 江,梁楚華,周碧勝

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,新疆烏魯木齊 830047)

短電弧切削技術(shù)是指在一定比例帶壓力水氣混合物工作介質(zhì)的作用下,利用兩個(gè)電極之間產(chǎn)生的受激發(fā)短電弧放電群組或電火花放電群組來(lái)蝕除金屬或非金屬導(dǎo)電材料的一種電切削方法,是一種新型的強(qiáng)焰流、亞離子流和弧流電切削加工技術(shù),它屬于特種加工行業(yè)電加工技術(shù)范疇。

1 短電弧切削的高效加工

在對(duì)水泥磨輥以及其他各種鋼軋輥的表面進(jìn)行修復(fù)工作時(shí),由于其表面工作層硬度高達(dá)59～62 HRC,故用傳統(tǒng)加工方式進(jìn)行修復(fù)加工極為困難。

傳統(tǒng)的修復(fù)工藝都是采用碳弧氣刨清理缺陷層,再用堆焊的方法對(duì)水泥磨輥表面出現(xiàn)的點(diǎn)蝕凹坑和尺寸不足部分進(jìn)行修補(bǔ),以恢復(fù)水泥磨輥的表面幾何形狀,不但修復(fù)效果有很大的提升空間,且穩(wěn)定性不好,更無(wú)法修補(bǔ)損壞嚴(yán)重的水泥磨輥[1]。對(duì)損壞嚴(yán)重的水泥磨輥,必須先去除表面疲勞層,然后進(jìn)行機(jī)械加工,最后再進(jìn)行整體表面堆焊以恢復(fù)水泥磨輥的表面幾何形狀。表面疲勞層的去除以及堆焊層的機(jī)械修復(fù)加工,卻始終難以找到高效實(shí)用的技術(shù)方法。

而采用短電弧切削技術(shù)對(duì)水泥磨輥表面疲勞層進(jìn)行修復(fù)加工,可發(fā)揮其明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì),加工效率十分顯著,加工精度明顯提高。在對(duì)厚度80～90 mm的表面疲勞層的“切削”加工以及加工后堆焊修復(fù)的表層“切削”加工過程中,短電弧切削機(jī)床運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠,加工噪音低于75 db,而且材料平均去除率很高,加工效率顯著高于其他硬面加工機(jī)床,有效地解決了水泥磨輥修復(fù)加工的技術(shù)難題。

2 短電弧切削加工成功應(yīng)用實(shí)例

由于短電弧切削技術(shù)的優(yōu)越性,它解決了傳統(tǒng)加工所不能滿足的對(duì)新型特種材料高鎳鉻錳鉬釩合金鋼、碳化鎢等特硬、超強(qiáng)度、高韌性、高紅硬性、高耐磨性、嚴(yán)重冷作硬化等材料高效加工的難題。所以,隨著短電弧切削機(jī)床成功的研制開發(fā),近年來(lái)它在相關(guān)行業(yè)的應(yīng)用也如雨后春筍般地推廣開來(lái)。

2008年10月,首臺(tái)DHZK數(shù)控短電弧切削機(jī)床在新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院調(diào)試成功(圖1)。該機(jī)床為短電弧切削技術(shù)碩士研究生及博士研究生的培養(yǎng)提供了可靠的試驗(yàn)平臺(tái)。

圖1 DHZK 6330數(shù)控短電弧機(jī)床

2009年2月,國(guó)內(nèi)外最大的DHC40040短電弧切削機(jī)床在上海投入應(yīng)用(圖2)。該設(shè)備可加工直徑4 000mm,長(zhǎng)度5 000 mm,重量 180 t的難加工工件,是目前為止國(guó)內(nèi)外最大的臥式短電弧切削機(jī)床。該機(jī)床特別適用于立磨輥套、水泥磨輥、大重型鋼軋輥等難加工材料的高效加工。

