劉源添，何建文，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

金屬球閥合金球面電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工新方法

劉源添，何建文，郭鐘寧

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

耐高溫（≥500℃）、高硬度（≥62 HRC）、耐磨損是大型金屬球閥內(nèi)芯合金球體的特性，球體表面必須進(jìn)行硬化處理。通常，在球閥球體表面噴WC或鎳基合金等高硬度涂層材料，其表面硬度≥62 HRC，但使用傳統(tǒng)機(jī)械磨削方法加工效率極低。在分析電火花機(jī)械復(fù)合加工原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了適用于高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削加工的方法，并設(shè)計(jì)制作了一種專用復(fù)合工具電極和專用夾具，通過(guò)使用青銅結(jié)合劑金剛石砂輪的復(fù)合工具電極來(lái)實(shí)現(xiàn)合金球體表面的電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工。

硬質(zhì)合金；電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工；金剛石砂輪；青銅結(jié)合劑

大型超硬、超精密合金球閥作為流體控制的關(guān)鍵部件，在石油化工、天然氣輸送、煤化工、水力發(fā)電等國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)中被廣泛運(yùn)用。為了適應(yīng)高溫、高壓、耐磨損等苛刻的工作要求，球體表面必須進(jìn)行合金化處理，如噴涂0.6～0.8 mm厚的WC、Ni60、硬鉻等粉末合金；處理后的球面表面硬度≥60 HRC，有些甚至≥70 HRC，可達(dá)到普通合金刀具的硬度。由于硬質(zhì)合金具有高強(qiáng)度、高硬度和高脆性等特點(diǎn)，采用傳統(tǒng)機(jī)械磨削時(shí)，磨削力大、磨削溫度高、磨削效率低，導(dǎo)致砂輪極易鈍化。目前，先進(jìn)的大口徑超硬合金回轉(zhuǎn)球面精密加工技術(shù)僅美國(guó)、德國(guó)、芬蘭等少數(shù)國(guó)家掌握，因此，研究并掌握高硬、高精度合金球面的精密磨削技術(shù)就顯得十分重要。本文提出采用電火花與精密磨削復(fù)合加工技術(shù)，充分利用傳統(tǒng)和非傳統(tǒng)加工的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)大口徑超硬合金球閥內(nèi)芯表面的高效、精密、清潔加工。

1 合金球體材料特性及磨削現(xiàn)狀

大型球閥內(nèi)芯球體是以不銹鋼為基體、在球體表面用超音速火焰等工藝方法噴涂WC或鎳基合金粉末而制成的。硬質(zhì)合金具有硬度高、耐磨、強(qiáng)度和韌性較好、耐熱、耐腐蝕等優(yōu)良性能[1]，因此，高硬度、高精度合金球面精密磨削加工的難點(diǎn)主要集中在3個(gè)方面：①合金球面硬度高，抗磨系數(shù)大，傳統(tǒng)工藝加工難度大。由于球面硬度超過(guò)60 HRC，與普通合金刀具的硬度相當(dāng)，抗磨系數(shù)大，若使用傳統(tǒng)加工工藝和普通合金刀具進(jìn)行加工，必然會(huì)使刀具急劇磨損，增大加工成本；②加工尺寸大，且尺寸、形狀、表面精度要求極高。高精、高硬合金球面零件大多數(shù)工作在高溫、高壓等極端條件下，密封性能要求極高，結(jié)構(gòu)上基本采用整體式硬密封結(jié)構(gòu)，即要求閥座與球體之間的配合是硬對(duì)硬的剛性配合；要保證球閥在高溫、高壓環(huán)境下不漏水、不漏氣、不漏油，就對(duì)閥座與球體的配合精度、形狀精度提出了極高的要求；③傳統(tǒng)精密磨削加工效率低。Ni60涂層硬度雖然只有60 HRC左右，但這種材料韌性很好，且磨屑極易鑲嵌在砂輪容屑空間中，使砂輪變鈍，磨削效率極低。

2 電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工原理

電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工是采用金屬基金剛石砂輪作為杯型砂輪的復(fù)合工具電極，通過(guò)選取合理的金屬結(jié)合劑、砂輪粒度和濃度、電加工參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)球體高硬合金表面的高效精密加工[2]，其加工原理示意圖見(jiàn)圖1。當(dāng)金屬結(jié)合劑、砂輪與球體表面合金材料之間存在高壓時(shí)，即產(chǎn)生火花放電，利用高溫、高密度能量蝕除合金材料；同時(shí)，金剛石砂輪中的結(jié)合劑也會(huì)被蝕除。經(jīng)電火花加工后的被加工面趨于剛基體凹陷，硬質(zhì)相凸起，這樣可減輕砂輪胡塞程度，有利于發(fā)揮金剛石磨料的切削能力，提高機(jī)械磨削效率。電火花放電對(duì)砂輪還具有修整作用，能使砂輪中的金剛石磨粒始終保持鋒利，并不斷地對(duì)球面合金材料產(chǎn)生機(jī)械研磨作用[3]。這樣，通過(guò)金屬結(jié)合劑與球面合金材料之間的火花放電、金剛石砂輪與聚晶金剛石材料之間的火花放電的雙重作用，電火花加工與機(jī)械磨削相互創(chuàng)造有利條件，使兩種方法相輔相成，從而實(shí)現(xiàn)球體表面高硬合金材料的高效精密加工。

