浅析电火花毛化轧辊表面处理工艺技术

徐筱芗 张玉琴 刘伟云,2 戚新军

(1.安阳钢铁集团有限责任公司; 2.北京科技大学)

浅析电火花毛化轧辊表面处理工艺技术

徐筱芗1张玉琴1刘伟云1,2戚新军1

(1.安阳钢铁集团有限责任公司; 2.北京科技大学)

介绍了电火花毛化技术的特点、基本原理、物理化学过程、电火花毛化机床的主要配置及目前常用的两种毛化方式,并对两种毛化方式进行了分析对比。

EDT 工作原理 毛化方式

0 前言

冷轧带钢的冲压成形性不仅取决于其本身固有的特性 (组织和性能),还与其表面质量密切相关,而表征冷轧带钢表面质量的重要指标之一是表面粗糙度,表面粗糙度大小直接影响着带钢的冲压成形性。众所周知,冷轧带钢表面的粗糙度完全是由毛化后轧辊的表面粗糙度和峰值数复制传递形成的,所以轧辊表面毛化处理技术及质量的好坏直接影响到冷轧用板的使用情况。

1 轧辊毛化处理技术

目前常用的轧辊毛化技术有:喷丸毛化 (SBT)、电火花毛化 (EDT)、激光毛化 (LT)、电子束毛化(EBT)。

喷丸毛化 (SBT)是最传统的毛化方法,其利用高速旋转的离心轮将具有尖锐边缘、高硬度的冲击材料 (一般为钢丸)加速喷向欲毛化的轧辊,当冲击粒子撞击到轧辊表面时,在轧辊表面“切割”下细小的金属微粒,轧辊表面的毛化形貌具有随机性和不均匀性,目前冷轧产品很少使用此方法。

激光毛化 (LT)是采用高能量脉冲激光束作用于轧辊表面,使之加热、熔化并部分汽化,当脉冲停止时溶化物快速冷却凝固形成凸缘;通过调节加工毛化工艺参数,可精确控制轧辊表面的毛化坑形及分布;但由于 LT毛化冷轧钢板的凹坑排列过于整齐和具有规则,在喷漆后往往还能隐约看到凹坑所形成的螺旋纹路,影响了喷漆后板材的美观性,使其应用推广有一定的局限性。

电子束毛化 (EBT)是最新发展且还未形成工业化生产设备的一种轧辊毛化技术,但因其设备十分昂贵,且工艺需要在真空中实现,这就限制了 EBT工艺的推广和实际应用。

电火花毛化(EDT)是利用瞬间的高能量脉冲电能,在电极与轧辊间形成高温、高压区域,电极瞬时通电时与轧辊之间产生一个电火花,每个电火花在轧辊表面形成一个麻坑,轧辊表面逐渐被毛化。近年来,随着 EDT工艺技术的逐渐成熟,不仅可适应于不同材质、硬度的轧辊毛化处理;且 EDT加工出的轧辊表面均匀,粗糙度 Ra值范围宽 (0.5μm～15 μm),峰值数 Pc也可以很高,这两个关键参数 Ra和Pc均有可控性,重复性也很好,再加上其投资和设备运行成本相对较低的特点,所以 EDT技术已成为目前最具产业化价值的轧辊毛化技术,能够很好地满足汽车制造商对毛化的多种要求。

