淺析電火花毛化軋輥表面處理工藝技術(shù)

徐筱薌 張玉琴 劉偉云,2 戚新軍

(1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司; 2.北京科技大學(xué))

淺析電火花毛化軋輥表面處理工藝技術(shù)

徐筱薌1張玉琴1劉偉云1,2戚新軍1

(1.安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司; 2.北京科技大學(xué))

介紹了電火花毛化技術(shù)的特點(diǎn)、基本原理、物理化學(xué)過(guò)程、電火花毛化機(jī)床的主要配置及目前常用的兩種毛化方式,并對(duì)兩種毛化方式進(jìn)行了分析對(duì)比。

EDT 工作原理 毛化方式

0 前言

冷軋帶鋼的沖壓成形性不僅取決于其本身固有的特性 (組織和性能),還與其表面質(zhì)量密切相關(guān),而表征冷軋帶鋼表面質(zhì)量的重要指標(biāo)之一是表面粗糙度,表面粗糙度大小直接影響著帶鋼的沖壓成形性。眾所周知,冷軋帶鋼表面的粗糙度完全是由毛化后軋輥的表面粗糙度和峰值數(shù)復(fù)制傳遞形成的,所以軋輥表面毛化處理技術(shù)及質(zhì)量的好壞直接影響到冷軋用板的使用情況。

1 軋輥毛化處理技術(shù)

目前常用的軋輥毛化技術(shù)有:噴丸毛化 (SBT)、電火花毛化 (EDT)、激光毛化 (LT)、電子束毛化(EBT)。

噴丸毛化 (SBT)是最傳統(tǒng)的毛化方法,其利用高速旋轉(zhuǎn)的離心輪將具有尖銳邊緣、高硬度的沖擊材料 (一般為鋼丸)加速噴向欲毛化的軋輥,當(dāng)沖擊粒子撞擊到軋輥表面時(shí),在軋輥表面“切割”下細(xì)小的金屬微粒,軋輥表面的毛化形貌具有隨機(jī)性和不均勻性,目前冷軋產(chǎn)品很少使用此方法。

激光毛化 (LT)是采用高能量脈沖激光束作用于軋輥表面,使之加熱、熔化并部分汽化,當(dāng)脈沖停止時(shí)溶化物快速冷卻凝固形成凸緣;通過(guò)調(diào)節(jié)加工毛化工藝參數(shù),可精確控制軋輥表面的毛化坑形及分布;但由于 LT毛化冷軋鋼板的凹坑排列過(guò)于整齊和具有規(guī)則,在噴漆后往往還能隱約看到凹坑所形成的螺旋紋路,影響了噴漆后板材的美觀性,使其應(yīng)用推廣有一定的局限性。

電子束毛化 (EBT)是最新發(fā)展且還未形成工業(yè)化生產(chǎn)設(shè)備的一種軋輥毛化技術(shù),但因其設(shè)備十分昂貴,且工藝需要在真空中實(shí)現(xiàn),這就限制了 EBT工藝的推廣和實(shí)際應(yīng)用。

電火花毛化(EDT)是利用瞬間的高能量脈沖電能,在電極與軋輥間形成高溫、高壓區(qū)域,電極瞬時(shí)通電時(shí)與軋輥之間產(chǎn)生一個(gè)電火花,每個(gè)電火花在軋輥表面形成一個(gè)麻坑,軋輥表面逐漸被毛化。近年來(lái),隨著 EDT工藝技術(shù)的逐漸成熟,不僅可適應(yīng)于不同材質(zhì)、硬度的軋輥毛化處理;且 EDT加工出的軋輥表面均勻,粗糙度 Ra值范圍寬 (0.5μm～15 μm),峰值數(shù) Pc也可以很高,這兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù) Ra和Pc均有可控性,重復(fù)性也很好,再加上其投資和設(shè)備運(yùn)行成本相對(duì)較低的特點(diǎn),所以 EDT技術(shù)已成為目前最具產(chǎn)業(yè)化價(jià)值的軋輥毛化技術(shù),能夠很好地滿足汽車制造商對(duì)毛化的多種要求。

