一種手持式高速電弧加工設(shè)備及方法
【專利摘要】一種手持式高速電弧加工設(shè)備及方法屬于特種加工設(shè)備領(lǐng)域。該設(shè)備包括殼體、電機、聯(lián)軸器、主軸、連接法蘭、變幅桿、防護罩、電刷、導(dǎo)電砂輪、手柄、超聲波發(fā)生器、電弧加工控制電源；電機通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)；所述的變幅桿穿過殼體下端與導(dǎo)電砂輪固定連接，且相互之間絕緣；所述的主軸通過連接法蘭帶動變幅桿旋轉(zhuǎn)，變幅桿的振幅和振動頻率參數(shù)通過超聲波發(fā)生器進行調(diào)節(jié)；所述的導(dǎo)電砂輪通過電刷與電弧加工控制電源的陰極相連。本發(fā)明集合了高速電弧、超聲振動和磨削三種加工方式，通過組合各加工方式材料去除率可達普通電火花加工的6～8倍，部分材料可達10倍以上，特別適合大型和不可移動廢舊機械零部件表面疲勞層的現(xiàn)場修復(fù)加工。
【專利說明】一種手持式高速電弧加工設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種特種加工設(shè)備及方法，尤其是涉及一種手持式高速電弧加工設(shè)備及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當前，高速線材輥、冷軋工作輥、石油鉆桿耐磨帶和渣漿泵等關(guān)鍵零件由于附加值高已成為裝備維修和再制造的一個重要組成部分。對該類零件進行維修和再制造時，必須先去除其表面疲勞層，然后應(yīng)用各種高新技術(shù)進行表面修復(fù)，最后再通過機械加工的方式恢復(fù)其表面幾何形狀，使其達到加工精度，滿足使用要求。該類零件的修復(fù)加工通常具有以下三個特點:(1)該類零件的表面通常經(jīng)過熱處理，具有硬度高、耐磨損、耐腐蝕的特點，這給表面疲勞層的去除帶來了極大的困難。(2)該類零件通常體積大、重量沉、裝夾困難，其維修和再制造加工主要以現(xiàn)場加工為主。(3)部分機械設(shè)備在戶外使用條件下，銹蝕、渣土、混凝土等雜質(zhì)非常堅固地粘附在零件表面上，進一步增加了表面變質(zhì)層的去除難度。
[0003]傳統(tǒng)的表面疲勞層去除方法主要有磨削、“紅車”(將工件加熱至800?1000°C車肖IJ)或使用硬質(zhì)合金刀具切削等加工方式。這些加工方式加工精度較高，但普遍存在加工效率低、加工成本高、加工周期長，工件裝夾困難等缺點。特別是許多硬質(zhì)合金刀具還需通過國外進口的方式購得，價格昂貴，難以滿足超硬材料高效低成本加工的要求。堅固粘附在零件表面上的渣土和混凝土等雜質(zhì)也極易降低刀具使用壽命，增加加工成本。目前，國內(nèi)外用于硬面材料的非傳統(tǒng)加工方法主要有碳弧氣刨加工技術(shù)、電熔爆加工技術(shù)、短電弧加工技術(shù)及電火花加工技術(shù)等。這些技術(shù)在一定程度上能解決部分硬面材料的加工難題，但也存在許多不盡人意的地方。如碳弧氣刨加工技術(shù)效率較低，工人勞動強度相當大，工件加工后還有夾碳、滲碳、失圓度大等問題。電熔爆加工技術(shù)加工效率很高，但工作穩(wěn)定性差，加工噪聲大、環(huán)境與噪聲污染嚴重。電火花加工時工件必須浸入油池，不但加工效率低下，而且還受工件尺寸的限制。
