（机械制造及其自动化专业论文）铸铁轧辊电火花表面强化自动化设备及工艺的研究.pdf

东华大学硕= 匕论文铸铁轧辊电火花表面强化自动化设备及工艺的研究 铸铁轧辊电火花表面强化自动化设备及工艺的研究 摘要 轧辊是轧钢生产中的关键易耗零件。轧辊表面性能的好坏往往 直接影响到轧钢机的作业率，轧制产品的质量和成本。热轧铸铁工 作辊的工作状况恶劣，其主要失效形式是磨损。电火花表面强化可 以改善铸铁轧辊表面性能，提高其使用寿命。本课题在手工电火花 表面强化工艺的基础上，研究电火花表面强化自动化设备和工艺， 旨在大幅提高强化效率并得到性能优于手工操作的强化层。 本课题主要研究工作和结果如下：分析和解决了若干轧辊电火 花表面强化自动化设备研制工作中的难点问题；成功开发了电火花 表面强化自动化设备；应用该设备研究了铸铁轧辊自动化电火花表 面强化的工艺并进行了实际应用试验，结果表明设备设计合理，运 转顺畅，大大提高了强化效率且强化层连续、均匀，质量比手工操 作的强化层有较大的提高。f 本研究成果对于提高电火花表面强化的 效率和质量，推动其在大型工件上的实际生产应用，有十分重要的 意义。彤 关键词：铸铁轧辊暖面强化火花) 自动化设备- i - 艺 一一 ， 里竺鲤! ! 旦! 生! ! 堕 ! ! 竺坠竺唑! ! 堂! 塑鲤竺坐坚塑! 竺型l 一 i n v e s t i g a t i o no nt h ea u t o m a t i ce q u i p m e n t a n dt e c h n i q u e so f e l e c t r o s p a r ks u r f a c es t r e n g t h e n i n gf o rc a s ti r o nr o l l a b s t r a c t 。 t h er o l li sa ni m p o r t a n tp a r tc o n s u m e db yr o l l i n gm i l l s t h e s u r f a c ep r o p e r t i e so ft h er o l ld i r e c t l yi n f l u e n c et h ep r o d u c t i v i t yo f r o l l i n gm i l l sa n dt h eq u a l i t y ，t h e c o s to ft h ep r o d u c t s i nt h eh o t 。 r o l l i n gm i l l st h ef a i l u r em o d eo ft h ec a s ti r o nr o l l i s m o s t l yw e a r d u et oi t s b a d l yw o r k i n gc o n d i t i o n b ye l e c t r o s p a r ka l l o y i n g ，t h e s u r f a c ep r o p e r t i e so ft h ec a s ti r o nr o l lc a nb ei m p r o v e da n di t s s e r v i c el i f e p r o l o n g e d b a s e do nm a n u a lt e c h n i q u e s ，t h es t u d y i s c o n d u c t e df o rt h e p u r p o s e o fd e v e l o p i n gak i n do fa u t o m a t i c e q u i p m e n t a n d s t u d y i n g t h e t e c h n i q u e s o fe l e c t r o s p a r ks u r f a c e s t r e n g t h e n i n g f o rc a s ti r o nr o l li no r d e rt o i m p r o v e t h es u r f a c e s t r e n g t h e n i n ge f f i c i e n c yg r e a t l ya n dg a i nb e