2 電火花毛化處理技術(shù)的原理及特點(diǎn)

2.1 電火花毛化的基本原理

EDT是電火花加工技術(shù)在軋輥毛化加工中的實(shí)際應(yīng)用。其基礎(chǔ)是電弧腐蝕工藝,即:將軋輥和電極浸沒(méi)在絕緣的工作液中,并在軋輥和電極上施加一定幅值和頻率的脈沖電壓,當(dāng)兩者之間的間隙小到一定值時(shí),脈沖電壓使極間介質(zhì)電離、擊穿,形成放電通道,這時(shí)通道間的電子高速奔向正極,正離子奔向負(fù)極。電能變成動(dòng)能,動(dòng)能通過(guò)碰撞又轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮?。于是在通道?nèi),正極和負(fù)極表面分別成為瞬間熱源,瞬時(shí)高溫 (約 20000℃)使工作液汽化和金屬材料熔化、汽化。汽化的氣體體積不斷向外膨脹,使大部分熔融金屬液體和蒸汽被排擠、拋出而進(jìn)入工作液中,這樣在軋輥表面就形成了一系列電蝕坑。隨著放電的持續(xù)進(jìn)行,軋輥沿一系列電極旋轉(zhuǎn),同時(shí)沿軸向運(yùn)動(dòng),在軋輥上就可加工出有特定表面粗糙度 Ra和峰值數(shù) Pc的毛化表面。整個(gè)毛化過(guò)程時(shí)間非常短,一個(gè)功率發(fā)生器每秒放電可達(dá) 400,000次。同時(shí),毛化的過(guò)程可以通過(guò)程序控制在一個(gè)非常精密的公差范圍內(nèi)。EDT毛化原理如圖 1所示。

圖1 EDT毛化原理圖

2.2 電火花產(chǎn)生的物理化學(xué)過(guò)程

電火花產(chǎn)生在一個(gè)非常短的周期內(nèi),該周期由通電時(shí)間和斷電時(shí)間兩部分組成,毛化過(guò)程中電火花的頻率一般在 4 khz～400 khz以內(nèi)。電火花的產(chǎn)生過(guò)程 (如圖 2所示)如下:

圖2 電火花的物理化學(xué)過(guò)程

1)電極被給定初始電壓,電極與軋輥之間的電壓上升;

2)電介質(zhì)液中的添加物逐漸電離,在電極與軋輥之間逐漸形成電導(dǎo)橋,此時(shí)電介質(zhì)液呈現(xiàn)絕緣狀態(tài);

3)經(jīng)過(guò)一段延時(shí)時(shí)間后電介質(zhì)液電離完成,電介質(zhì)液絕緣被破壞而呈現(xiàn)電導(dǎo)性,電極與軋輥之間的電導(dǎo)橋形成,電極與軋輥之間的電壓下降,等離子體開(kāi)始放電,電極電源有電流流出,電火花產(chǎn)生;

4)電火花逐漸變大,軋輥以及電極表面的金屬開(kāi)始熔化蒸發(fā),軋輥表面開(kāi)始產(chǎn)生麻坑,一個(gè)蒸汽氣泡形成,然后迅速破裂;

5)通電結(jié)束、毛化電源關(guān)斷,電壓和電流迅速下降,電介質(zhì)液電離狀態(tài)被破壞,不再有熱量產(chǎn)生,脫落的金屬屑隨氣泡排出,同時(shí)熔化的金屬在麻坑附近重新凝固;

6)在斷電時(shí)間內(nèi)電壓保持為零,直到電介質(zhì)液狀態(tài)穩(wěn)定后,繼續(xù)開(kāi)始下一個(gè)電火花周期。

2.3 電火花毛化的主要特點(diǎn)