[0004]高速電弧加工技術(shù)以其加工效率高、加工成本低等優(yōu)點而被應(yīng)用于廢舊機械產(chǎn)品表面疲勞層的去除，該加工方法是將工具和工件分別與高壓脈沖電弧電源兩端相連，當兩電極間隙距離減少到電場強度足夠大時，兩極之間產(chǎn)生火花放電，從而將工件電極金屬熔化并沸騰，再在外力的作用下將熔化的金屬去除。但目前高速電弧加工還很難應(yīng)用于大型或不可移動零件表面疲勞層的現(xiàn)場加工，主要原因有:(1)當前絕大部分高速電弧加工設(shè)備的附屬設(shè)備多，占地面積大，在再制造加工過程中存在裝夾費時、效率較低、不易操作等困難。(2)在傳統(tǒng)的高速電弧加工設(shè)備中，工具電極和工件電極均固定在基座或支撐架上，其放電間隙通常通過自動進給控制系統(tǒng)進行控制，易于實現(xiàn)；但該類設(shè)備難以實現(xiàn)手持式加工，不利于大型不可移動零部件的現(xiàn)場修復(fù)(放電間隙過大，絕緣介質(zhì)不易擊穿，難于形成放電通道；放電間隙過小，又易短路，損壞設(shè)備)。(3)對于一些野外作業(yè)設(shè)備而言，堅固粘附在零件表面上的銹蝕、渣土和混凝土等雜質(zhì)通常不導(dǎo)電，很難應(yīng)用高速電弧加工方法進行加工。因此,研發(fā)一種針對大型廢舊機械產(chǎn)品表面疲勞層的具有加工效率高、成本低,便于手持，適于現(xiàn)場加工，滿足多種材料加工需求等優(yōu)點的高速電弧加工設(shè)備顯得尤為迫切。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的就是為解決上述問題，提供一種加工效率高、加工成本低，便于手持，適于現(xiàn)場加工的手持式高速電弧加工設(shè)備及方法。
[0006]高速電弧加工的關(guān)鍵技術(shù)之一就是控制合理的放電間隙，放電間隙過大，工具電極和工件電極無法擊穿極間介質(zhì)，形成電弧放電通道；放電間隙過小，工具電極和工件電極又極易短路，達不到材料去除的目的。為達到上述要求，傳統(tǒng)的高速電弧加工裝置，其工具電極和工件電極均固定在基座或支撐架上，放電間隙可通過自動伺服進給系統(tǒng)進行精準控制。而手持式高速電弧加工裝置采用手持操作，人工控制，其放電間隙隨機性強。解決隨機放電間隙下極間介質(zhì)的擊穿電離和放電通道的形成是實現(xiàn)手持式高速電弧加工的關(guān)鍵技術(shù)之一。日本電氣通信大學(xué)的石田與竹內(nèi)曾運用一個螺旋壓縮彈簧和一個有形狀記憶功能的伸長式彈簧，制成“自動放電間隙控制器”，可實現(xiàn)工具電極與工件電極放電間隙的自動調(diào)節(jié)。但該控制器也必須安裝在固定軸上，亦無法實現(xiàn)手持條件下隨機放電間隙的放電要求。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明將工具電極安裝在小型超聲振動裝置的變幅桿上，通過調(diào)節(jié)變幅桿的振幅和頻率來控制放電間隙的大小和放電時間的長短，以滿足手持條件下隨機放電間隙的放電要求。其基本原理和工作過程是:采用手持式高速電弧加工時，其放電間隙很難人為控制，受工具電極自身重量和人工操作隨機性的影響，工具電極將不可避免的工件電極相接觸并產(chǎn)生短路。將工具電極安裝在變幅桿上，可以以工件電極為支撐點，利用變幅桿的往復(fù)振動將工具電極迅速彈離工件表面，從而使工具電極與工件電極重新處于開路狀態(tài)。工具電極彈離工件電極表面后，在自身重力的作用下，又將繼續(xù)朝工件表面下落，放電間隙不斷縮小。隨著放電間隙的不斷變化，工具電極與工件電極之間的放電狀態(tài)將依次經(jīng)歷空載、火花放電、電弧放電、過渡電弧放電和短路等五個過程。相對于電弧放電和過渡電弧放電時間而言，火花放電時間較短，通常為其1/15?1/20，因此整個放電過程以電弧放電為主。實踐證明，采取適當?shù)碾娀》烹娺M行加工，其加工效率是傳統(tǒng)電火花加工效率的6?8倍，對部分加工材料可達10倍以上。當工具電極接觸工件電極表面短路后，又將在變幅桿的作用下，彈離工件電極表面，從而使工具電極和工件電極重新處于開路狀態(tài)。重復(fù)上述過程，工具電極與工件電極之間就可產(chǎn)生連續(xù)的電弧放電。通常，變幅桿的振幅越大，放電間隙越大；頻率越高，放電時間越短。通過設(shè)置不同的振幅和頻率，可實現(xiàn)粗加工、半精加工、精加工和表面處理等多種功能。實踐證明，變幅桿振幅在I?20μπι之間為宜，頻率在10?80Khz之間為宜。
