電火花刻傷在無損檢測技術(shù)中的應(yīng)用
2017-7-11 來源：北京理工大學(xué) 作者： 張衛(wèi)民，邱忠超，秦峰，李宇峰
摘要：基于電火花刻傷的原理研制出新一代刻傷設(shè)備———ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機(jī)，描述了新型電火花刻傷機(jī)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理。通過對平板試件與圓管試件進(jìn)行人工刻傷，驗(yàn)證該設(shè)備的加工試驗(yàn)效果。結(jié)果表明：ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機(jī)性能先進(jìn)，能滿足刻蝕微小傷型的需求，且技術(shù)成熟、加工性能穩(wěn)定，可以滿足于航空、核電、鐵路、壓力容器等行業(yè)的檢測需求。
關(guān)鍵詞：電火花刻傷；人工缺陷；ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機(jī)；圓管刻傷
在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)試塊的制作十分重要。因?yàn)槌暋u流等儀器的檢測靈敏度和精度等技術(shù)指標(biāo)，必須通過標(biāo)準(zhǔn)試塊的缺陷進(jìn)行標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷的加工方式主要有機(jī)械加工式、化學(xué)腐蝕式和電火花加工式。機(jī)械加工一般指精密機(jī)床加工，制作比較方便，但它對微小缺陷難以保證精度，成品率低；化學(xué)腐蝕是利用腐蝕的時間長短來控制缺陷深淺，難以達(dá)到較低的粗糙度；電火花加工則能適應(yīng)微小缺陷形狀加工，在微小缺陷檢測技術(shù)研究中應(yīng)用廣泛［１］。刻傷技術(shù)的研究，為標(biāo)準(zhǔn)缺陷的制作提供了實(shí)際技術(shù)手段。一些無損檢測方法如超聲檢測等，通常采用圓孔當(dāng)量尺寸計(jì)算的方法評定誤差［２］，但這種方法存在下列問題。第一，實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的損傷檢測，特別是疲勞損傷的檢測，還是以和槽型傷相近似的裂紋缺陷為主，用圓孔代替槽型傷，在超聲檢測中存在聲學(xué)反射機(jī)制不一致等諸多問題，盡管電火花小孔機(jī)容易加工尺寸和形狀精確的微小圓孔，但實(shí)際檢測時，會存在較大誤差；第二，現(xiàn)有一些重要零件如飛機(jī)葉片等，由于此前技術(shù)手段限制，規(guī)定的缺陷標(biāo)準(zhǔn)過于寬泛，難以適應(yīng)高溫、高載、高速的技術(shù)要求。隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，對微小缺陷的檢測能力要求不斷提升，以便早期發(fā)現(xiàn)缺陷，將裂紋等缺陷消滅于萌芽狀態(tài)中。事實(shí)上，對于一些重要零件，尤其是航空產(chǎn)品，是不允許有裂紋等缺陷出現(xiàn)的，只要發(fā)現(xiàn)超標(biāo)缺陷，即可判廢。此外尚有激光微刻等技術(shù)手段可以實(shí)現(xiàn)微小槽型缺陷的制作，但由于多種因素影響，加工出的缺陷類型重復(fù)度差，幾何精度難以準(zhǔn)確評價(jià)，因而在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，激光加工等技術(shù)加工的缺陷并不適用，一致公認(rèn)的還是電火花刻傷技術(shù)的應(yīng)用。