2 电火花毛化处理技术的原理及特点

2.1 电火花毛化的基本原理

EDT是电火花加工技术在轧辊毛化加工中的实际应用。其基础是电弧腐蚀工艺,即:将轧辊和电极浸没在绝缘的工作液中,并在轧辊和电极上施加一定幅值和频率的脉冲电压,当两者之间的间隙小到一定值时,脉冲电压使极间介质电离、击穿,形成放电通道,这时通道间的电子高速奔向正极,正离子奔向负极。电能变成动能,动能通过碰撞又转变为热能。于是在通道内,正极和负极表面分别成为瞬间热源,瞬时高温 (约 20000℃)使工作液汽化和金属材料熔化、汽化。汽化的气体体积不断向外膨胀,使大部分熔融金属液体和蒸汽被排挤、抛出而进入工作液中,这样在轧辊表面就形成了一系列电蚀坑。随着放电的持续进行,轧辊沿一系列电极旋转,同时沿轴向运动,在轧辊上就可加工出有特定表面粗糙度 Ra和峰值数 Pc的毛化表面。整个毛化过程时间非常短,一个功率发生器每秒放电可达 400,000次。同时,毛化的过程可以通过程序控制在一个非常精密的公差范围内。EDT毛化原理如图 1所示。

图1 EDT毛化原理图

2.2 电火花产生的物理化学过程

电火花产生在一个非常短的周期内,该周期由通电时间和断电时间两部分组成,毛化过程中电火花的频率一般在 4 khz～400 khz以内。电火花的产生过程 (如图 2所示)如下:

图2 电火花的物理化学过程

1)电极被给定初始电压,电极与轧辊之间的电压上升;

2)电介质液中的添加物逐渐电离,在电极与轧辊之间逐渐形成电导桥,此时电介质液呈现绝缘状态;

3)经过一段延时时间后电介质液电离完成,电介质液绝缘被破坏而呈现电导性,电极与轧辊之间的电导桥形成,电极与轧辊之间的电压下降,等离子体开始放电,电极电源有电流流出,电火花产生;

4)电火花逐渐变大,轧辊以及电极表面的金属开始熔化蒸发,轧辊表面开始产生麻坑,一个蒸汽气泡形成,然后迅速破裂;

5)通电结束、毛化电源关断,电压和电流迅速下降,电介质液电离状态被破坏,不再有热量产生,脱落的金属屑随气泡排出,同时熔化的金属在麻坑附近重新凝固;

6)在断电时间内电压保持为零,直到电介质液状态稳定后,继续开始下一个电火花周期。

2.3 电火花毛化的主要特点

电火花毛化技术的优点在于其加工过程是把电能转换成热能进行轧辊表面蚀除,所以加工对象不受材料的硬度限制,可加工高硬度、高强度、高耐磨性等综合指标好的冷轧用轧辊,从根本上解决了轧辊寿命的问题。其主要特点有:

1)轧辊经毛化处理后,在轧辊表面形成一个硬化层,使冷轧带钢在生产过程中减少轧辊损伤,提高轧辊寿命;

2)能够减少退火板材上的粘连物;

3)在保证带钢表面光洁度的基础上,能够提高带钢的挂漆性能和拉伸性能;

4)毛化处理后的轧辊表面粗糙度均匀,能够稳定连续生产;

5)生产出的轧辊粗糙度、峰值数范围大;6)加工效率高。

3 电火花毛化设备及毛化方式比较分析

电火花毛化机床的基本配置包括:床身、头架、尾座、中心架、自动夹持装置、轧辊自动对准装置、功率发生器模块、电极、电极伺服系统、电极间隙控制系统等。EDT机床的外形结构与轧辊磨床相似,只是增加了电极及相应的配套工作设备。在整个EDT毛化工作过程中,电介质液的循环系统是非常关键的部分,它用来保护电极和保证毛化质量。根据 EDT的基本原理,目前主要有电极扫描毛化和电极固定毛化两种轧辊表面处理方式,其主要技术特性比较见表 1。

电极扫描毛化和电极固定毛化两种处理方式的主要比较分析如下:

