電火花刻傷在無（wú）損檢測技術中的應用-特種加工（gōng）機床網-數控機（jī）床市場網

您現在的（de）位置：特種加工機床網> 技術前沿>電火花刻（kè）傷（shāng）在無損檢測技術中的（de）應用

電火（huǒ）花刻傷在無損（sǔn）檢測技（jì）術中的應用

2017-7-11 來（lái）源：北京理工大（dà）學作者：張衛（wèi）民，邱忠超，秦峰，李宇峰

摘要：基於電火（huǒ）花刻傷的（de）原理研製出新一代刻傷設備———ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數控電（diàn）火花刻傷機，描述了新（xīn）型電火花刻傷機的結構特點和工作原理。通過對平板試（shì）件與圓管試件進行人工刻傷，驗證該設備的加工試驗效果。結果表明：ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數控電火花刻傷機性能先（xiān）進，能滿（mǎn）足刻蝕微小傷型的需求（qiú），且技術成（chéng）熟、加工性能穩定，可（kě）以滿足於航空、核（hé）電、鐵路、壓力容器等行業的檢測需求。

關鍵詞（cí）：電火花刻傷；人工缺（quē）陷；ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數控電火花刻傷機；圓管刻傷

在無損檢測技（jì）術（shù）領域，標準試塊的（de）製作十分（fèn）重要。因為超聲、渦流等儀器的檢測靈敏度和精度等技術指標，必須通過標（biāo）準試塊的缺（quē）陷（xiàn）進行標定。標準（zhǔn）人（rén）工缺陷的加工方（fāng）式主要有機械加工式、化學腐蝕式和電火花（huā）加工式。機（jī）械加工一般指精密機床加工，製作比較方便，但它對微小缺陷難以保證精度，成品（pǐn）率低；化學腐蝕是利用腐蝕的時間長短來控製缺陷深淺，難以達到（dào）較低的粗糙度；電火花加（jiā）工則能適應微小缺陷（xiàn）形狀加工（gōng），在微小缺陷檢測（cè）技術研究中應用廣泛［１］。刻傷技術的研究，為標準缺陷的製作提供了實際技術手段。一些無損檢測方法如超聲檢測（cè）等，通常采用（yòng）圓孔當量尺寸計算的方法評定誤差［２］，但這種方法存在下（xià）列問題。第一，實際（jì）工程結構的（de）損傷檢測，特別是疲勞損傷（shāng）的（de）檢測，還是以和槽型傷（shāng）相近似（sì）的（de）裂紋缺陷（xiàn）為主，用圓孔代替槽型（xíng）傷（shāng），在超（chāo）聲檢測中存在聲學反（fǎn）射機製（zhì）不一致等（děng）諸多問題，盡管電火花小孔（kǒng）機容易加工尺寸（cùn）和形狀精確的微小圓孔，但實際檢測時，會存在（zài）較大誤差；第二（èr），現有一些重要零件如飛機（jī）葉片等，由（yóu）於此（cǐ）前技術手段限製，規定的缺陷標準過於寬泛，難以適應（yīng）高溫、高載、高速（sù）的技術要求。隨著現（xiàn）代工業技（jì）術的發展，對微小缺陷的檢測能力要求不斷提升，以便早期發現缺陷（xiàn），將裂紋（wén）等缺陷（xiàn）消滅於萌（méng）芽狀態中（zhōng）。事實上，對於（yú）一些重要零件，尤其是航空產（chǎn）品，是不（bú）允許有裂紋等缺陷出現的，隻要發現超標缺（quē）陷，即可判廢（fèi）。此外尚有激光微刻等技術手段可（kě）以實現微小槽型缺陷的製作，但由於（yú）多種因素影響，加工出（chū）的（de）缺陷類型重複度差，幾何精（jīng）度難以準確（què）評價，因而在無損（sǔn）檢（jiǎn）測技（jì）術領域，激光加工等技術加工的缺（quē）陷並不適用，一致公（gōng）認的還是電火花刻（kè）傷技術的應用。