電火花刻傷技術(shù)是利用電火花高溫蝕刻效應(yīng)制作標(biāo)準(zhǔn)人工缺陷，是電火花加工技術(shù)在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域的拓展。在加工電極精度較好的情況下，人工缺陷的尺寸和幾何形狀精度能得到較好保證，且重復(fù)度較高，可以精確制作出寬度為０．０８～０．１ｍｍ 的槽型缺陷，而此范圍的槽型缺陷在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域?qū)儆诠J(rèn)的微小傷型，符合國際上包括美國在內(nèi)的各種檢測標(biāo)準(zhǔn)，尺度更小的標(biāo)準(zhǔn)缺陷目前尚無可靠加工制備方法。盡管電火花刻傷技術(shù)比較成熟，華中數(shù)控等很多企業(yè)都有類似產(chǎn)品，但在無損檢測技術(shù)領(lǐng)域，還有進(jìn)一步推廣應(yīng)用的潛力，同時在設(shè)備研制方面還有繼續(xù)豐富其功能的可能。
１.新型電火花刻傷機(jī)結(jié)構(gòu)性能分析
ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ 型數(shù)控電火花刻傷機(jī)是由北京理工大學(xué)和北京德源博匯科技有限公司聯(lián)合研制的新一代刻傷設(shè)備。該設(shè)備主要包括電極進(jìn)給、振動系統(tǒng)、脈沖電源、供油冷卻系統(tǒng)四大部，蝕刻裝置電路部分核心器件采用增強(qiáng)型場效應(yīng)管［３］，由５５５芯片控制產(chǎn)生的脈沖信號加于場效應(yīng)管門極對直流電壓進(jìn)行斬波得到需要的脈沖電壓，機(jī)械部分利用交流線圈勵磁使起振塊以交流頻率起振，產(chǎn)生的振動由杠桿原理傳遞到安裝有紫銅片電極的電極夾具上，進(jìn)而得到紫銅電極的規(guī)律振動，以防止蝕刻加工過程中產(chǎn)生短路現(xiàn)象。蝕刻裝置電路部分是在脈沖信號發(fā)生經(jīng)典電路的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡單，通過微調(diào)與粗調(diào)配合的調(diào)節(jié)方案使得加工進(jìn)給功能經(jīng)濟(jì)實(shí)用。該微缺陷脈沖電蝕刻裝置具有小型化的特點(diǎn)，能耗較低且加工效率高，加工操作簡單方便，滿足了標(biāo)準(zhǔn)微缺陷的加工要求。設(shè)備可以完成的主要功能及技術(shù)參數(shù)為輸入電壓：ＡＣ２２０Ｖ ＋２０％，５０～６０ Ｈｚ；輸入電流：０．１～３Ａ；輸出脈沖電壓：９０，１２０，１５０Ｖ 三檔；輸出脈沖電流：最大３Ａ；脈沖頻率：０．４～４ｋＨｚ細(xì)分為５檔；輸出指示：指針式電壓表、電流表；振動頻率：５０Ｈｚ，振幅：可根據(jù)需要調(diào)節(jié)；電極寬度：０．０８～１．０ｍｍ；電極長度：５～５０ｍｍ；刻傷深度：０．１～５ ｍｍ；加工工件范圍：各類導(dǎo)電材料塊、板件外表面，管棒、孔內(nèi)表面。電火花刻傷機(jī)的部件連接關(guān)系如圖１所示，從圖中可以看出，該設(shè)備主要由電極進(jìn)給、振動系統(tǒng)、脈沖電源、供油冷卻系統(tǒng)四大部分組成。其中電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)提供加工中電極的Ｚ 向運(yùn)動，振動系統(tǒng)利用交流勵磁產(chǎn)生固定頻率的振動，經(jīng)杠桿傳遞到電極夾具。裝置的脈沖電源為自主研發(fā)的專用脈沖電源，加工中產(chǎn)生的熱量由供油冷卻系統(tǒng)加以及時冷卻。
圖１ 電火花刻傷機(jī)部件連接關(guān)系
在方案實(shí)施過程中，振動座的Ｚ 向移動由微調(diào)和粗調(diào)兩種方法搭配實(shí)現(xiàn)。其中，微調(diào)的工作由數(shù)字型微分頭推動振動座在燕尾槽中精密運(yùn)動，此微分頭采用常用外購件，其高精度保證了加工中進(jìn)給精度達(dá)到微米級。粗調(diào)由大行程、高進(jìn)給速度的齒輪齒條機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)。如此設(shè)計(jì)，既保證了足夠的行程范圍，又保證了進(jìn)給控制的高精度要求。電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)如圖２所示，主要由微分頭、燕尾槽軌、振動臺支架三部分組成。