在粗加工階段，以電火花磨削為主，電極（磨具）與球面之間存在一定間隙而沒(méi)有機(jī)械接觸，材料的去除主要依賴放電作用。由于存在無(wú)切削力的機(jī)械刮削作用，材料表面可能形成變質(zhì)層[4]，因此該階段需加以機(jī)械磨削，以去除工件表面的變質(zhì)層或放電蝕除物，并通過(guò)調(diào)節(jié)得到適當(dāng)?shù)碾妳?shù)，使放電過(guò)程保持最佳、磨削效率達(dá)到最高的狀態(tài)（圖2），這充分利用了晶體管脈沖電源的脈沖參數(shù)易調(diào)節(jié)、脈沖波形較好、易實(shí)現(xiàn)多回路加工和自適應(yīng)控制等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工原理示意圖

圖2 電火花磨削階段去除變質(zhì)層的過(guò)程示意圖

3 主要實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)用機(jī)床是經(jīng)現(xiàn)有普通球磨機(jī)床改制而成，在此僅對(duì)專用復(fù)合工具電極、機(jī)床絕緣上電及電火花機(jī)械復(fù)合加工專用脈沖電源作簡(jiǎn)單介紹。

3.1 專用復(fù)合工具電極——杯型砂輪磨盤(pán)

針對(duì)本實(shí)驗(yàn)對(duì)象為球體，設(shè)計(jì)制作了一種專用復(fù)合工具電極——杯型砂輪磨盤(pán)，由磨頭和砂輪棒組裝而成（圖3）。磨頭為一內(nèi)空的圓盤(pán)，并沿圓周方向均勻布置有圓形凹槽，用以裝夾圓柱形砂輪棒，再用專用楔塊固定牢固。砂輪棒的形狀為與磨頭凹槽匹配的規(guī)則圓柱體。為滿足電火花放電加工的要求，選用金屬（青銅）作為金剛石砂輪的結(jié)合劑，制作工藝為燒結(jié)成形，因?yàn)樵摴に嚤入婂兂尚螕碛懈叩氖褂脡勖?，從而可?jié)約成本。

圖3 杯型砂輪磨盤(pán)

該杯型砂輪磨盤(pán)充分利用了電火花與機(jī)械這兩種不同加工方法的特點(diǎn)，由此提出了高硬度合金材料回轉(zhuǎn)球面電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工新方法。該方法的基本成形原理是應(yīng)用相貫原理，即一圓柱體與一球體相貫，其交線為一個(gè)正圓。當(dāng)相交圓沿球體軸線旋轉(zhuǎn)一周就構(gòu)成了一個(gè)球面（圖4）[5]。與兩軸聯(lián)動(dòng)的外圓磨削方式相比，以該原理為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)的回轉(zhuǎn)球面磨削加工能在原理上避免加工軌跡誤差的產(chǎn)生，在此基礎(chǔ)上達(dá)到以電火花磨削實(shí)現(xiàn)高硬度球面的高效加工、以金剛石磨料磨削實(shí)現(xiàn)高硬度球面高光潔度（表面粗糙度值低）的最終精密磨削加工的目的[6]。

圖4 回轉(zhuǎn)球面電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工成形原理圖

3.2 機(jī)床絕緣與上電裝置

由于該電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工是在放電條件下進(jìn)行的，因此需對(duì)機(jī)床進(jìn)行絕緣保護(hù)，避免因機(jī)床床身、主軸等帶電而燒壞電機(jī)、主軸及造成操作者人身傷害。絕緣保護(hù)裝置設(shè)計(jì)為：在杯型砂輪盤(pán)的兩側(cè)面夾緊處安裝環(huán)氧樹(shù)脂材料的絕緣墊片，并在杯型砂輪盤(pán)內(nèi)徑與軸之間放置材料為PTFE的絕緣套筒，以實(shí)現(xiàn)杯型砂輪與機(jī)床主軸之間的絕緣（圖5）。同時(shí)，在機(jī)床卡盤(pán)、頂尖與球體回轉(zhuǎn)軸的接觸處安裝絕緣墊片，從而實(shí)現(xiàn)工件與機(jī)床床身之間的絕緣（圖6）。

