高速电弧放电加工的多孔电极制备

高速电弧放电加工是利用流体动力断弧机制实现对电弧的有效控制从而去除材料的。流体动力断弧机制的实现依赖于高速的极间流场动力,该动力需由多孔电极的强制内冲液提供。首先阐明了选择石墨作为多孔电极材料的原因;其次,完成了集成CAD、CAE(主要是CFD)和CAM的多孔电极设计、仿真及制造的软件模块,这些模块能依据加工工件的特征快速、高效地完成对应多孔电极的制备;最后,为了验证制备的一系列多孔电极的电弧加工能力,对典型工件包括具有复杂3D型腔的零件进行了加工实验。结果表明:基于多孔电极的高速电弧放电加工能实现很高的材料去除率(MRR14 000 mm3/min)和较低的工具损耗率(TWR1%),故特别适用于以难切削材料的大余量去除为主的粗加工。     

基于流体动力断弧的高速电弧放电加工

提出了一种可用于难加工材料大余量高速蚀除的新的放电加工方法——基于流体动力断弧的高速电弧放电加工。与传统的电火花加工方法相比,高速电弧放电加工采用具有更高能量密度的电弧放电而不是火花放电来实现材料的蚀除;与其他利用电弧进行材料去除的工艺方法相比,高速电弧放电加工可使用特殊设计的成形电极实现强制多孔内充液,从而获得三维复杂型腔的沉入式加工能力,因此具有更广泛的应用前景。初步实验表明,对于镍基高温合金等难切削材料,高速电弧放电加工的材料去除率(MRR)远高于传统的电火花加工,甚至高于铣削加工。例如:加工镍基高温合金(GH4169)的材料去除率可达11 300 mm3/min,而电极损耗率(TWR)低于3%。由此可见,高速电弧放电加工在难切削材料的高效去除加工方面具有明显的技术优势。     

侧铣式高速电弧放电加工工艺研究

侧铣式高速电弧放电加工利用电极侧面放电蚀除工件材料,能加工复杂的型腔、沟槽及直纹面等。为了探索这种新型电弧放电加工的工艺特性,探讨了峰值电流、脉宽和冲液压力等条件对工件材料去除率和相对电极损耗率的影响。实验结果表明:提高冲液压力和峰值电流均能增大工件材料去除率;相对电极损耗率随冲液压力的提高而增大,随峰值电流的提高而减小。在一定范围内,工件材料去除率随脉宽的提高而增大,相对电极损耗率随脉宽的提高而减小。     

SiC_p/Al高速电弧放电加工研究

研究了高速电弧放电加工铝基碳化硅增强复合材料(Si Cp/Al)的性能。通过对体积分数为20%的碳化硅颗粒增强铝基复合材料进行加工实验得出:在峰值电流500 A、脉冲宽度10 ms时,材料去除率超过8200 mm3/min,电极损耗率约为2%。此外,研究了加工极性对工件表面质量的影响,得出电极负极性、大电流可用于大余量材料去除,电极正极性、小电流可用于小余量表面修整的结论。最后,采用高速电弧放电加工实现了碳化硅颗粒增强铝基复合材料的钻孔、铣削和切割等加工工艺。     

短电弧铣削加工中电弧特性实验研究

为减少短电弧铣削加工中火花放电及短路现象,保证电弧放电状态稳定,通过离子放电通道扩张规律、能量守恒定律推导电弧放电的伏安变化规律,将电弧放电波形分为3个特征阶段,作为电弧放电状态的判断依据,并通过放电波形验证理论的准确性。同时结合电弧断弧机制,建立机械断弧的几何模型,计算单脉冲电弧的持续时间,分析了电极转速对放电的影响;通过实验获取不同电弧持续时间下的微观形貌及电压电流波形,结果表明:电弧持续时间维持在0.5 ms时,加工质量较好,电弧放电稳定性高。研究结果为保证电弧加工过程中放电稳定性提供理论基础。     

高速电弧放电加工的放电波形特征及伺服控制

基于流体动力断弧的高速电弧放电加工是一种高效蚀除工件材料的特种加工新技术,它从原理到实现都与传统电火花放电加工有着本质区别。经采样检测,高速电弧放电加工的极间放电波形特征与电火花放电加工存在明显的差异,其适用的伺服控制模型也应有所不同。为了说明高速电弧放电加工的特殊放电特性,采集分析了其间隙电压和放电电流(V-A)波形。据此建立了以间隙平均电压和放电平均电流为自变量、以进给速率为应变量的模糊伺服控制模型,有效提升了脉冲电源的放电率,使高速电弧放电加工能高效、可靠且大余量地去除难切削材料。     