電火花毛化技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于其加工過(guò)程是把電能轉(zhuǎn)換成熱能進(jìn)行軋輥表面蝕除,所以加工對(duì)象不受材料的硬度限制,可加工高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨性等綜合指標(biāo)好的冷軋用軋輥,從根本上解決了軋輥壽命的問(wèn)題。其主要特點(diǎn)有:

1)軋輥經(jīng)毛化處理后,在軋輥表面形成一個(gè)硬化層,使冷軋帶鋼在生產(chǎn)過(guò)程中減少軋輥損傷,提高軋輥壽命;

2)能夠減少退火板材上的粘連物;

3)在保證帶鋼表面光潔度的基礎(chǔ)上,能夠提高帶鋼的掛漆性能和拉伸性能;

4)毛化處理后的軋輥表面粗糙度均勻,能夠穩(wěn)定連續(xù)生產(chǎn);

5)生產(chǎn)出的軋輥粗糙度、峰值數(shù)范圍大;6)加工效率高。

3 電火花毛化設(shè)備及毛化方式比較分析

電火花毛化機(jī)床的基本配置包括:床身、頭架、尾座、中心架、自動(dòng)夾持裝置、軋輥?zhàn)詣?dòng)對(duì)準(zhǔn)裝置、功率發(fā)生器模塊、電極、電極伺服系統(tǒng)、電極間隙控制系統(tǒng)等。EDT機(jī)床的外形結(jié)構(gòu)與軋輥磨床相似,只是增加了電極及相應(yīng)的配套工作設(shè)備。在整個(gè)EDT毛化工作過(guò)程中,電介質(zhì)液的循環(huán)系統(tǒng)是非常關(guān)鍵的部分,它用來(lái)保護(hù)電極和保證毛化質(zhì)量。根據(jù) EDT的基本原理,目前主要有電極掃描毛化和電極固定毛化兩種軋輥表面處理方式,其主要技術(shù)特性比較見(jiàn)表 1。

電極掃描毛化和電極固定毛化兩種處理方式的主要比較分析如下:

1)電極掃描毛化處理方式:其工作過(guò)程類似于軋輥磨床,只是它用電極掃描頭代替了砂輪。電極掃描毛化方式是軋輥不進(jìn)行軸向運(yùn)動(dòng),而是通過(guò)毛化站沿軋輥輥身方向的水平運(yùn)動(dòng)來(lái)對(duì)整個(gè)軋輥進(jìn)行毛化的。毛化站包括功率發(fā)生器、電極、電極控制系統(tǒng)、裝有電介質(zhì)液的剛體及循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、密封裝置等。以每 9個(gè)電極為一排的掃描頭安裝在伺服閥上,每個(gè)伺服閥上安裝 2排電極。毛化站的兩邊每邊可以并排安裝 2個(gè)伺服閥,總共可以安裝 72個(gè)電極。在軋輥毛化過(guò)程中,電極和小部分輥身是浸在密封剛體的電介質(zhì)液中,所以整個(gè)毛化系統(tǒng)所需要的電介質(zhì)液相對(duì)較少。但因在毛化過(guò)程中,無(wú)法實(shí)現(xiàn)單一電極的距離調(diào)整,會(huì)出現(xiàn)每個(gè)電極的消耗長(zhǎng)短不一的現(xiàn)象,使電極和軋輥輥身的間隙大,這樣就會(huì)增加毛化時(shí)間,降低軋輥毛化效率。為此,通過(guò)使用特殊材料加工的電極,并在電介質(zhì)液中加入一定比例的添加劑 (一般為石墨)來(lái)使放電更加均勻有效,滿足生產(chǎn)效率的要求。