[0008]為進一步提高加工效率，本發(fā)明采用導(dǎo)電砂輪作為工具電極，砂輪在進行高速電弧放電加工的同時還以變幅桿為軸進行旋轉(zhuǎn)，一方面便于切斷工具電極與工件電極之間的電弧，冷卻電極；另一方面，還可通過砂輪的磨削作用加快電腐蝕材料的去除。
[0009]但砂輪的運動通常為周向旋轉(zhuǎn)運動，利用砂輪圓周面進行加工；而變幅桿的振動方向為軸向往復(fù)運動。砂輪的工作形面與變幅桿的振動方向不一致，一方面加大了放電間隙的控制難度，另一方面也導(dǎo)致加工過程中能量損耗較大，對超聲發(fā)生器的功率要求較高。而超聲發(fā)生器的功率越高，其體積越大，重量越沉，不適合進行手持式加工。利用砂輪的端面進行電弧放電并磨削加工，雖可較好的解決放電間隙的控制問題，但砂輪很難得到冷卻液的充分冷卻，燒毀嚴重，使用壽命較短。為解決上述問題，本發(fā)明中將導(dǎo)電砂輪做成球冠形，利用導(dǎo)電砂輪的球冠面進行電弧放電并磨削加工。該設(shè)計可確保砂輪的工作形面與變幅桿的振動方向相一致，且由于球冠面的等半徑，使得工具電極與工件電極之間的隨機放電間隙更易得到控制。球冠形的砂輪與工件接觸時通常為線面接觸，該接觸方式便于砂輪冷卻，可有效提高砂輪使用壽命。與傳統(tǒng)的圓盤形導(dǎo)電砂輪相比，球冠形導(dǎo)電砂輪可使超聲發(fā)生器的能量損耗率可降低60%?80%,砂輪使用壽命提高2?3倍。為便于手持,導(dǎo)電砂輪球冠的半徑以200?250_為宜，球冠高度以8?12_為宜。為確保砂輪的旋轉(zhuǎn)不影響變幅桿對放電間隙的調(diào)節(jié)，砂輪轉(zhuǎn)速通常在30?50r/min之間。
[0010]本發(fā)明可實現(xiàn)以下功能:
[0011]通過導(dǎo)電砂輪與工件之間的高速電弧放電加工，可實現(xiàn)廢舊機械產(chǎn)品表面疲勞層的快速去除。
[0012]通過導(dǎo)電砂輪的超聲振動加工，可快速去除廢舊裝備表面的銹蝕、渣土、混凝土等雜質(zhì)。
[0013]通過導(dǎo)電砂輪的旋轉(zhuǎn)，一方面便于切斷工具電極與工件電極之間的電弧，并冷卻電極；另一方面，可通過砂輪的磨削作用加快電腐蝕材料的去除，從而提高電弧加工效率。
[0014]本發(fā)明具體實施方案如下:
[0015]一種手持式高速電弧加工設(shè)備，包括殼體、電機、聯(lián)軸器、主軸、連接法蘭、變幅桿、電刷、防護罩、導(dǎo)電砂輪、手柄、超聲波發(fā)生器、高速電弧加工控制電源、工作液輸入輸出裝置和砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕，其中所述電機、聯(lián)軸器、主軸、連接法蘭均置于殼體內(nèi)，電機通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)。
[0016]所述變幅桿穿過殼體下端與導(dǎo)電砂輪固定連接，且相互之間絕緣。
[0017]所述主軸通過連接法蘭帶動變幅桿旋轉(zhuǎn)，變幅桿的振幅和振動頻率參數(shù)可通過超聲波發(fā)生器進行調(diào)節(jié)。
[0018]所述導(dǎo)電砂輪通過電刷與電弧加工控制電源的陰極相連；電刷固定在防護罩上，且與防護罩絕緣。砂輪轉(zhuǎn)速可通過砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)，通常在30?50r/min之間。
[0019]所述導(dǎo)電砂輪為球冠形，其半徑R在200?250mm之間，球冠高度h在8?12mm之間。
[0020]所述手柄與殼體固定連接，砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕安裝在手柄上。
[0021]所述變幅桿振幅越大，放電間隙越大；運動頻率越高，放電時間的越短。變幅桿的振幅范圍一般在I?20 μ m，振動頻率一般在10?80Khz。
