金属球阀合金球面电火花机械复合磨削加工新方法

刘源添，何建文，郭钟宁

（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

金属球阀合金球面电火花机械复合磨削加工新方法

刘源添，何建文，郭钟宁

（广东工业大学机电工程学院，广东广州 510006）

耐高温（≥500℃）、高硬度（≥62 HRC）、耐磨损是大型金属球阀内芯合金球体的特性，球体表面必须进行硬化处理。通常，在球阀球体表面喷WC或镍基合金等高硬度涂层材料，其表面硬度≥62 HRC，但使用传统机械磨削方法加工效率极低。在分析电火花机械复合加工原理的基础上，设计了适用于高硬度回转球面精密磨削加工的方法，并设计制作了一种专用复合工具电极和专用夹具，通过使用青铜结合剂金刚石砂轮的复合工具电极来实现合金球体表面的电火花机械复合磨削加工。

硬质合金；电火花机械复合磨削加工；金刚石砂轮；青铜结合剂

大型超硬、超精密合金球阀作为流体控制的关键部件，在石油化工、天然气输送、煤化工、水力发电等国民经济支柱产业中被广泛运用。为了适应高温、高压、耐磨损等苛刻的工作要求，球体表面必须进行合金化处理，如喷涂0.6～0.8 mm厚的WC、Ni60、硬铬等粉末合金；处理后的球面表面硬度≥60 HRC，有些甚至≥70 HRC，可达到普通合金刀具的硬度。由于硬质合金具有高强度、高硬度和高脆性等特点，采用传统机械磨削时，磨削力大、磨削温度高、磨削效率低，导致砂轮极易钝化。目前，先进的大口径超硬合金回转球面精密加工技术仅美国、德国、芬兰等少数国家掌握，因此，研究并掌握高硬、高精度合金球面的精密磨削技术就显得十分重要。本文提出采用电火花与精密磨削复合加工技术，充分利用传统和非传统加工的优势，实现大口径超硬合金球阀内芯表面的高效、精密、清洁加工。

1 合金球体材料特性及磨削现状

大型球阀内芯球体是以不锈钢为基体、在球体表面用超音速火焰等工艺方法喷涂WC或镍基合金粉末而制成的。硬质合金具有硬度高、耐磨、强度和韧性较好、耐热、耐腐蚀等优良性能[1]，因此，高硬度、高精度合金球面精密磨削加工的难点主要集中在3个方面：①合金球面硬度高，抗磨系数大，传统工艺加工难度大。由于球面硬度超过60 HRC，与普通合金刀具的硬度相当，抗磨系数大，若使用传统加工工艺和普通合金刀具进行加工，必然会使刀具急剧磨损，增大加工成本；②加工尺寸大，且尺寸、形状、表面精度要求极高。高精、高硬合金球面零件大多数工作在高温、高压等极端条件下，密封性能要求极高，结构上基本采用整体式硬密封结构，即要求阀座与球体之间的配合是硬对硬的刚性配合；要保证球阀在高温、高压环境下不漏水、不漏气、不漏油，就对阀座与球体的配合精度、形状精度提出了极高的要求；③传统精密磨削加工效率低。Ni60涂层硬度虽然只有60 HRC左右，但这种材料韧性很好，且磨屑极易镶嵌在砂轮容屑空间中，使砂轮变钝，磨削效率极低。

2 电火花机械复合磨削加工原理

电火花机械复合磨削加工是采用金属基金刚石砂轮作为杯型砂轮的复合工具电极，通过选取合理的金属结合剂、砂轮粒度和浓度、电加工参数来实现对球体高硬合金表面的高效精密加工[2]，其加工原理示意图见图1。当金属结合剂、砂轮与球体表面合金材料之间存在高压时，即产生火花放电，利用高温、高密度能量蚀除合金材料；同时，金刚石砂轮中的结合剂也会被蚀除。经电火花加工后的被加工面趋于刚基体凹陷，硬质相凸起，这样可减轻砂轮胡塞程度，有利于发挥金刚石磨料的切削能力，提高机械磨削效率。电火花放电对砂轮还具有修整作用，能使砂轮中的金刚石磨粒始终保持锋利，并不断地对球面合金材料产生机械研磨作用[3]。这样，通过金属结合剂与球面合金材料之间的火花放电、金刚石砂轮与聚晶金刚石材料之间的火花放电的双重作用，电火花加工与机械磨削相互创造有利条件，使两种方法相辅相成，从而实现球体表面高硬合金材料的高效精密加工。

在粗加工阶段，以电火花磨削为主，电极（磨具）与球面之间存在一定间隙而没有机械接触，材料的去除主要依赖放电作用。由于存在无切削力的机械刮削作用，材料表面可能形成变质层[4]，因此该阶段需加以机械磨削，以去除工件表面的变质层或放电蚀除物，并通过调节得到适当的电参数，使放电过程保持最佳、磨削效率达到最高的状态（图2），这充分利用了晶体管脉冲电源的脉冲参数易调节、脉冲波形较好、易实现多回路加工和自适应控制等优点。

图1 电火花机械复合磨削加工原理示意图

图2 电火花磨削阶段去除变质层的过程示意图

3 主要实验装置

实验用机床是经现有普通球磨机床改制而成，在此仅对专用复合工具电极、机床绝缘上电及电火花机械复合加工专用脉冲电源作简单介绍。

3.1 专用复合工具电极——杯型砂轮磨盘

针对本实验对象为球体，设计制作了一种专用复合工具电极——杯型砂轮磨盘，由磨头和砂轮棒组装而成（图3）。磨头为一内空的圆盘，并沿圆周方向均匀布置有圆形凹槽，用以装夹圆柱形砂轮棒，再用专用楔块固定牢固。砂轮棒的形状为与磨头凹槽匹配的规则圆柱体。为满足电火花放电加工的要求，选用金属（青铜）作为金刚石砂轮的结合剂，制作工艺为烧结成形，因为该工艺比电镀成形拥有更高的使用寿命，从而可节约成本。

