CN103752989B - 一种手持式高速电弧加工设备及方法 - Google Patents

Abstract

一种手持式高速电弧加工设备及方法属于特种加工设备领域。该设备包括壳体、电机、联轴器、主轴、连接法兰、变幅杆、防护罩、电刷、导电砂轮、手柄、超声波发生器、电弧加工控制电源；电机通过联轴器带动主轴旋转；所述的变幅杆穿过壳体下端与导电砂轮固定连接，且相互之间绝缘；所述的主轴通过连接法兰带动变幅杆旋转，变幅杆的振幅和振动频率参数通过超声波发生器进行调节；所述的导电砂轮通过电刷与电弧加工控制电源的阴极相连。本发明集合了高速电弧、超声振动和磨削三种加工方式，通过组合各加工方式材料去除率可达普通电火花加工的6～8倍，部分材料可达10倍以上，特别适合大型和不可移动废旧机械零部件表面疲劳层的现场修复加工。

Description

一种手持式高速电弧加工设备及方法

技术领域

本发明涉及一种特种加工设备及方法，尤其是涉及一种手持式高速电弧加工设备及方法。

背景技术

当前，高速线材辊、冷轧工作辊、石油钻杆耐磨带和渣浆泵等关键零件由于附加值高已成为装备维修和再制造的一个重要组成部分。对该类零件进行维修和再制造时，必须先去除其表面疲劳层，然后应用各种高新技术进行表面修复，最后再通过机械加工的方式恢复其表面几何形状，使其达到加工精度，满足使用要求。该类零件的修复加工通常具有以下三个特点：（1）该类零件的表面通常经过热处理，具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀的特点，这给表面疲劳层的去除带来了极大的困难。（2）该类零件通常体积大、重量沉、装夹困难，其维修和再制造加工主要以现场加工为主。（3）部分机械设备在户外使用条件下，锈蚀、渣土、混凝土等杂质非常坚固地粘附在零件表面上，进一步增加了表面变质层的去除难度。

传统的表面疲劳层去除方法主要有磨削、“红车”（将工件加热至800～1000℃车削）或使用硬质合金刀具切削等加工方式。这些加工方式加工精度较高，但普遍存在加工效率低、加工成本高、加工周期长，工件装夹困难等缺点。特别是许多硬质合金刀具还需通过国外进口的方式购得，价格昂贵，难以满足超硬材料高效低成本加工的要求。坚固粘附在零件表面上的渣土和混凝土等杂质也极易降低刀具使用寿命，增加加工成本。目前，国内外用于硬面材料的非传统加工方法主要有碳弧气刨加工技术、电熔爆加工技术、短电弧加工技术及电火花加工技术等。这些技术在一定程度上能解决部分硬面材料的加工难题，但也存在许多不尽人意的地方。如碳弧气刨加工技术效率较低，工人劳动强度相当大，工件加工后还有夹碳、渗碳、失圆度大等问题。电熔爆加工技术加工效率很高，但工作稳定性差，加工噪声大、环境与噪声污染严重。电火花加工时工件必须浸入油池，不但加工效率低下，而且还受工件尺寸的限制。

高速电弧加工技术以其加工效率高、加工成本低等优点而被应用于废旧机械产品表面疲劳层的去除，该加工方法是将工具和工件分别与高压脉冲电弧电源两端相连，当两电极间隙距离减少到电场强度足够大时，两极之间产生火花放电，从而将工件电极金属熔化并沸腾，再在外力的作用下将熔化的金属去除。但目前高速电弧加工还很难应用于大型或不可移动零件表面疲劳层的现场加工，主要原因有：（1）当前绝大部分高速电弧加工设备的附属设备多，占地面积大，在再制造加工过程中存在装夹费时、效率较低、不易操作等困难。（2）在传统的高速电弧加工设备中，工具电极和工件电极均固定在基座或支撑架上，其放电间隙通常通过自动进给控制系统进行控制，易于实现；但该类设备难以实现手持式加工，不利于大型不可移动零部件的现场修复（放电间隙过大，绝缘介质不易击穿，难于形成放电通道；放电间隙过小，又易短路，损坏设备）。（3）对于一些野外作业设备而言，坚固粘附在零件表面上的锈蚀、渣土和混凝土等杂质通常不导电，很难应用高速电弧加工方法进行加工。因此，研发一种针对大型废旧机械产品表面疲劳层的具有加工效率高、成本低，便于手持，适于现场加工，满足多种材料加工需求等优点的高速电弧加工设备显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的就是为解决上述问题，提供一种加工效率高、加工成本低，便于手持，适于现场加工的手持式高速电弧加工设备及方法。

