電火花刻傷在無損檢測技術(shù)中的應(yīng)用

張衛(wèi)民,邱忠超,秦　峰,李宇峰

(1. 北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2. 北京德源博匯科技有限公司， 北京 100081)

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電火花刻傷在無損檢測技術(shù)中的應(yīng)用

張衛(wèi)民1,邱忠超1,秦峰1,李宇峰2

(1. 北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081； 2. 北京德源博匯科技有限公司， 北京 100081)

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，描述了新型電火花刻傷機的結(jié)構(gòu)特點和工作原理。通過對平板試件與圓管試件進(jìn)行人工刻傷，驗證該設(shè)備的加工試驗效果。結(jié)果表明：DYBH-NEN-Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機性能先進(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；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。因為超聲、渦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械加工式、化學(xué)腐蝕式和電火花加工式。機械加工一般指精密機床加工，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)量尺寸計算的方法評定誤差[2]，但這種方法存在下列問題。第一，實際工程結(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)反射機制不一致等諸多問題，盡管電火花小孔機容易加工尺寸和形狀精確的微小圓孔，但實際檢測時，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，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0.08～0.1 mm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新型電火花刻傷機結(jié)構(gòu)性能分析

DYBH-NEN-Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機是由北京理工大學(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)四大部分, 蝕刻裝置電路部分核心器件采用增強型場效應(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)濟實用。該微缺陷脈沖電蝕刻裝置具有小型化的特點，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：AC 220V +20%，50～60 Hz；輸入電流：0.1～3 A；輸出脈沖電壓：90,120,150 V三檔；輸出脈沖電流：最大3 A；脈沖頻率：0.4～4 kHz 細(xì)分為5檔；輸出指示：指針式電壓表、電流表；振動頻率：50 Hz，振幅：可根據(jù)需要調(diào)節(jié)；電極寬度：0.08～1.0 mm；電極長度：5～50 mm；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)給機構(gòu)提供加工中電極的Z向運動，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　電火花刻傷機部件連接關(guān)系

在方案實施過程中，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構(gòu)實現(xiàn)。如此設(shè)計，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)給機構(gòu)

圖3為裝置的電極微振動機構(gòu)。根據(jù)電脈沖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(shè)計了專用的振動發(fā)生裝置，振動的產(chǎn)生由通過線圈的50 Hz、15 V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)計簡單，工作可靠。金屬微缺陷脈沖電加工裝置機械部分整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖3　電極微振動機構(gòu)

圖4　金屬微缺陷脈沖電加工裝置機械部分整體結(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、5,15,150 V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220 V交流電變壓、整流、濾波后得到90,120,150 V的直流電壓，加在MOSFET的漏源極間；另一路對220 V交流電壓做相同處理后得到5 V直流電壓為芯片提供工作電壓；第三路對220 V交流電壓做相同處理后得到15 V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)計要求，為實際工程使用方便，脈沖頻率和占空比需要有5個檔位切換即可。

2加工試驗結(jié)果分析

刻傷機適用于鋁、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：40 mm×0.1 mm×0.85 mm；B：20 mm×0.15 mm×0.4 mm；C：3.12 mm×0.1 mm×0.15 mm。圖7為圓管加工試件，槽型傷的尺寸為，A：40 mm×0.1 mm×0.6 mm；B：20 mm(弧長)×0.15 mm×0.4 mm。

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為電火花刻傷機外型圖，該機型包括兩臺設(shè)備，可以在實驗室環(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)控電火花刻傷機機型1

圖9　DYBH-NEN-Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機機型2

3結(jié)論

DYBH-NEN-Ⅱ型數(shù)控電火花刻傷機性能先進(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，使這項技術(shù)得到卓有成效的推廣應(yīng)用。

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Application of Electric Spark Cutting Machine in Nondestructive Testing Technology

ZHANG Wei-min1, QIU Zhong-chao1, QIN Feng1, LI Yu-feng2

(1.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China;2. Beijing Deyuan Bo Technology Co., Ltd., Beijing 100081, China)

Abstract：A new generation of scarification equipment-DYBH-NEN-Ⅱ type NC Electric Spark cutting machine is developed based on the principle of electric spark cutting. The machine is mainly composed of four parts: electrode feeding, vibration system, pulse power, and oil cooling system. In order to verify its experimental results, artificial defects were cut on the flat plate and circular tube specimen artificially. Results verify the following advantages of the equipment: advanced performance, mature technology and stable processing performance, so the cutting machine can etch tiny flaws and meet inspection requirements in every walk of life, such as aviation, nuclear power, railway and pressure vessel.

Key words:Electric spark cutting; Artificial defect; DYBH-NEN-Ⅱ type NC electric spark cutting machine; Circular tube cutting

中圖分類號：TG115.28

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1000-6656(2016)01-0052-03

DOI:10.11973/wsjc201601014

作者簡介：張衛(wèi)民(1964-),男,教授,主要從事電磁無損檢測方面的工作。

基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(51275048)

收稿日期：2015-04-29