1)电极扫描毛化处理方式:其工作过程类似于轧辊磨床,只是它用电极扫描头代替了砂轮。电极扫描毛化方式是轧辊不进行轴向运动,而是通过毛化站沿轧辊辊身方向的水平运动来对整个轧辊进行毛化的。毛化站包括功率发生器、电极、电极控制系统、装有电介质液的刚体及循环过滤系统、密封装置等。以每 9个电极为一排的扫描头安装在伺服阀上,每个伺服阀上安装 2排电极。毛化站的两边每边可以并排安装 2个伺服阀,总共可以安装 72个电极。在轧辊毛化过程中,电极和小部分辊身是浸在密封刚体的电介质液中,所以整个毛化系统所需要的电介质液相对较少。但因在毛化过程中,无法实现单一电极的距离调整,会出现每个电极的消耗长短不一的现象,使电极和轧辊辊身的间隙大,这样就会增加毛化时间,降低轧辊毛化效率。为此,通过使用特殊材料加工的电极,并在电介质液中加入一定比例的添加剂 (一般为石墨)来使放电更加均匀有效,满足生产效率的要求。

表1 电极扫描毛化和电极固定毛化技术特性比较

2)电极固定毛化处理方式:电极固定毛化方式是毛化轧辊时,整个床身静止,轧辊以一定行程沿轴向进行往复运动,通过控制单个电极的办法来保证每个电极和轧辊辊身的距离恒定。该毛化方式是必须将轧辊的中心线浸没在电介质液以下一定位置,所有电极并排固定在电介质液槽中,分两排排列在电介质液槽下,并和机床中心线成 45°方向排列,标准情况下以 27个电极为一排,且每个电极都配备有一个单独的液压伺服定位驱动器。电极是用铜质材料加工制成的,因电极与轧辊的间隙可以控制在很小的范围,故电介质液不需添加任何添加剂,但该毛化方式的电介质液循环系统比电极扫描毛化方式的大,需要配置的电介质液较多。在毛化较短的轧辊时,仅轧辊辊身周围的电极工作,超出辊身长度的电极不工作;如果要增加轧辊的毛化长度,必须要在预留的电极槽中增加电极和相应其它装置。

4 结语

综上所述,电极扫描和电极固定两种电火花毛化机床虽然使用相同的毛化原理,但其设计理念不同,所以具体实现过程存在着不同特点。电极扫描毛化的定位精度高,毛化液消耗低,设备简单,用这种方法把轧辊磨床改造为电火花机床是一种经济方法,但轧辊两端有局部无法毛化处理。电极固定毛化的电极加工简单、更换方便,且能够将整个辊身进行毛化,它通过在对不同粗糙度范围和峰值密度进行不同方式的操作,毛化效果较好,适用于轧辊辊身长,产品定位高的冷轧生产线上。在具体设备选型上应根据工艺要求和磨辊间其他设备的情况进行选择,以实现最大效益化。

[1] 周利,陈甚超,李春光,刘光明,等.EDT毛化工艺在汽车板生产中的应用,轧钢,2009,26(4):69-71.

[2] 王钊,陈荐,何建军,戎雪坤,等.电火花表面强化技术研究与发展概况,热处理技术与装备,2008(6):46-50.

[3] 王刚,侯印慧.电火花打毛机用于轧辊表面处理及其自动控制系统,技术世界,2007(4):15-17.

[4] 王明黔,郭永强,陈甚超.两种电火花毛化方式的重要工艺参数和控制方式比较,冶金设备,2006(增刊):55-57.

BRIEF ANALYSIS ON ROLL SURFACE ELECRTIC SPARK ROUGHING PROCESS

Xu Xiaoxiang1Zhang Yuqin1LiuWeiyun1,2Qi Xinjun1

(1.Angyang Iron&Steel Group Co.,Ltd; 2.University of Science and TechnologyBeijing)

This article mainly states the characteristics,fundamental principle and physical chemical process of electronic spark roughing technology,introduces the main arrangement of electric spark roughing machine tool and two routine roughingmethods,at last analytically contrast the two roughingmethods.

EDT operating principle roughing

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联系人:徐筱芗,高级工程师,河南.安阳 (455004),安阳钢铁集团有限责任公司技术中心;

2010—11—9