[0022]所述工作液輸入輸出裝置可控制工作液的開和關(guān)。
[0023]所述電弧加工控制電源的脈沖放電寬度在l(T3s?KT1S之間，占空比在90%?95%之間，電流強度在IOA?20A之間，其脈寬、峰值電流等參數(shù)可通過電弧加工控制電源調(diào)節(jié)。
[0024]本發(fā)明具有如下優(yōu)點:
[0025]1.結(jié)構(gòu)緊湊，重量輕，便于手持，尤其適合于大型和不可移動廢舊機械零部件表面疲勞層的現(xiàn)場修復(fù)加工。
[0026]2.功能多，效率高。該手持式高速電弧加工設(shè)備集合了高速電弧、超聲振動和磨削三種加工方式，通過超聲振動加工可方便快捷地去除待修復(fù)表面疲勞層的泥土、混凝土、銹蝕等雜質(zhì)；通過高速電弧-磨削加工可快速高效的去除金屬材料的表面疲勞層,且不受材料硬度的影響，材料去除率可達普通電火花加工的6?8倍，部分材料可達10倍以上，特別適合大型和不可移動廢舊機械零部件表面疲勞層的現(xiàn)場修復(fù)加工；通過設(shè)置不同的工藝參數(shù)，可實現(xiàn)粗加工、半精加工、精加工和表面處理等多種功能。
[0027]3.加工性能好。采用高速電弧加工時，被加工表面只是在局部產(chǎn)生瞬間高溫，在工作液的充分冷卻下，加工熱量很少向基材內(nèi)部傳遞，不破壞基體內(nèi)部組織，也不會在表層產(chǎn)生裂紋。該特性對保持再制造產(chǎn)品的表面完整性，確保再制造產(chǎn)品質(zhì)量和性能達到或超過新品具有重要意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029]圖中，I電機,2殼體,3聯(lián)軸器,4主軸,5連接法蘭,6變幅桿,7電刷,8防護罩,9導(dǎo)電砂輪，10工作液輸出管，11手柄，12超聲波發(fā)生器，13電弧加工控制電源，14工作液輸入輸出裝置，15砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕。
[0030]圖2導(dǎo)電砂輪形狀示意圖
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步說明。
[0032]如圖1，電機1、聯(lián)軸器3、主軸4、連接法蘭5均置于殼體2內(nèi)，電機I通過聯(lián)軸器3帶動主軸4旋轉(zhuǎn)。主軸4通過連接法蘭5帶動變幅桿6旋轉(zhuǎn)。變幅桿6穿過殼體2下端與導(dǎo)電砂輪9固定連接，且相互之間絕緣。導(dǎo)電砂輪9通過電刷7與電弧加工控制電源13的陰極相連；電刷7固定在防護罩8上，且與防護罩絕緣。砂輪轉(zhuǎn)速可通過砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕15進行調(diào)節(jié)，砂輪轉(zhuǎn)速通常小于50r/min，過大則影響變幅桿振幅對放電間隙的調(diào)節(jié)。變幅桿6的振幅和振動頻率參數(shù)可通過超聲波發(fā)生器12進行調(diào)節(jié)，變幅桿振幅越大，放電間隙越大；運動頻率越高，放電時間的越短。變幅桿的振幅范圍一般在I?20μπι，振動頻率一般在10?80Khz。手柄11與殼體2固定連接，砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕15安裝在手柄上。工作液輸入輸出裝置14可控制工作液從工作液輸出管10的輸出與關(guān)閉。
[0033]下面以水泥磨輥的表面疲勞層的去除為例進行說明。
[0034]水泥磨棍使用一段時間后,其表面會產(chǎn)生破損。對破損表面進行修復(fù)時必須先去除其表面疲勞層，然后再應(yīng)用各種高新技術(shù)進行修復(fù)。然而該類零件通常經(jīng)過表面處理，表面硬度高達60HRC以上；特別是使用過程中，各種雜質(zhì)如水泥粉堅固地粘附在零件表面，給表面疲勞層的去除帶來極大的困難。傳統(tǒng)的切削加工面臨加工零件體積大，不易裝夾，刀具磨損快，加工效率低等難點；使用電加工又面臨水泥粉等雜質(zhì)不導(dǎo)電等問題。采用手持式高速電弧加工設(shè)備可較好的解決該問題。