t t e rs u r f a c ep r o p e r t i e s t h a nm a n u a lo p e r a t i n g s t h em a i nw o r ka n dr e s u l t so ft h i s i n v e s t i g a t i o n a r ea s f o l l o w i n g ：1 ) af e wo fp r o b l e m sw e r ea n a l y z e da n dr e s o l v e d i n t h er e s e a r c ho ft h ea u t o m a t i ce q u i p m e n to fe l e c t r o s p a r ks u r f a c e s t r e n g t h e n i n g f o rc a s ti r o n r o l l ；2 ) a u t o m a t i ce q u i p m e n t o f e l e c t r o s p a r ks u r f a c es t r e n g t h e n i n gf o rc a s ti r o nr o l lw a sd e v e l o p e d s u c c e s s f u l l y ；3 ) t h ea u t o m a t i ce q u i p m e n tw a sp u ti n t o t h es t u d y o ft h et e c h n i q u e s ，a n dp r a c t i c a le x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u t ；4 ) t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tt h ee q u i p m e n ti s d e s i g n e dr e a s o n a b l y t h es t r e n g t h e n i n ge f f i c i e n c yi se x t r e m e l yr a i s e d t h es t r e n g t h e n e d l a y e ri s c o n t i n u o u sa n dw e l l d i s t r i b u t e da n di t s q u a l i t y i sm u c h b e t t e rt h a nm a n u a lo p e r a t i n g s t h e i n v e s t i g a t i o ng i v e s a g r e a t i m p e t u s t o i m p r o v i n ge f f i c i e n c y a n d q u a l i t y o f e l e c t r o s p a r k s u r f a c e s t r e n g t h e n i n g a n d a p p l y i n ge l e c t r o s p a r k s u r f a c e s t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y t ol a r g e s c a l ew o r k p i e c e s l i uf e n g ( m a n u f a c t u r i n ga n da u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f d r z h us h i g e n k e y w o r d s ：c a s ti r o nr o l l ，s u r f a c es t r e n g t h e n i n g ，e l e e t r o s p a r k ， a u t o m a t i ce q u i p m e n t ，t e c h n i q u e s 第一章譬i言 第一带选题背景 冶金轧辊是轧钢郄有色金属轧铡的一项譬要的大宗消糕工具。 