圖5 杯型砂輪與機(jī)床主軸的絕緣

圖6 工件與機(jī)床床身的絕緣

由于加工過(guò)程中杯形砂輪處于高速旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，因此采用砂輪盤(pán)側(cè)面進(jìn)電方式[7]。

3.3 復(fù)合加工專用脈沖電源

針對(duì)被加工球體面積較大、材料去除較難、加工效率低等潛在問(wèn)題，為了提高加工效率和表面質(zhì)量，應(yīng)對(duì)脈沖電源作如下考慮：①所產(chǎn)生的脈沖應(yīng)是單向的，沒(méi)有負(fù)半波或負(fù)半波很小，以便能最大限度地利用極性效應(yīng)，提高生產(chǎn)效率和降低工具電極損耗；②脈沖電壓波形的前后沿應(yīng)較陡，為此應(yīng)選用延遲時(shí)間較短的電子元件，以增加放電過(guò)程中的爆炸力，減少電極間隙的變化及油污程度等對(duì)脈沖寬度和能量等參數(shù)的影響，一般常采用矩形波脈沖電源；③要有高度集中的瞬時(shí)放電能量，即有高的能量密度，選用具有儲(chǔ)能功能的元件或電路，以增強(qiáng)脈沖放電的爆炸力，使電蝕產(chǎn)物及時(shí)排出；④脈沖主要參數(shù)，如峰值電流、脈沖寬度、脈沖間隔等應(yīng)能在很寬的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)上述指標(biāo)要求，本項(xiàng)目選用專門(mén)制作的晶體管式脈沖電源。

4 結(jié)論

本文提出的電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工大型球閥內(nèi)芯合金表面的新方法，與單純用電火花磨削或機(jī)械磨削加工方法相比，最大的意義在于：在保證球體極高的磨削精度條件下（球度≤8 μm，表面粗糙度≤0.4 μm），能極大地提高磨削加工效率，同時(shí)降低成本；此外，用于電加工的裝置非常簡(jiǎn)單，不需設(shè)計(jì)專用機(jī)床，只將普通球磨機(jī)床稍加改造即可，也沒(méi)有復(fù)雜的電極伺服跟進(jìn)控制系統(tǒng)等，這在保證高效磨削的前提下，能使整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉。根據(jù)初步實(shí)驗(yàn)表明，該加工方法能實(shí)現(xiàn)高硬合金材料的高質(zhì)高效加工，有利于在生產(chǎn)實(shí)際中推廣應(yīng)用。

[1]任敬心.難加工材料磨削技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，1999.

[2]趙萬(wàn)生.先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2003.

[3]張佳.電火花機(jī)械復(fù)合磨削加工剛結(jié)硬質(zhì)合金的實(shí)驗(yàn)研究[J].機(jī)械工程師，1997（6）：3-4.

[4]張勤儉.聚晶金剛石電火花超聲機(jī)械復(fù)合加工技術(shù)研究[J].金剛石與磨料模具，2012（1）：8-11.

[5]吳琦.高硬度回轉(zhuǎn)球面精密磨削的基礎(chǔ)研究[D].上海：上海交通大學(xué)，2007.

[6]鄒峰，于愛(ài)兵，王長(zhǎng)昌.金屬基金剛石砂輪修整技術(shù)的研究進(jìn)展[J].精密制造與自動(dòng)化，2003（2）：12-14.

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A New Method of Hybrid Electro-discharge and Mechanical Grinding for Alloy Spherical Surface of Metal Ball Valve

Liu Yuantian，He Jianwen，Guo Zhongning
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

High temperature resistance，high hardness and wear resistance are the properties of alloy surface of the large ball valve，the surface of the ball must be conducted hardening treatment. Uaually，we spray coating material with high hardness such as WC or Nickel base alloy on the surface of ball.The hardness is exceed or equal to 62 HRC，which using traditional mechanical griding，machining efficiency is usually low.On the basis of analyzing the principle of the combined method，using precision grinding technology in machining hgih-rigidity，a special composite tool electrode and clamp are designed.Finally，by composite electrode with bronze-bond diamond wheels，electrical discharge and mechanical combined grinding on the surface of alloy ball is realized.

cementedcarbide；hybridelectro-dischargeandmechanicalgrinding；diamond grinding wheel；broze-bond

TG580.6

A

1009－279X（2014）05－0021-03

2014-05-19

廣東省教育部產(chǎn)學(xué)研結(jié)合項(xiàng)目（2012B091100079）

劉源添，男，1988年生，碩士研究生。