[0035]首先通過導(dǎo)電砂輪的超聲振動可去除粘附在水泥磨輥表面的銹蝕、渣土、混凝土等雜質(zhì)，變幅桿的振幅和頻率通常設(shè)定在6 μ m和70Khz左右。去除零件表面雜質(zhì)后，即可采用高速電弧加工方式去除表面疲勞層。通過控制變幅桿的振幅和頻率來控制放電間隙的大小和放電時間的長短，根據(jù)材料去除的需要，變幅桿的振幅通常在I?20 μ m，振動頻率一般在10?80Khz。脈沖放電寬度在10、?KT1S之間，占空比在90%?95%之間，電流在IOA?20A之間，其脈寬、峰值電流等參數(shù)可通過電弧加工控制電源調(diào)節(jié)。材料去除率最大可達普通電火花加工的8倍。加工過程中使用的工作液為皂化液。
【權(quán)利要求】
1.一種手持式高速電弧加工設(shè)備，其特征在于:包括殼體、電機、聯(lián)軸器、主軸、連接法蘭、變幅桿、電刷、防護罩、導(dǎo)電砂輪、手柄、超聲波發(fā)生器、電弧加工控制電源、工作液輸入輸出裝置和砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕； 所述的電機、聯(lián)軸器、主軸、連接法蘭均置于殼體內(nèi)，電機通過聯(lián)軸器帶動主軸旋轉(zhuǎn)； 所述的變幅桿穿過殼體下端與導(dǎo)電砂輪固定連接，且相互之間絕緣； 所述的主軸通過連接法蘭帶動變幅桿旋轉(zhuǎn)，變幅桿的振幅和振動頻率參數(shù)通過超聲波發(fā)生器進行調(diào)節(jié)； 所述的導(dǎo)電砂輪通過電刷與電弧加工控制電源的陰極相連；電刷固定在防護罩上，且與防護罩絕緣；砂輪轉(zhuǎn)速通過砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕進行調(diào)節(jié)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手持式高速電弧加工設(shè)備，其特征在于: 所述的導(dǎo)電砂輪為球冠形，其半徑在200?250mm之間,球冠高度在8?12mm之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種手持式高速電弧加工設(shè)備，其特征在于: 所述的手柄與殼體固定連接，砂輪轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)旋鈕安裝在手柄上。
4.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種手持式高速電弧加工設(shè)備的方法，其特征在于: 砂輪轉(zhuǎn)速在30?50r/min之間。
5.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種手持式高速電弧加工設(shè)備的方法，其特征在于: 變幅桿的振幅范圍在I?20 μ m，振動頻率在10?80Khz。
6.應(yīng)用權(quán)利要求1所述的一種手持式高速電弧加工設(shè)備的方法，其特征在于: 電弧加工控制電源的脈沖放電寬度在10_3s?KT1S之間，占空比在90%?95%之間，電流強度在IOA?20A之間。
【文檔編號】B23K9/32GK103752989SQ201410014679
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月13日
【發(fā)明者】唐修檢, 時小軍, 張保國, 王健全, 王龍, 李洋, 王望龍, 楊軍偉, 王朋曉, 徐文靜 申請人:中國人民解放軍裝甲兵工程學(xué)院