表1 電極掃描毛化和電極固定毛化技術(shù)特性比較

2)電極固定毛化處理方式:電極固定毛化方式是毛化軋輥時(shí),整個(gè)床身靜止,軋輥以一定行程沿軸向進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng),通過(guò)控制單個(gè)電極的辦法來(lái)保證每個(gè)電極和軋輥輥身的距離恒定。該毛化方式是必須將軋輥的中心線浸沒(méi)在電介質(zhì)液以下一定位置,所有電極并排固定在電介質(zhì)液槽中,分兩排排列在電介質(zhì)液槽下,并和機(jī)床中心線成 45°方向排列,標(biāo)準(zhǔn)情況下以 27個(gè)電極為一排,且每個(gè)電極都配備有一個(gè)單獨(dú)的液壓伺服定位驅(qū)動(dòng)器。電極是用銅質(zhì)材料加工制成的,因電極與軋輥的間隙可以控制在很小的范圍,故電介質(zhì)液不需添加任何添加劑,但該毛化方式的電介質(zhì)液循環(huán)系統(tǒng)比電極掃描毛化方式的大,需要配置的電介質(zhì)液較多。在毛化較短的軋輥時(shí),僅軋輥輥身周圍的電極工作,超出輥身長(zhǎng)度的電極不工作;如果要增加軋輥的毛化長(zhǎng)度,必須要在預(yù)留的電極槽中增加電極和相應(yīng)其它裝置。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述,電極掃描和電極固定兩種電火花毛化機(jī)床雖然使用相同的毛化原理,但其設(shè)計(jì)理念不同,所以具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程存在著不同特點(diǎn)。電極掃描毛化的定位精度高,毛化液消耗低,設(shè)備簡(jiǎn)單,用這種方法把軋輥磨床改造為電火花機(jī)床是一種經(jīng)濟(jì)方法,但軋輥兩端有局部無(wú)法毛化處理。電極固定毛化的電極加工簡(jiǎn)單、更換方便,且能夠?qū)⒄麄€(gè)輥身進(jìn)行毛化,它通過(guò)在對(duì)不同粗糙度范圍和峰值密度進(jìn)行不同方式的操作,毛化效果較好,適用于軋輥輥身長(zhǎng),產(chǎn)品定位高的冷軋生產(chǎn)線上。在具體設(shè)備選型上應(yīng)根據(jù)工藝要求和磨輥間其他設(shè)備的情況進(jìn)行選擇,以實(shí)現(xiàn)最大效益化。

[1] 周利,陳甚超,李春光,劉光明,等.EDT毛化工藝在汽車板生產(chǎn)中的應(yīng)用,軋鋼,2009,26(4):69-71.

[2] 王釗,陳薦,何建軍,戎雪坤,等.電火花表面強(qiáng)化技術(shù)研究與發(fā)展概況,熱處理技術(shù)與裝備,2008(6):46-50.

[3] 王剛,侯印慧.電火花打毛機(jī)用于軋輥表面處理及其自動(dòng)控制系統(tǒng),技術(shù)世界,2007(4):15-17.

[4] 王明黔,郭永強(qiáng),陳甚超.兩種電火花毛化方式的重要工藝參數(shù)和控制方式比較,冶金設(shè)備,2006(增刊):55-57.

BRIEF ANALYSIS ON ROLL SURFACE ELECRTIC SPARK ROUGHING PROCESS

Xu Xiaoxiang1Zhang Yuqin1LiuWeiyun1,2Qi Xinjun1

(1.Angyang Iron&Steel Group Co.,Ltd; 2.University of Science and TechnologyBeijing)

This article mainly states the characteristics,fundamental principle and physical chemical process of electronic spark roughing technology,introduces the main arrangement of electric spark roughing machine tool and two routine roughingmethods,at last analytically contrast the two roughingmethods.

EDT operating principle roughing

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聯(lián)系人:徐筱薌,高級(jí)工程師,河南.安陽(yáng) (455004),安陽(yáng)鋼鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司技術(shù)中心;

2010—11—9