生产中频繁换辊既大幅增加劳动强殿，又严重影响轧机效率的充分 发挥，同时使轧材生产成本屠离不下。据不完全统计，2 0 0 1 年我 国板带产量为5 1 9 3 万吨( 其中，薄钢板1 9 2 2 万吨，钢带1 0 0 4 万 吨，矽钢片1 6 8 万吨，中厚钢板2 0 0 9 万吨，特厚钢板9 0 万吨) ， 为轧制这些檄带，全国年需消耗的筑辊折合人民带数十亿元。因 此，以提高轧辊质量和寿命为目的的研究工作具有特别重要的意 义。 冶金轧辊在使用中一般因发生断辊、剥落或磨损落槽、压印而 报废。其中，磨损落稽、压印主要是由予轧材与轧辘摩擦造成的， 破坏程度取决于轧辊表面的硬度和耐磨性能的好坏。尽管网内外对 乾辊避行了大量懿研究工作，毽德稍主要集中在对轧辊酶李芎质、铡 造和热处理工艺的研究上，仪有少量工作是有关轧辊表面强化的。 为达到鞋辊表嚣强化的垂熊，国蠹外一直尝试采震潍焊、喷焊、热 喷涂、镀铬、激光等方法来提高表艨的耐磨性和抗裂性“1 ，但都 未取褥明显效莱。如堆簿工艺对鞔辊翻浑材都有一定的焊接性麓要 求，因而轧辊一般仅限于钢质材料，而焊材也不能使用一些焊接性 笼较麓的裹矮度材料，因戴辕辊麴硬度、耐蘑性等不能褥劐显著提 高。且堆焊工艺的堆焊层不易控制均匀、耗焊料较多：热喷涂、镀 铬剐嬲予涂鼷与基体主要是机槭结会，在热轧条髂下容荔产生剥 落；喷焊则易引起工件变形，多数会发生退火或不完全退火，喷焊 用粉末必须是自熔性合金，喷焊层爨可承受冲击载褥和较籀的接触 应力，但耐磨性不高；大功率激光处理大多数情况下只是对轧辊袭 殛进行淬火处理或者熔凝强纯，结合层虽属冶金结合，但存在裂纹 第一章引言 问题，至今未能有效解决，而且已有的成套国产设备一次投资很高 ( 需数百万元) 、技术复杂，运用成本较高，安全维护困难。 因此，本课题组尝试将“电火花熔覆涂层技术”应用于轧辊的 表面强化处理上。经过大量试验，探索了轧辊的电火花表面强化手 工操作方面的工艺，并在实际生产中进行了应用考核，轧辊的寿命 得到了较大提高“。由于目前国内外的电火花强化设备都是手工 操作的设备，自动化的电火花强化设备还没有，而手工操作最主要 的不足是效率低、加工过程不稳定，尤其是对于加工面积很大的大 型工件而言效率更是低下，质量难以控制，因此实现电火花表面强 化的自动化具有极其重要的应用意义和学术价值。 本课题拟在课题组前期工作的基础上研制自动化电火花强化处 理设备，并研究相应的处理工艺，旨在为电火花表面强化技术进一 步在实际生产中的应用打下良好基础。 第二节关于电火花表面强化的原理、特点及设备 1 原理 电火花表面强化的主要原理：将硬质合金等作为电极材料，利 用电容器在电极( 阳极) 与工件( 阴极) 之间火花放电所产生的能 量，使电极材料熔融甚至气化，涂覆熔渗至工件表面，形成特殊性质 的合金强化涂层。“。即在高温下使电极材料转移到工件表面形 成强化层。强化层具有高硬度、高耐磨、抗腐蚀及红硬性好等特点， 从而显著地提高工件的使用寿命阳“。 图1 1 为电火花表面强化机的结构原理图1 。设备主要由脉冲 电源、振动电源和振动器构成，振动电源向振动器供电，振动器工 作，使夹持在振动器上的电极作与振动电源频率相应的上下往复振 动；同时使电极在工件表面上移动；脉冲电源向电极和工件供电， 使二者之间产生火花放电。 第一章辱 妻 脉 冲 电 i 鳝 回 路 圈i - 1 毫必花强键设餐鑫孽结耱藤瑾圈 墩源 工 乍时，当暾极还没有接触到工件的时候，电源通过限流感阻 r 向电容器c 充电，接着因为电极向工件运动而无限接近工件，使 敖毫鬓路形成逶黪，在火花藏瞧逶黯麓相互接触的微小区域肉凌瞬 时地通过放电电流，电流密度可达到1 0 5 1 0 6 a c m 2 ，而放电时i 司 仅尼ps 至，毛m s 。由予敞电能鬟在时间上和空闻上的高度集中，在 放电微小区域内产生了约5 0 0 0 1 0 0 0 0 离温，使该区的局部材料 熔化甚至气化。并且放漱时产生的压力使部分材料抛离工件或电极 的基体，向周围介质中溅射。此时电极继续向下运动，使电极署【1 工 件上熔化了的材料挤压在一起。由于接触面积扩大和放电电潞减 小，使接触区的嗽漉密发急捌下降，阉时接触电阻也明显减小，凼 此电能不再使接触部分发热。相反，由于空气介质和金属工件蘼体 黪冷却作鼷，熔融的枣季辩被迅速冷却鬻凝爱。