图3 杯型砂轮磨盘

该杯型砂轮磨盘充分利用了电火花与机械这两种不同加工方法的特点，由此提出了高硬度合金材料回转球面电火花机械复合磨削加工新方法。该方法的基本成形原理是应用相贯原理，即一圆柱体与一球体相贯，其交线为一个正圆。当相交圆沿球体轴线旋转一周就构成了一个球面（图4）[5]。与两轴联动的外圆磨削方式相比，以该原理为基础实现的回转球面磨削加工能在原理上避免加工轨迹误差的产生，在此基础上达到以电火花磨削实现高硬度球面的高效加工、以金刚石磨料磨削实现高硬度球面高光洁度（表面粗糙度值低）的最终精密磨削加工的目的[6]。

图4 回转球面电火花机械复合磨削加工成形原理图

3.2 机床绝缘与上电装置

由于该电火花机械复合磨削加工是在放电条件下进行的，因此需对机床进行绝缘保护，避免因机床床身、主轴等带电而烧坏电机、主轴及造成操作者人身伤害。绝缘保护装置设计为：在杯型砂轮盘的两侧面夹紧处安装环氧树脂材料的绝缘垫片，并在杯型砂轮盘内径与轴之间放置材料为PTFE的绝缘套筒，以实现杯型砂轮与机床主轴之间的绝缘（图5）。同时，在机床卡盘、顶尖与球体回转轴的接触处安装绝缘垫片，从而实现工件与机床床身之间的绝缘（图6）。

图5 杯型砂轮与机床主轴的绝缘

图6 工件与机床床身的绝缘

由于加工过程中杯形砂轮处于高速旋转状态，因此采用砂轮盘侧面进电方式[7]。

3.3 复合加工专用脉冲电源

针对被加工球体面积较大、材料去除较难、加工效率低等潜在问题，为了提高加工效率和表面质量，应对脉冲电源作如下考虑：①所产生的脉冲应是单向的，没有负半波或负半波很小，以便能最大限度地利用极性效应，提高生产效率和降低工具电极损耗；②脉冲电压波形的前后沿应较陡，为此应选用延迟时间较短的电子元件，以增加放电过程中的爆炸力，减少电极间隙的变化及油污程度等对脉冲宽度和能量等参数的影响，一般常采用矩形波脉冲电源；③要有高度集中的瞬时放电能量，即有高的能量密度，选用具有储能功能的元件或电路，以增强脉冲放电的爆炸力，使电蚀产物及时排出；④脉冲主要参数，如峰值电流、脉冲宽度、脉冲间隔等应能在很宽的范围内进行调节。根据上述指标要求，本项目选用专门制作的晶体管式脉冲电源。

4 结论

本文提出的电火花机械复合磨削加工大型球阀内芯合金表面的新方法，与单纯用电火花磨削或机械磨削加工方法相比，最大的意义在于：在保证球体极高的磨削精度条件下（球度≤8 μm，表面粗糙度≤0.4 μm），能极大地提高磨削加工效率，同时降低成本；此外，用于电加工的装置非常简单，不需设计专用机床，只将普通球磨机床稍加改造即可，也没有复杂的电极伺服跟进控制系统等，这在保证高效磨削的前提下，能使整个系统结构简单、造价低廉。根据初步实验表明，该加工方法能实现高硬合金材料的高质高效加工，有利于在生产实际中推广应用。

[1]任敬心.难加工材料磨削技术[M].北京：国防工业出版社，1999.

[2]赵万生.先进电火花加工技术[M].北京：国防工业出版社，2003.

[3]张佳.电火花机械复合磨削加工刚结硬质合金的实验研究[J].机械工程师，1997（6）：3-4.

[4]张勤俭.聚晶金刚石电火花超声机械复合加工技术研究[J].金刚石与磨料模具，2012（1）：8-11.

[5]吴琦.高硬度回转球面精密磨削的基础研究[D].上海：上海交通大学，2007.

[6]邹峰，于爱兵，王长昌.金属基金刚石砂轮修整技术的研究进展[J].精密制造与自动化，2003（2）：12-14.

[7]黄海基，李玉声，姬良才.硬质合金复合电加工刃磨技术及设备研究[J].电加工与模具，1993（1）：26-30.

A New Method of Hybrid Electro-discharge and Mechanical Grinding for Alloy Spherical Surface of Metal Ball Valve

Liu Yuantian，He Jianwen，Guo Zhongning
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

High temperature resistance，high hardness and wear resistance are the properties of alloy surface of the large ball valve，the surface of the ball must be conducted hardening treatment. Uaually，we spray coating material with high hardness such as WC or Nickel base alloy on the surface of ball.The hardness is exceed or equal to 62 HRC，which using traditional mechanical griding，machining efficiency is usually low.On the basis of analyzing the principle of the combined method，using precision grinding technology in machining hgih-rigidity，a special composite tool electrode and clamp are designed.Finally，by composite electrode with bronze-bond diamond wheels，electrical discharge and mechanical combined grinding on the surface of alloy ball is realized.

cementedcarbide；hybridelectro-dischargeandmechanicalgrinding；diamond grinding wheel；broze-bond

TG580.6

A

1009－279X（2014）05－0021-03

2014-05-19

广东省教育部产学研结合项目（2012B091100079）

刘源添，男，1988年生，硕士研究生。