高速电弧加工的关键技术之一就是控制合理的放电间隙，放电间隙过大，工具电极和工件电极无法击穿极间介质，形成电弧放电通道；放电间隙过小，工具电极和工件电极又极易短路，达不到材料去除的目的。为达到上述要求，传统的高速电弧加工装置，其工具电极和工件电极均固定在基座或支撑架上，放电间隙可通过自动伺服进给系统进行精准控制。而手持式高速电弧加工装置采用手持操作，人工控制，其放电间隙随机性强。解决随机放电间隙下极间介质的击穿电离和放电通道的形成是实现手持式高速电弧加工的关键技术之一。日本电气通信大学的石田与竹内曾运用一个螺旋压缩弹簧和一个有形状记忆功能的伸长式弹簧，制成“自动放电间隙控制器”，可实现工具电极与工件电极放电间隙的自动调节。但该控制器也必须安装在固定轴上，亦无法实现手持条件下随机放电间隙的放电要求。

为解决上述问题，本发明将工具电极安装在小型超声振动装置的变幅杆上，通过调节变幅杆的振幅和频率来控制放电间隙的大小和放电时间的长短，以满足手持条件下随机放电间隙的放电要求。其基本原理和工作过程是：采用手持式高速电弧加工时，其放电间隙很难人为控制，受工具电极自身重量和人工操作随机性的影响，工具电极将不可避免的工件电极相接触并产生短路。将工具电极安装在变幅杆上，可以以工件电极为支撑点，利用变幅杆的往复振动将工具电极迅速弹离工件表面，从而使工具电极与工件电极重新处于开路状态。工具电极弹离工件电极表面后，在自身重力的作用下，又将继续朝工件表面下落，放电间隙不断缩小。随着放电间隙的不断变化，工具电极与工件电极之间的放电状态将依次经历空载、火花放电、电弧放电、过渡电弧放电和短路等五个过程。相对于电弧放电和过渡电弧放电时间而言，火花放电时间较短，通常为其1/15～1/20，因此整个放电过程以电弧放电为主。实践证明，采取适当的电弧放电进行加工，其加工效率是传统电火花加工效率的6～8倍，对部分加工材料可达10倍以上。当工具电极接触工件电极表面短路后，又将在变幅杆的作用下，弹离工件电极表面，从而使工具电极和工件电极重新处于开路状态。重复上述过程，工具电极与工件电极之间就可产生连续的电弧放电。通常，变幅杆的振幅越大，放电间隙越大；频率越高，放电时间越短。通过设置不同的振幅和频率，可实现粗加工、半精加工、精加工和表面处理等多种功能。实践证明，变幅杆振幅在1～20μm之间为宜，频率在10～80Khz之间为宜。

为进一步提高加工效率，本发明采用导电砂轮作为工具电极，砂轮在进行高速电弧放电加工的同时还以变幅杆为轴进行旋转，一方面便于切断工具电极与工件电极之间的电弧，冷却电极；另一方面，还可通过砂轮的磨削作用加快电腐蚀材料的去除。