圖2 DHC40040短電弧切削機(jī)床

接著,DHC25040ZT短電弧切削設(shè)備在成都應(yīng)用成功(圖3)。該設(shè)備可高效加工各種水泥磨輥、立磨輥套等。加工后的工件表面質(zhì)量有利于后續(xù)堆焊工作的進(jìn)行。短電弧切削設(shè)備的應(yīng)用,為用戶提供了良好的磨輥加工工作環(huán)境、加工工藝和國(guó)際先進(jìn)的磨輥加工技術(shù)手段。

DHC5015CG短電弧切削機(jī)床在河南應(yīng)用成功(圖4)。要完成針對(duì)凡爾閥內(nèi)孔、外圓、錐度、細(xì)長(zhǎng)軸等高強(qiáng)度材料的高效加工,效果顯著。

圖3 DHC25040ZT短電弧切削設(shè)備

圖4 DHC5015CG短電弧切削機(jī)床

DHC18040G重型短電弧切削機(jī)床在鄭州應(yīng)用成功(圖5)。該設(shè)備用于大型水泥磨輥破損后的高效加工,即水泥磨輥堆焊前的一道關(guān)鍵預(yù)處理加工,設(shè)備使用效率良好。

圖5 DHC18040G重型短電弧切削機(jī)床

專用加長(zhǎng)DHC18040短電弧切削機(jī)床在浙江試用成功(圖6)。

圖6 專用加長(zhǎng)DHC18040短電弧切削機(jī)床

對(duì)于各類難切削加工的材料,通過許多特種加工方式是可以解決的,但其效率難以保證,特別是對(duì)大型的難加工材料。從以上各類型短電弧切削機(jī)床的成功應(yīng)用中可看出,短電弧切削技術(shù)能高效快速地解決大型難加工材料的加工難題。

短電弧切削技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了超硬、超強(qiáng)度、高韌性材料的高效切削,在水泥磨輥、立磨輥套、大型軋輥、磨煤輥的修復(fù)加工中得到廣泛應(yīng)用,為這些大型難加工金屬材料提供了一種實(shí)用的、高效的加工技術(shù)方法。短電弧切削技術(shù)市場(chǎng)前景廣闊,需求會(huì)越來(lái)越大,將產(chǎn)生極大的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益[2]。

圖7、圖8為短電弧加工前后工件的表面狀況。

圖7 被加工工件表面狀況

圖8 短電弧弧加工后工件表面狀況

3 短電弧切削技術(shù)放電特性研究

3.1 短電弧切削技術(shù)的放電理論

大多數(shù)情況下,短電弧切削放電是同態(tài)、異態(tài)隨機(jī)適應(yīng)的逐次或同步進(jìn)行的組合放電方式,即峰值短電弧放電或火花放電,是一種新型的混合放電狀態(tài),是通過連續(xù)密集的自適應(yīng)的放電群組形成的隨動(dòng)放電現(xiàn)象。

在閉合短電弧放電回路里,每一次放電后消耗的能量,都會(huì)在固定電場(chǎng)力的作用下得到完全補(bǔ)充。即每一次放電結(jié)束后,都會(huì)在外電場(chǎng)的作用下形成新的能量補(bǔ)給進(jìn)入下一輪可能的放電狀態(tài)。

根據(jù)皮塞爾方程和皮塞爾函數(shù)可知,短電弧放電具有趨膚特性,即在工作時(shí)放電兩極空間勢(shì)能更活躍,且短電弧放電能量與電流工作頻率、放電電流密度、切削深度、傳導(dǎo)電流層厚度、工件和工具電極直徑等存在如下的數(shù)學(xué)關(guān)系:

式中:Q為單位時(shí)間內(nèi)單位長(zhǎng)度的焦耳熱;e為電流密度;r0為導(dǎo)線半徑;λ為常量;1/p為傳導(dǎo)電流層厚度;b=λaepr0為常數(shù)。