接蓑振动器学动魁极 向上运动而离开工件，冷凝的材料脱离电极而粘结在工件上，成为 工件表蘧上的强纯点。黼时，黼放电豳路被断开，宅源羹薪对逵l 容 器充电。这就是电火花强化设备的一次充放电的过程“。重复滔个 充放电过程并移动电极的位置，强化点就糨互重叠和融合，在】一件 表西形成强化层。 2 特点 电火花表委强纯技术不仅越够有效兹改善工件麴表西惶栽如馒 度、耐磨性、抗腐蚀性、导热姆电性能等，而且与其它常用的臻向 处瑾工艺懿热喷涂、堆簿、p v d 、c v d 等栩院还裔以下特点“”8 1 ： 第一章引言 ( 1 ) 零部件可实行表面局部强化，几何形状为平面或曲面均可进 行。 ( 2 ) 不会使工件退火或热变形。 ( 3 ) 强化层与基体的结合为冶金结合，非常牢固，不易发生剥落。 ( 4 ) 可通过改变电极材料及调节电参数等因素获得不同的工艺效 果。 ( 5 ) 操作方法容易掌握，不需技术等级高的操作人员。 3 设备 不论是手工操作还是自动化设备，都需要装备电火花表面强化 机。强化机中的脉冲电源对工件表面质量和强化层厚度都有重要的 影响，不同的脉冲电源得到的工件强化层厚度和表面质量也不同。 按脉冲电源不同，目前的电火花强化机可分为以下几类。 ( 1 ) r c 脉冲电火花强化机 采用直流电源，利用电阻( r ) 一电容( c ) 充放电产生脉冲。强化 电极接电源正极，工件接负极，强化电极在振动器带动下周期性地与 工件表面接触而产生脉冲放电，即电火花放电。此设备操作简便，输 出功率大，强化速度快。r c 脉冲电火花强化时：工作电压3 0 7 0 v ，工作电流5 a ，电容量c 为2 0 0 1 0 0 0uf 。图1 2 为r - c 脉冲电火花机结构原理图n ： 图l 一2r c 脉冲电火花强化机结构原理图 第一章引言 ( 2 ) 矩形波脉冲电火花强化机 矩形波脉冲电火花强化机采用矩形波脉冲电源，占空比、脉冲 频率、峰值电压均可调节。脉冲高电平接强化电极，低电平接工 件，强化电极采用旋转法接触工件表面，在脉冲电流作用下产生电 火花，从而起到强化作用。矩形波保留了r c 脉冲强化的功能，由 于它的参数调节范围大，电火花的强弱可灵活控制，其处理后工件 的表面质量易控制。电火花强化时：峰值电压3 0 7 0 v ，平均工作 电流4 a ，频率f 为0 5 5 k h z ，占空比q 为1 0 8 0 。图1 3 为矩形波脉冲电火花强化机结构原理图o 3 ： 工件 图1 - 3 矩形波脉冲电火花强化机工作原理图 ( 3 ) ig b t 开关控制脉冲放电电火花强化机 i g b t 开关控制脉冲放电电火花强化机采用旋转电极，其主要 特点：应用自适应受控放电的原理，并采用全控型开关元件i g b t 控制设备充放电过程，并设计一套控制回路，提高放电能量，使强 化过程更加稳定可靠，获得比较满意的强化质量。控制元件i g b t 导通特性好，易向高电压、大电流、高频率扩展，因此可提高设备 的强化功率及脉冲频率，可改善设备工作稳定性，提高强化速度和 强化质量。电源主回路采用变压器变压、全波整流、电容器滤波来 实现从交流到直流的变换，转换电路检测强化电容两端的电压并转 换成控制电路可识别的信号。图1 4 为i g b t 开关控制脉冲放电主 回路原理图”“。 第一章引裔 图1 - 4i g b t 控制脉冲放电主阐路 这三釉强化机各有其优缺点，使用对要根据具体工件条件鄹强 化层厚度及质量要求合理选择。 裁本课题嚣富，一方面考虑到试验对象n i c r m o 无限冷嫒铸铁 耗辗的强化加工嚣积较大，嚣要鲶强纯屡较厚；另一方委考虑到实 验室具体条件和藩期工作经验，因此选耀了r 。c 脉冲电火花强化 祝。 第三节电火花表面强化的自动化设备 电火花表面强化的手工操作效率很低，强化层质量不稳定，实 现强化过程的机械化和囱动化是电火花表面强化技术今后的发展方 向“23 ，其重要意义在于： ( 1 ) 使强化过程的电气、机撇和状态参数稳定，从聪获褥良好的 燃栽一致豹强化层。 ( 2 ) 在耀图鑫皇强忧规准下，与手工相比，霹获褥筵均匀鞠粗糙度 熨细的强纯层。 ( 3 ) 在甭大功率强纯设备进行强仡鼷厚度较大韵电火花强化时， 受能保障强纯层的致密憔和均匀性，几乎是手工操作所不能 代替的。 ( 4 ) 可以提高强化的生产效率，极大地减轻工人的劳动强度。这 在进行强化面积大、强化层较厚的成形表面加工时更为突 出。 