水下电弧锯切割质量影响因子的研究

海洋、船舶、石油等领域有大量结构部件需在水下拆解。现有的水下切割方法存在效率低、结构复杂、工具或电极损耗大等局限,亟需探索新的切割方式。高速电弧放电加工具有加工效率高、电极损耗率低等优势,在难切削材料的加工中取得了良好效果。基于高速电弧放电加工原理,设计水下电弧锯切割实验装置,并对该装置极间流场进行仿真,得到不同主轴转速下极间流体流动情况。在此基础上,设计系列实验开展电流形式、主轴转速和电流值等因素对切割质量影响的研究。实验结果表明,采用高速电弧放电切割可实现工件的高效水下切割。此外,使用脉冲电流切割时的切缝质量优于直流,增大电流会改善出口处切缝宽度;主轴转速过低会影响极间排屑效果,加工中宜采用较高转速。     

短电弧铣削加工间隙的放电特性研究

针对短电弧铣削加工过程中出现的电弧响应速度慢、频繁短路、拉弧等与间隙放电特性有关的问题,采用对加工间隙进行放电波形采集、提取、分析以及对间隙放电状态进行分类的方法,进行间隙放电特性的研究。实验结果直观地反映了不同放电状态下间隙放电波形和加工效果的差异,为改善加工效果提供了参考。     

基于短电弧切削加工技术高效性特点的研究

通过列举短电弧切削技术在水泥磨辊、立磨辊套、大型钢轧辊、磨煤辊等行业成功应用的实例,显现短电弧切削技术的高效性。通过高速摄像机拍摄短电弧的现场加工图片,得出短电弧放电通道的特点是多个点同时发生放电,并建立放电通道。再通过微观研究工具电极和工件电极的表面,结合发生放电间隙s,解释短电弧多通道群组放电的可能性,从而解释了短电弧群组加工技术的高效性。     

基于PMAC的高速电弧放电加工控制系统设计

针对高速电弧放电加工方法对机床加工设备的需求,基于PMAC运动控制器,开发一套高速电弧放电加工机床控制系统。该控制系统以工控机作为控制中心,采用满足高速电弧放电加工需求的功能控制软件;伺服控制平台采用PMAC运动控制器,以达到精确控制运动目的;以QT系统进行人机交互,并控制伺服运动系统、冲液系统和电源系统等完成其控制功能。通过制作系统控制柜与调试,得出设计的系统满足高速电弧放电加工需求。这为高速电弧放电加工方法的研究提供了参考。     

Modeling study of the hydrodynamic arc breaking mechanism in BEAM

Blasting erosion arc machining (BEAM) utilizes thermal effect of the arc rather than spark to remove workpiece material. This paper investigates the expansion and distortion rules of the discharge channel based on the analysis of high speed photography and the micrographs of craters to study mechanism of BEAM. Based on these investigations, a thermal finite element model is developed. Then the temperature distributions in workpieces, both with and without flushing, are obtained. The comparisons of the obtained temperature distributions explain the formation of the trailing crater and the effect of hydrodynamic arc breaking mechanism on the efficiency of BEAM.     

电弧喷涂电弧燃烧过程分析

借助数字高速摄像技术,分析了电弧喷涂时电弧的引燃、燃烧和断弧过程.电弧喷涂时电弧遵循"引弧-燃烧-熄灭-再引弧"的过程,有两种原因造成电弧喷涂时熄弧,一是喷涂丝材短路,电弧自然熄灭;另一种情况是未完全熔化金属"拉长"电弧后突然从丝材端部脱开,从而造成电弧熄灭.当电弧处于正常燃烧时,呈椭圆状,有利于延长熔化粒子在电弧中运...     

镁合金微弧氧化持续电弧对膜层的破坏机制

为了避免微弧氧化(MAO)过程中的持续电弧放电对膜层的破坏,使用高速摄像机拍摄放电现象,结合负载的电流、电压波形探究持续电弧放电的实质,并研究了膜层被破坏区域的表面、截面形貌及相组成相对于正常膜层的变化,最后搭配不同的占空比和频率,探索出电参数对持续电弧放电现象的影响规律。结果表明:在微弧氧化过程中,试样表面呈现出燃弧-熄弧-冷却的往复过程,而膜层局部破坏区域则表现为连续的电弧放电现象。局部持续电弧放电区域的组分结构、表面形貌、截面形貌及元素分布均与正常微弧氧化膜层有很大差异,该膜层的均匀性、致密性和完整性均被破坏,导致膜层整体的均一性丧失,甚至造成试样的外形尺寸发生严重的损伤。负载的电容特性导致电弧持续时间过长而熔融金属氧化物的冷却时间不足,局部热交换不充分和热量集中是造成持续电弧破坏根本原因。该破坏发生后无法修复,然而可以通过对频率和占空比的合理搭配,在不同的处理电压下避免持续电弧破坏现象的发生。     

交变纵向磁场作用下MIG焊电弧行为研究

为了研究交变纵向磁场作用下MIG焊接电弧的物理特性,提高焊接质量,分析了交变纵向磁场作用下电弧带电粒子的受力情况和运动状态,并利用高速摄像手段研究了交变纵向磁场对电弧形态的影响。结果表明,无外加交变纵向磁场时,自由电弧稳定燃烧,电弧轴线与焊丝轴线相重合;当加入交变纵向磁场时,电弧围绕焊丝轴线做逆时针和顺时针交替变化的旋转运动,电弧轴线偏离焊丝轴线;随着励磁电流的增加,电弧的旋转半径增大,电弧偏离焊丝轴线的角度增大,电弧烁亮区域面积减小;当励磁电流为30 A时,电弧的最大偏转角度为45°,此时电弧燃烧变得不稳定,甚至息弧,焊接过程不稳定。     