但砂轮的运动通常为周向旋转运动，利用砂轮圆周面进行加工；而变幅杆的振动方向为轴向往复运动。砂轮的工作形面与变幅杆的振动方向不一致，一方面加大了放电间隙的控制难度，另一方面也导致加工过程中能量损耗较大，对超声发生器的功率要求较高。而超声发生器的功率越高，其体积越大，重量越沉，不适合进行手持式加工。利用砂轮的端面进行电弧放电并磨削加工，虽可较好的解决放电间隙的控制问题，但砂轮很难得到冷却液的充分冷却，烧毁严重，使用寿命较短。为解决上述问题，本发明中将导电砂轮做成球冠形，利用导电砂轮的球冠面进行电弧放电并磨削加工。该设计可确保砂轮的工作形面与变幅杆的振动方向相一致，且由于球冠面的等半径，使得工具电极与工件电极之间的随机放电间隙更易得到控制。球冠形的砂轮与工件接触时通常为线面接触，该接触方式便于砂轮冷却，可有效提高砂轮使用寿命。与传统的圆盘形导电砂轮相比，球冠形导电砂轮可使超声发生器的能量损耗率可降低60%～80%，砂轮使用寿命提高2～3倍。为便于手持，导电砂轮球冠的半径以200～250mm为宜，球冠高度以8～12mm为宜。为确保砂轮的旋转不影响变幅杆对放电间隙的调节，砂轮转速通常在30～50r/min之间。

本发明可实现以下功能：

通过导电砂轮与工件之间的高速电弧放电加工，可实现废旧机械产品表面疲劳层的快速去除。

通过导电砂轮的超声振动加工，可快速去除废旧装备表面的锈蚀、渣土、混凝土等杂质。

通过导电砂轮的旋转，一方面便于切断工具电极与工件电极之间的电弧，并冷却电极；另一方面，可通过砂轮的磨削作用加快电腐蚀材料的去除，从而提高电弧加工效率。

本发明具体实施方案如下：

一种手持式高速电弧加工设备，包括壳体、电机、联轴器、主轴、连接法兰、变幅杆、电刷、防护罩、导电砂轮、手柄、超声波发生器、高速电弧加工控制电源、工作液输入输出装置和砂轮转速调节旋钮，其中所述电机、联轴器、主轴、连接法兰均置于壳体内，电机通过联轴器带动主轴旋转。

所述变幅杆穿过壳体下端与导电砂轮固定连接，且相互之间绝缘。

所述主轴通过连接法兰带动变幅杆旋转，变幅杆的振幅和振动频率参数可通过超声波发生器进行调节。

所述导电砂轮通过电刷与电弧加工控制电源的阴极相连；电刷固定在防护罩上，且与防护罩绝缘。砂轮转速可通过砂轮转速调节旋钮进行调节，通常在30～50r/min之间。

所述导电砂轮为球冠形，其半径R在200～250mm之间，球冠高度h在8～12mm之间。

所述手柄与壳体固定连接，砂轮转速调节旋钮安装在手柄上。

所述变幅杆振幅越大，放电间隙越大；运动频率越高，放电时间的越短。变幅杆的振幅范围一般在1～20μm，振动频率一般在10～80Khz。

所述工作液输入输出装置可控制工作液的开和关。

所述电弧加工控制电源的脉冲放电宽度在10^-3s～10^-1s之间，占空比在90%～95%之间，电流强度在10A～20A之间，其脉宽、峰值电流等参数可通过电弧加工控制电源调节。

本发明具有如下优点：

1.结构紧凑，重量轻，便于手持，尤其适合于大型和不可移动废旧机械零部件表面疲劳层的现场修复加工。

2.功能多，效率高。该手持式高速电弧加工设备集合了高速电弧、超声振动和磨削三种加工方式，通过超声振动加工可方便快捷地去除待修复表面疲劳层的泥土、混凝土、锈蚀等杂质；通过高速电弧-磨削加工可快速高效的去除金属材料的表面疲劳层，且不受材料硬度的影响，材料去除率可达普通电火花加工的6～8倍，部分材料可达10倍以上，特别适合大型和不可移动废旧机械零部件表面疲劳层的现场修复加工；通过设置不同的工艺参数，可实现粗加工、半精加工、精加工和表面处理等多种功能。