帮章飞l 最简单的机械化强化装置通常融三个部分组成“。 ( 1 ) 脓滓电源：蓠述酶三静脉渖毫源设备均可雳予毫蓬攘纯帮自习 化，本课题采用了r c 脉冲电火花强化机。 ( 2 ) 电极头：手工操作用的电极头都是振动式或旋转式的，它们 都爵用予自动纯设备中，本漾题采羽了逶耀予r c 糠律电火 花强化机的振动式电极头。 ( 3 ) 工件夹持与机械传动装麓：对于大型或形状复杂的工件魄如 大型轧辊需要设诗专f l 赫支撑稠夹持装麓。电极与工件熬还 动和强化过程的实现需要较精密的机械传动装簧实现。 尽管电火花强化的机械纯和自动化院手工操作具有漫著醚优 点，但囊兹国内终还没蠢比较成熟的自动化设备，燹没有缝够璃品 化并形成市场的设备，主要原因是设计困难较大，必须解决的涮越 较多，氆括下述几方面： ( 1 ) 电极翻工件的相互运动形式的确定：这从根本上决定了然台 形成较大面积的连续的、没有瑕疵的强化层。 3 0 1 t n l 。 分析试验结果，当选用2 6m i l l 2 的电极和2 4 0i i f 的电容量时， 轧辊转速l o o s r ，强化次数3 次后，强化层的厚度可达到31l h i ，表 面粗糙度为3 6 3 21 t n l ，或轧辊转速8 4 s r ，强化次数5 次后，强化层厚 度可达3 3u 玛表面粗糙度为4 7 3 8p 吐此两种工艺的共同缺点是加 工时间长、效率低，表面粗糙度也较大。 3 0 第五章轧辊的自动化电火花表面强化应用试验 第三节与强化层表面粗糙度有关的工艺参数的确定 根据前面试验归纳的自动化电火花表面强化工艺规律，选用小 电容量、小截面电极、较慢的轧辊转速可以达到降低强化层表面粗 糙度的目的。但为了首先满足强化层厚度的要求，必须采取较大的 电容量和大截面电极。为满足效率要求还必须采用较快的轧辊转 速，然而较好的表面质量又确实是生产实际所要求的。为了解决这 一矛盾，进行了以下试验研究：先采用大电容量、大截面电极进行 强化处理，以得到较厚的强化层和较高的生产率；再采用小电容 量、小截面电极进行二次强化处理，以达到均匀强化颗粒、补足强 化空隙、降低表面粗糙度的目的。 试验过程如下：先用2 4 0u f 的电容量和2 5 砌2 的电极在轧辊 转速为8 0 s r 时对轧辊进行3 次强化，观察其形貌；再用l8 0 “f 的 电容量和2 2i n t o2 的电极在轧辊转速为8 4 s r 时对轧辊进行1 次强 化。 图5 - 1 小电容量、小截面电极二次强化前后的表面形貌 实验结果如图5 1 和表5 1 所示。 表5 1 二次强化前后的效果比较 厚度u mir a p m 二次强化前 2 6 i 4 3 5 2 二次强化后3 li3 4 1 7 所得强化层的厚度和粗糙度基本能够满足生产需要。 第五章轧辊的自动化电火花表面强化应用试验 第四节电火花表面强化自动化设备的应用试验 为了进一步检验自动化设备的工作能力及强化层质量，结合上 述的工艺，在n i c r m o 无限冷硬铸铁轧辊上进行了应用试验。 试验过程：设备连续工作3 小时，对轧辊进行强化，期间以风 冷形式给长期工作的电极降温。整个过程中设备运转顺畅；强化电 极振动稳定，没有停顿、抖动等异常现象；设备各部温度正常。强 化层连续、无明显瑕疵，比手工操作所得的强化层宏观表面更平 整，均匀，如图5 2 所示。 图5 - 2 应用试验所得强化层表面形貌 设备的生产效率比手工操作有大幅提高。手工强化一根轧辊大 约需要一个人不间断工作十几个小时，而单强化头的自动化设备只 需5 6 个小时就可完成，为了进一步提高生产效率，还可以采用 多组电极同时强化的方法，使强化效率成倍提高，这个工作将在今 后继续进行。 试验表明，本课题设计制造的电火花表面强化自动化设备可大 幅提高强化效率并得到性能优于手工操作的强化层。经过进一步的 完善，设备可以应用于实际生产中。 第五节本章小结 1 为满足强化层厚度的要求，选用了大电容量、大截面电极、慢的 轧辊转速和长的强化时间，但效率较低，强化层的表面粗糙度也较 大。 第五章轧辊的自动化电火花表面强化应用试验 2 采用在大电容量、大截面电极强化的基础上，以小电容量、小截 面电极进行二次强化的方法，所得结果符合生产需要。 3 在一定时间的不间断应用试验中，设备运转顺利，所得强化层连 续、均匀，质量较好。本设备完全可以替代手工操作并应用于生 产。 