Effect of activating flux on arc shape and arc voltage in tungsten inert gas welding

The effects of activating fluxes on welding arc were investigated. A special set of water-cooling system and stainless steel were used as parent material. During welding process, high-speed camera system and oscillograph were used for capturing instantaneous arc shape and arc voltage respectively. The experimental results indicate that the SiO2 flux can increase the arc voltage, while TiO2 has no this effect on arc voltage. Compared with conventional tungsten inert gas welding （C-TIG）, it is found that the arc shape of A-TIG welding used with the SiO2 flux has changed obviously.     

掺杂对WCu电触头材料电弧特性的影响

利用粉末冶金技术制备出分别掺杂0.3%B、2.0%Nb和1.5%Ce (质量分数)的WCu电触头材料,采用高速摄影技术和抗电弧烧蚀实验探讨不同掺杂元素对钨铜电触头材料电弧特性的影响.结果表明:真空击穿时,WCu电触头材料的电弧演化过程可以分为起弧、稳定燃烧和灭弧3个阶段;掺杂0.3%B、2.0%Nb和1.5%Ce的WCu电触头材料的电弧寿命比未掺杂的长,截流值小;等离子云体积大,颜色浅,在样品表面燃烧区域大,电弧分散,燃弧能量分散;电弧燃烧稳定,无放射状光芒.含有掺杂元素的WCu电触头材料的抗电弧烧蚀性能均得到明显改善;其中最明显的为WCu-B电触头材料,其抗烧蚀性能提高了近30%.     

摆动电弧窄间隙GMAW熔滴过渡规律

研究摆动电弧窄间隙焊接中的熔滴过渡规律是深入理解该焊接方法的重要基础,由于受到电弧摆动、窄间隙坡口的影响,摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡比常规焊接更加复杂.采用高速摄像系统及焊接电信号采集系统成功地对摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡过程进行观测研究,揭示了摆动电弧窄间隙GMAW的熔滴过渡特性,分析了摆动参数、焊接参数对熔滴过渡的影响.结果表明,由于焊丝在坡口之间的摆动改变了焊丝与侧壁之间的距离,引起了焊接电弧长度的变化,促使焊接电流发生了波动,从而导致了摆动电弧窄间隙焊接熔滴过渡的规律性变化.     

CO2激光作用下直流TIG电弧特性分析

文中借助高速摄像和激光功率计等先进手段,研究了CO2激光与直流,TIG电弧垂直相互作用时激光对电弧特性的影响.激光功率越高,电弧静特性曲线下移幅度越大,电弧电功率越低,而电弧总功率越高.电弧电流越小、激光作用位置越靠近阴极,电弧电压下降幅度越大.激光作用引起电弧体积膨胀主要发生在激光作用位置到阳极之间的区域.结果表明,激光作用电弧后,电弧静特性曲线下移,体积膨胀,电弧电功率下降,而总功率增加.     

Fe掺杂对纳米复合Ag-SnO2电接触合金电弧演化行为的影响

应用高速数字摄像机和扫描电镜对纳米复合Ag-SnO2，Fe掺杂的纳米复合Ag-SnO2及商用Ag—SnO2-In2O3电接触合金的电弧演化过程和阴极斑点进行了比较研究。结果显示：空气中电弧的演化过程可以分为起弧、稳定燃烧和衰减3个阶段。Fe掺杂后，纳米复合电接触合金电弧演化过程的形弧时间是商用合金的2倍；对触点表面烧蚀起主要作用的稳定燃烧时间短；电弧弧根对应的阴极斑点数量多、跳动迅速、运动区域大；电弧弧根在阴极表面停留的时间短，热流输入少，使其燃弧后阴极斑点分散，烧蚀轻微，具有较好的耐电弧侵蚀性能。     

AgWC30电接触材料的电弧行为研究

对电弧基本行为的研究一直是电接触材料领域的研究重点,本研究以AgWC30触头为研究对象,借助高速摄像的手段,观测电触头对在不同工作条件下,电弧行为的基本特征和规律,并进行了定量测量研究。结果表明,电弧演化阶段经历起弧、稳定燃烧、迅速熄灭3个过程。起弧阶段存在多点起弧特征,并伴有明显的金属熔滴的喷溅行为,稳定燃烧阶段出现电弧的产生、长大和合并行为,最后电弧迅速熄灭。通过扫描电镜对燃弧后触头表面的形貌分析,判断触头表面存在以WC为骨架覆Ag的大量凸丘,凸丘与熔桥的产生和断裂行为有密切关系,触头分断过程中熔桥和电弧可同时存在,并存在一定的协助作用。