圖２ 電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)
圖3為裝置的電極微振動機(jī)構(gòu)。根據(jù)電脈沖電蝕刻加工的特點(diǎn)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(shè)計(jì)了專用的振動發(fā)生裝置，振動的產(chǎn)生由通過線圈的５０Ｈｚ、１５Ｖ的交流電產(chǎn)生交變磁場，經(jīng)過導(dǎo)磁磁路，激勵具有一定質(zhì)量的機(jī)械起振塊以５０ Ｈｚ的振動頻率起振，這個振動由杠桿傳遞到刀架及其上面安裝的刀片。振動系統(tǒng)的勵磁電源采用普通交流電頻率，基本保持不變，與之對應(yīng)的電極振動工作穩(wěn)定可靠；同時，電極在蝕刻加工過程中，不受普通機(jī)械加工時產(chǎn)生的切削力，且振動源到電極輸出之間的連接強(qiáng)度比較高，電極質(zhì)量小，所以電極的振幅也恒定可靠。總之，該電極振動系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡單，工作可靠。金屬微缺陷脈沖電加工裝置機(jī)械部分整體結(jié)構(gòu)如圖４所示。
圖３ 電極微振動機(jī)構(gòu)
圖４ 金屬微缺陷脈沖電加工裝置機(jī)械部分整體結(jié)構(gòu)
電源系統(tǒng)主要由脈沖信號發(fā)生模塊、ＭＯＳ管驅(qū)動模塊、５，１５，１５０Ｖ 供電模塊、過流保護(hù)模塊以及ＭＯＳＦＥＴ輸出模塊等組成。其系統(tǒng)組成原理如圖５所示。
圖５ 微蝕刻裝置電路系統(tǒng)構(gòu)成
電源系統(tǒng)分為三路：一路通過對２２０Ｖ 交流電變壓、整流、濾波后得到９０，１２０，１５０Ｖ 的直流電壓，加在 ＭＯＳＦＥＴ 的漏源極間；另一路對 ２２０Ｖ 交流電壓做相同處理后得到５Ｖ 直流電壓為芯片提供工作電壓；第三路對２２０Ｖ 交流電壓做相同處理后得到１５Ｖ 直流電壓加到光耦的輸出端，驅(qū)動場效應(yīng)管工作進(jìn)行斬波。為電路中直流供電的通用變壓、整流、濾波電路、５，１５，１５０ Ｖ 直流電壓均 如 此 得 到。根據(jù)脈沖電源的設(shè)計(jì)要求，為實(shí)際工程使用方便，脈沖頻率和占空比需要有５個檔位切換即可。
２.加工試驗(yàn)結(jié)果分析
刻傷機(jī)適用于鋁、鐵等一切導(dǎo)電金屬材料，加工便捷，易于操作，加工速度快、智能化程度高。圖６、７為在平板和圓管上的加工示例。圖６為平板加工試件，槽型傷的尺寸為，Ａ：４０ｍｍ×０．１ｍｍ×０．８５ｍｍ；Ｂ：２０ ｍｍ×０．１５ ｍｍ×０．４ ｍｍ；Ｃ：３．１２ ｍｍ×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（弧長）×０．１５ｍｍ×０．４ｍｍ。
圖６ 平板試件上的槽型傷
圖７ 圓管試件上的槽型傷
圖８、９為電火花刻傷機(jī)外型圖，該機(jī)型包括兩臺設(shè)備，可以在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行操作和在生產(chǎn)現(xiàn)場使用操作。
圖８ ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機(jī)機(jī)型１
圖９ ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機(jī)機(jī)型２
３.結(jié)論
ＤＹＢＨ－ＮＥＮ－Ⅱ 型數(shù)控電火花刻傷機(jī)性能先進(jìn)，可以滿足刻蝕微小傷型的需求，且技術(shù)成熟、加工性能穩(wěn)定，可以滿足于航空、核電、鐵路、壓力容器等各行各業(yè)的檢測需求，也期望和工業(yè)部門同行開展合作，使這項(xiàng)技術(shù)得到卓有成效的推廣應(yīng)用。
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