第六章结论 第六章结论 1 电火花表面强化是一种有效的表面强化技术，但目前以手工操作 为主，强化效率低下，难以实际应用于大型工件的强化。本课题以 轧辊手工电火花表面强化研究为基础，选择研制国内外普遍关心的 旨在大幅提高效率的电火花表面强化自动化设备及其强化工艺作为 研究内容具有重要的学术价值；课题选择铸铁轧辊作为自动化表面 强化处理的具体应用对象具有现实的应用意义。 2 轧辊的主要性能指标是芯部强度、工作层的耐磨性以及韧性。轧 辊的主要失效形式是磨损。改善铸铁轧辊表面性能可提高铸铁轧辊 的使用寿命。 3 在解决了一系列的难点问题，包括机械传动装置的设计、电极材 料的选择、电容量的选择、轧辊和电极的相互运动形式及参数的确 定、电极的进给及压力控制等问题之后，研制成功了轧辊的电火花 表面强化自动化设备。 4 利用电火花表面强化自动化设备，在n i c r m o 无限冷硬铸铁轧辊 上研究了轧辊自动化强化的工艺。 5 用自制的自动化电火花表面处理设备按上述工艺进行了应用试 验。试验结果表明本课题设计的电火花表面强化自动化设备能大幅 提高铸铁轧辊的表面强化生产效率；强化层连续、均匀、质量较 好，符合实际生产要求。 童耋塞鳖一 【2 0 】 【2 1 】 参考文献 谭昌瑶筹主编，实翔袭嚣工程控术，j 隶：赣艇健出叛桂，1 9 9 8 钱苗根等，现代表面技术，北京：机械工业出版社，1 9 9 9 雷廷权等，金属热处理工艺方法5 0 0 种。j t 京：机械工业出敝社，1 9 9 8 狄平，铸铁茕糍的毫火花表露强健，东肇犬学联士学靛论文，2 0 0 2 1 ：3 5 狄平，朱世根，电火楚表露强化技术的研究进展，东华大学学报，2 0 0 1 ， ( 2 ) ： 1 1 0 - l i3 寒氆摄，施群，毫火花表露强讫工艺及设备，糗壤设计与剁造，2 0 0 2 ，( 6 ) ：8 0 8 l 陈钟燮，电火花表蕊强仡工艺，就京；梳藏工监出敝衽， 1 9 8 7 彭其风等，奄火花放电硬他，金属热处理，1 9 8 3 ， ( 6 ) ：1 4 2 0 苏庭礼，高速钢刀具的电火花处理天溥机械，1 9 8 l g h a b r i a lr e b e i dsj ，t h ee f f e c to fe l e c t r o s p a r k h a r d e n i n go n t h ew e a r r e s i s t a n c eo fh i g hs p e e d s t e e l ，w e a r ，1 9 8 1 ，( 7 1 ) ：3 4 7 3 5 4 魏宪民，电火花表瘸强化工艺及成用，工具技术，1 9 9 6 ，3 0 ( 11 ) 陈锺燮，电火花表瑟箍讫工芑，靶索：梳壤工照出叛丰圭，1 9 8 7 歪德文等，摸其实用技术2 0 0 铡，她寰：冶金工业出版挂，1 9 8 4 攀志忠激光表面强化，北京：机械工业出版社1 9 9 2 ，( 10 ) 涯泓宏，田民波，离子束表面强他，北京：辊械工业出版社，1 9 9 2 ，( 3 ) 刘詈舂，特争争翔工技术，l 寨：嗣赫工救出舨毂，1 9 9 4 。 徐滨士，表面涂层披术，机械工业出版社，19 9 6 v a i d y a n a t h a ns ，r e d u c i n gw e a ro fh i g h s p e e ds t e e lc u t t i n gt o o l sb ys p a r k h a r d e n i n g ，w e a r ，1 9 7 0 ，( 1 6 ) ：2 5 5 2 6 0 a g a n g a d h a r ，m s s h u n m g a m a n dp k + p h i l i p s u r f a c em o d i f i c a t i o n e l e c h o d i s c h a r g ep r o c e s s i n gw i t hap o w d e rc o m p a c tt o o te l e c t r o d e ，w e a r ， l9 9 9 ( 1 4 3 ) ：4 5 5 5 潘国顺，曲敬信，新型脉冲放电电火花袭箭强化设备，电加二【= 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