電火花刻傷技術是利用電火花高溫蝕刻（kè）效應製（zhì）作標準人工缺陷，是電火花加工技術在無損檢（jiǎn）測（cè）技術領域的拓展。在加工電（diàn）極精度較好的情（qíng）況下，人（rén）工缺陷的尺寸和幾何形狀精度（dù）能得到較好保（bǎo）證，且重（chóng）複度較高，可以精確製作出寬（kuān）度為０．０８～０．１ｍｍ的槽型缺陷，而（ér）此範圍的槽型缺（quē）陷在（zài）無損檢測技術領域屬於公認的微小傷型，符合國際上包括美國在內的各種檢（jiǎn）測標準，尺度更（gèng）小的標準（zhǔn）缺陷目（mù）前尚無可靠加工製備方法。盡管電火花刻傷技術比較成熟，華中數（shù）控等很多企（qǐ）業都有類似（sì）產品，但在無（wú）損（sǔn）檢測技術領域，還有（yǒu）進一步推廣應用的（de）潛力，同時（shí）在設備研製（zhì）方（fāng）麵還有繼續豐（fēng）富其功（gōng）能的（de）可能。

１.新型電火（huǒ）花刻傷機結構性能分析

　　ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ 型數控電火花刻傷機（jī）是（shì）由北京理工大學和（hé）北京德源博匯科技有限公司（sī）聯合研製的新一（yī）代刻傷（shāng）設備。該設備主要包括電極進給、振動係統、脈衝電源、供油冷卻係統（tǒng）四大部，蝕刻裝置電路部分核心器件采用增強型場（chǎng）效應管［３］，由５５５芯片控製產生的脈衝信號加於場效應管門極對直流電壓進行斬波得到需要的（de）脈衝電壓，機械部分利用交流線圈（quān）勵磁使起振塊以交流（liú）頻率起振，產生的振動由（yóu）杠杆原理傳遞到（dào）安裝有紫銅片電（diàn）極的電極夾（jiá）具上（shàng），進而得到紫銅電極的規律振動，以防止蝕刻加工過程（chéng）中產生短路現象。蝕刻裝置電路部分是在脈衝信號發生經典電（diàn）路的基礎上改進（jìn）得到的，機械結（jié）構簡單，通過微調與粗調配合的調節方案使得（dé）加工進給功（gōng）能經濟實用。該微（wēi）缺陷脈（mò）衝電（diàn）蝕刻裝置具有小型化的特（tè）點，能（néng）耗較低且加工效率高，加工操作簡（jiǎn）單方便，滿足了標準微缺（quē）陷的加（jiā）工要求。設備可以完成的主要（yào）功能及技術參（cān）數為輸入電壓：ＡＣ２２０Ｖ＋２０％，５０～６０Ｈｚ；輸入電流：０．１～３Ａ；輸出脈衝電壓：９０，１２０，１５０Ｖ三檔；輸出脈衝電流：最大３Ａ；脈衝頻（pín）率：０．４～４ｋＨｚ細分為５檔；輸出指示：指針式電壓表、電流表；振（zhèn）動頻率：５０Ｈｚ，振幅：可根據需要調節；電極寬（kuān）度：０．０８～１．０ｍｍ；電（diàn）極長度（dù）：５～５０ｍｍ；刻傷深度（dù）：０．１～５ｍｍ；加（jiā）工工件範圍：各類導電材料塊、板件外表麵，管棒、孔內表麵。電火花刻傷機的部件連接關係如圖（tú）１所示，從圖中（zhōng）可以（yǐ）看出，該設備主要由（yóu）電極進給（gěi）、振動係統、脈衝電源、供油冷卻係統（tǒng）四大部分組成。其中電極進給機構提供（gòng）加工中（zhōng）電極（jí）的Ｚ向運動，振動係統利用交流勵磁（cí）產生固定頻率的振動，經杠杆傳遞到電極夾具。裝置的（de）脈衝電源為（wéi）自主研發的專用（yòng）脈衝電源，加工中產生的熱量由供油冷卻係（xì）統（tǒng）加以及時（shí）冷（lěng）卻。