3.加工性能好。采用高速电弧加工时，被加工表面只是在局部产生瞬间高温，在工作液的充分冷却下，加工热量很少向基材内部传递，不破坏基体内部组织，也不会在表层产生裂纹。该特性对保持再制造产品的表面完整性，确保再制造产品质量和性能达到或超过新品具有重要意义。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图中，1电机，2壳体，3联轴器，4主轴，5连接法兰，6变幅杆，7电刷，8防护罩，9导电砂轮，10工作液输出管，11手柄，12超声波发生器，13电弧加工控制电源，14工作液输入输出装置，15砂轮转速调节旋钮。

图2导电砂轮形状示意图

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

如图1，电机1、联轴器3、主轴4、连接法兰5均置于壳体2内，电机1通过联轴器3带动主轴4旋转。主轴4通过连接法兰5带动变幅杆6旋转。变幅杆6穿过壳体2下端与导电砂轮9固定连接，且相互之间绝缘。导电砂轮9通过电刷7与电弧加工控制电源13的阴极相连；电刷7固定在防护罩8上，且与防护罩绝缘。砂轮转速可通过砂轮转速调节旋钮15进行调节，砂轮转速通常小于50r/min，过大则影响变幅杆振幅对放电间隙的调节。变幅杆6的振幅和振动频率参数可通过超声波发生器12进行调节，变幅杆振幅越大，放电间隙越大；运动频率越高，放电时间的越短。变幅杆的振幅范围一般在1～20μm，振动频率一般在10～80Khz。手柄11与壳体2固定连接，砂轮转速调节旋钮15安装在手柄上。工作液输入输出装置14可控制工作液从工作液输出管10的输出与关闭。

下面以水泥磨辊的表面疲劳层的去除为例进行说明。

水泥磨辊使用一段时间后，其表面会产生破损。对破损表面进行修复时必须先去除其表面疲劳层，然后再应用各种高新技术进行修复。然而该类零件通常经过表面处理，表面硬度高达60HRC以上；特别是使用过程中，各种杂质如水泥粉坚固地粘附在零件表面，给表面疲劳层的去除带来极大的困难。传统的切削加工面临加工零件体积大，不易装夹，刀具磨损快，加工效率低等难点；使用电加工又面临水泥粉等杂质不导电等问题。采用手持式高速电弧加工设备可较好的解决该问题。

首先通过导电砂轮的超声振动可去除粘附在水泥磨辊表面的锈蚀、渣土、混凝土等杂质，变幅杆的振幅和频率通常设定在6μm和70Khz左右。去除零件表面杂质后，即可采用高速电弧加工方式去除表面疲劳层。通过控制变幅杆的振幅和频率来控制放电间隙的大小和放电时间的长短，根据材料去除的需要，变幅杆的振幅通常在1～20μm，振动频率一般在10～80Khz。脉冲放电宽度在10^-3s～10^-1s之间，占空比在90%～95%之间，电流在10A～20A之间，其脉宽、峰值电流等参数可通过电弧加工控制电源调节。材料去除率最大可达普通电火花加工的8倍。加工过程中使用的工作液为皂化液。

Claims (2)

1.应用一种手持式高速电弧加工设备的方法，其特征在于：该设备包括壳体、电机、联轴器、主轴、连接法兰、变幅杆、防护罩、电刷、导电砂轮、手柄、超声波发生器、电弧加工控制电源、工作液输入输出装置和砂轮转速调节旋钮；所述的电机、联轴器、主轴、连接法兰均置于壳体内，电机通过联轴器带动主轴旋转；

所述的变幅杆穿过壳体下端与导电砂轮固定连接，且相互之间绝缘；

所述的主轴通过连接法兰带动变幅杆旋转，变幅杆的振幅和振动频率参数通过超声波发生器进行调节；

所述的导电砂轮通过电刷与电弧加工控制电源的阴极相连；电刷固定在防护罩上，且与防护罩绝缘；砂轮转速通过砂轮转速调节旋钮进行调节；

砂轮转速在30～50r/min之间；

变幅杆的振幅范围在1～20μm，振动频率在10～80Khz。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：

电弧加工控制电源的脉冲放电宽度在10^-3s～10^-1s之间，占空比在90％～95％之间，电流强度在10A～20A之间。