3.2 放電通道的試驗(yàn)現(xiàn)象及分析

直接用高速攝像機(jī)拍攝粗規(guī)準(zhǔn)放電情況。使用鈷玻璃在高速攝像機(jī)前進(jìn)行濾光后,可看見放電通道及放電過程。短電弧切削加工的放電過程見圖9。

圖9 短電弧切削加工的放電過程

實(shí)驗(yàn)分析:從試驗(yàn)中截取的圖片看來(lái),放電通道的建立是由多點(diǎn)開始,多點(diǎn)幾乎同時(shí)發(fā)生,這與理論分析中短電弧放電為群組放電是一致的,在放電兩極間達(dá)到放點(diǎn)間隙 s的微觀點(diǎn)產(chǎn)生放電擊穿現(xiàn)象。當(dāng)兩極間距離s很小時(shí),在外施電壓的作用下,兩極間出現(xiàn)很高的電場(chǎng)強(qiáng)度E(E=U/S),當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過3×106V/m時(shí),陰極表面的自由電子在電場(chǎng)力作用下被強(qiáng)行拉出而形成兩極空間的自由電子。

4 工件、工具電極的微觀表面研究

短電弧切削時(shí)發(fā)生放電加工的工具電極和工件電極的表面是凹凸不平的。如圖10、圖11分別為工件表面的宏觀和微觀圖片。

在加工過程中可知,工件和工具電極并不是理想平面,是凹凸不平的。這就說明達(dá)到放點(diǎn)間隙s是多個(gè)點(diǎn),不是單一的點(diǎn),因此才有可能建立多條放電通道。

圖10 工件表面

圖11 工具電極表面放大

從高速攝像機(jī)的試驗(yàn)截取圖片可發(fā)現(xiàn),發(fā)生放電的位置很多,但有的點(diǎn)能量大,有的點(diǎn)能量小。這是由于電極和工件之間的微觀表面凹凸不平而產(chǎn)生的。由于微觀表面凹凸不平,達(dá)到兩極間發(fā)生放電距離s的點(diǎn)就會(huì)先發(fā)生放電。當(dāng)兩極接近宏觀的距離s時(shí)候,兩極之間有若干點(diǎn)都已達(dá)到放電間隙,這時(shí)它們同步或逐次發(fā)生放電而形成放電通道。這樣短電弧加工的高效性也就可以解釋了。

從微觀分析可得如下結(jié)論:短電弧加工的放電通道是多個(gè)群組放電,其面積之和大于傳統(tǒng)的火花放電;而單個(gè)短電弧脈沖能量放電金屬蝕除量正比于放電通道總的面積,因此加工效率遠(yuǎn)高于火花放電。無(wú)論從利用高速攝像的試驗(yàn)結(jié)果,還是通過對(duì)兩極微觀分析結(jié)果,都可驗(yàn)證短電弧切削加工的放電通道是群組放電,這是短電弧切削技術(shù)高效性最直接的支持。

5 結(jié)論

短電弧切削技術(shù)的成功應(yīng)用,豐富了特種加工領(lǐng)域的技術(shù)種類,在硬質(zhì)導(dǎo)電材料加工方面表現(xiàn)出超強(qiáng)潛力和廣闊的應(yīng)用前景。本文通過短電弧切削技術(shù)成功應(yīng)用的實(shí)例,結(jié)合試驗(yàn)研究與理論分析,對(duì)短電弧切削加工的高效性做了研究和說明,豐富了短電弧切削技術(shù)現(xiàn)有的理論。

[1] 劉晉春,白基成,郭永豐.特種加工[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2008.

[2] 梁楚華,周建平,朱志堅(jiān),等.短電弧加工技術(shù)及其應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程,2007(12):92-93.

[3] Ekmekci B,Tekkaya A E,Erden A.A sem i-empiricalapproach for residualstresses in electric dischargemachining(EDM)[J].International Jou rnalofMachine Toolsand Manufacture,2006,46(7-8):858-868.