圖１　電火花刻傷機部（bù）件連接關（guān）係

在方案實施過程中，振動座的Ｚ向移動由微調（diào）和粗調兩種方法搭配實現。其中，微（wēi）調（diào）的工作由數字型微分頭（tóu）推動振動座在（zài）燕（yàn）尾槽中精密運（yùn）動，此（cǐ）微分頭采用常用（yòng）外購件，其高精（jīng）度保（bǎo）證了加工（gōng）中進給精度達到微米級。粗調由大行程、高進給速度的（de）齒輪齒（chǐ）條機構實（shí）現。如此設計，既保證了足夠的行程範圍，又保證了進給控製的高精度要求。電極進給機構如圖２所示，主要由（yóu）微（wēi）分頭、燕尾（wěi）槽軌、振動台支架三部分組成。

圖２　電極進給機（jī）構

圖3為裝置的電（diàn）極微振動機構。根據電脈衝電蝕刻加工的特點可知，加工過程中，需要紫銅電極以一定頻率和一定振幅振動［４］，為此設計（jì）了專用的振動（dòng）發（fā）生裝置，振動的產生由通過線圈的５０Ｈｚ、１５Ｖ的交流電產生（shēng）交變磁場，經過（guò）導磁磁路，激勵具有一定質量的機（jī）械起（qǐ）振塊以５０Ｈｚ的振動頻率起振，這個振（zhèn）動（dòng）由杠杆傳遞到（dào）刀架及其上麵（miàn）安裝的刀片。振動係統的勵磁電源采用普通交流電頻率，基本保持不變（biàn），與之對應的電極振動工作穩定可靠；同時，電極在蝕刻（kè）加工過程中（zhōng），不受普通機械加工時（shí）產生的切削力，且（qiě）振動源到電極輸出之間的連（lián）接強度比較高，電極（jí）質量小（xiǎo），所以電極的振（zhèn）幅（fú）也（yě）恒定可靠。總之，該電極振動係統設計簡單，工作可靠。金屬微缺陷脈衝（chōng）電加（jiā）工裝置機械部分整體結構如圖４所示。

圖３　電（diàn）極微振動（dòng）機構

圖４　金屬微缺陷脈衝電加工裝置機（jī）械部（bù）分（fèn）整體結構（gòu）

電源係統主要由脈衝信號發生模塊、ＭＯＳ管驅（qū）動模塊、５，１５，１５０Ｖ供電模（mó）塊、過流保（bǎo）護（hù）模塊以及（jí）ＭＯＳＦＥＴ輸出模塊等組成。其係統組成原理如圖５所示。

圖５　微蝕刻裝置電路係統構（gòu）成

電源係統分為三路：一路通過對２２０Ｖ交流電變壓、整流、濾波後得（dé）到９０，１２０，１５０Ｖ的直流電壓，加在ＭＯＳＦＥＴ的（de）漏（lòu）源極間；另一路對２２０Ｖ交流電（diàn）壓做相同處理後得到５Ｖ直（zhí）流電壓（yā）為芯片提供工作電壓；第三路對２２０Ｖ交流電壓做相同處理後得到１５Ｖ直流電壓加到光耦的輸出端，驅（qū）動場效應管工作進行斬波。為電路中直流供電的通用變壓、整流、濾波電路、５，１５，１５０Ｖ直流電壓均如此得（dé）到。根據脈衝（chōng）電源的設計要求，為實際（jì）工程使用方便，脈衝（chōng）頻率和占空比需要有５個檔位切換即可。

２.加工試驗結果分（fèn）析　

刻傷機適用於鋁、鐵等一切導電金屬材料，加工便捷，易於操作，加工速度快、智（zhì）能化程度高。圖６、７為（wéi）在平板（bǎn）和圓（yuán）管上的加工示例。圖（tú）６為平板加（jiā）工試件，槽（cáo）型傷的尺寸為，Ａ：４０ｍｍ×０．１ｍｍ×０．８５ｍｍ；Ｂ：２０ｍｍ×０．１５ｍｍ×０．４ｍｍ；Ｃ：３．１２ｍｍ×０．１ｍｍ×０．１５ｍｍ。圖７為圓管加工試件，槽型傷的尺寸為，Ａ：４０ｍｍ×０．１ｍｍ×０．６ｍｍ；Ｂ：２０ｍｍ（弧（hú）長）×０．１５ｍｍ×０．４ｍｍ。