电熔爆技术是新疆电熔爆技术研究所叶良才发明的一种强电加工技术 ,也是我国具有完全自主知识产权的原创性技术。由于加工时工件材料熔蚀并伴有爆裂声这一特点 ,因此被命名为“电熔爆”技术 ,并将相应的英文名称译为“TheElectricalMeltingandExplo sion” ,简写为EME。电熔爆技术采用非接触性强电加工 ,特别适合于加工特硬、特粘、特脆、热敏感等难加工材料 ,有效地解决了采用常规机械方法加工这类材料的技术难题 ,是世界机电加工技术的一次重大突破。在加工过程中 ,带电工具电极与工件表面间产生特殊的电作用 ,使工件表面局部迅速熔化 ,在高速工作液的冲击下 ,熔化金属迅速爆离工件表面 ,以达到去除金属的目的。与传统加工方法相比 ,电熔爆技术生产率明显提高 ;能耗与机加工相比 ,特别是与电火花加工相比明显降低 ;成本、重量、传动结构简化程度、机床使用寿命等指标均明显优于其它各类传统机床。这一技术可在冶金、机械、航空、航天、石油、化工等行业得到广泛应用 ,为这些行业难加工金属表面处理提供适用、高效、快速可行的技术手段。电熔爆技术问世已有 2 0年的历史 ,在技术研究和产业化方面也已取得了可喜的成就。该技术在机械制造业中的重要地位 ,已得到我国政府和国内、外专家的肯定 ,同时也得到了国、内外相关企业的高度关注。但同时应该注意 ,在该研究成果产业化的同时 ,技术问题并未得到完全解决 ,特别是其工作机理和相关技术的进一步研究未能与产业化的进程同步进行 ,显得研究力度有所不足。由于注重产业化的同时 ,忽略了工作机理和相关技术的深入研究 ,使得电熔爆技术的实际应用受到了一定的限制 ,导致了电熔爆技术的产业化进程后劲不足 ,从而减缓了电熔爆技术的产业化进程。但是今后只要注重加强和深化电熔爆技术的机理研究和相关技术的研究 ,必将提高电熔爆技术的科技含量 ,为电熔爆技术的产业化奠定更加坚实的基础 ,在制造业发挥越来越重要的作用。 一、电熔爆技术简介电熔爆是一种非接触强电加工 ,在加工过程中 ,刀盘 (相当于刀具功能的带电电极 )与工件表面间产生特殊的电作用 ,形成高密度的强电子电流 ,产生高温、高热使工件表层迅速熔化 ,在施加工作液的情况下 ,工件表层熔化金属爆离工件 ,获得尺寸精度和表面粗糙度。其工作原理示意如图 1所示。图 1 电熔爆加工原理电熔爆机床均师承传统加工机床格局 ,根据其加工工艺的不同可分为外圆回转表面加工和平面加工 ,还可用于孔加工 ,但最具优势的是外圆加工<1> 。图 1所示为外圆加工电熔爆机床工作原理图 ,工件接电源正极 ,可安装在机床卡盘或顶尖上 ,刀盘接电源负极 ,工件和刀盘保持一定的间隙。在加工过程中 ,工件和刀盘在动力源和传动系统的驱动下 ,以一定的转速和圆周进给速度实现相对运动 ,工作液自始至终充分注入工件和刀盘之间 ,工件和刀盘间的间隙将会使工件和刀盘间剧烈放电 ,放电产生的高温、高热足以使工件表面的金属局部熔化 ,被熔化的金属在工作液的作用下产生剧烈熔爆 ,并伴随着爆裂声迅速爆离工件表面 ,从而完成对工件表层金属的无接触“切削”加工。电熔爆加工采用专用低电压、大电流直流脉冲电源。电源电流最高值可达 30 0 0A ,电压最低值可到3V ,脉冲频率低于已知的电加工采用的频率。工具电极材料为一般的低碳钢 ,加工时机械切削力近于零 ,放电介质为普通自来水 ,加入少量添加剂。其基本原理有别于电解磨削 (或阳极机械切削 )和电火花加工 ,前者是通过电解液对工件表面的电化学作用和砂轮 (或刀具 )的机械切削交替进行的 ,后者是利用脉冲直流电在工件与电极的间隙中产生电火花来加工的 ,而电熔爆是利用经过压缩的电弧的综合作用获得高效、低耗的加工效果 ,它们的加工效果和能耗比较见表 1<2 > 。表 1 各种电加工方法比较加工方法 平均 /最高金属去除率 (mm3/min) 能耗 (kW·h/kg)电解加工电解磨削阳极机械加工电火花电熔爆1 0 0 / 1 0 0 0 01 0 / 502 0 / 89840 / 4 0 0 050 0 0 / 1 2 50 0 01 1～ 1 91 0～ 1 53～ 52 0～ 401～ 2 2 二、电熔爆技术发展现状电熔爆技术问世后 ,已在难加工材料的加工方面显示出了其独特的技术优势。电熔爆机床几乎可加工一切导电材料 ,尤其是对高硬度、高红硬性、高韧性、软金属、高脆性等各种难加工材料 ,可进行高生产率、无切削力的机械加工。实验时曾经切过模数为 5mm的整体高速钢齿轮滚刀 ,一次进给可将全齿高切除 ,生产效率在已知的电加工方法中是最高的。例如 ,轧钢行业用于精轧工序的无缝钢管轧顶按传统工艺为红车 ,即加热后车削 ,其废品率高达 5 0 % ,改用电熔爆加工后 ,完全是冷加工 ,正品率达到 90 %以上 ;石油钻机钻杆的管接头用等离子焰喷涂硬质合金后 ,用电熔爆加工效果很好 ;此外 ,电熔爆技术已成功地加工过美国深埋核废料的铅罐用不锈钢匝、多种超硬焊丝修补的活塞以及轧钢 机轧辊等。电熔爆技术可以广泛地用于航天、航空、冶金、机械、船舶、铁路、军工、石油、矿山等各个行业,对各种特殊材料及难加工材料如碳化钨、不锈钢、高铬合金、高锰合金、稀土合金、超硬合金、钛合金、金属陶瓷等进行经济而且高效的加工。备受关注的电熔爆技术先后获得过三次国际发明奖,七次全国发明奖 ,其中在国内发明展上获过最高奖———北京市市长奖 ,并获得中华人民共和国以及美国的发明专利。为了使我国具有完全自主知识产权的这一技术成果尽快产业化 ,国家曾把电熔爆技术列入“八五”重点科技攻关项目和“九五”国家重点技术创新项目。 1998年国家计委等部门又将其列入国家重点工业性试验项目 ,为实现电熔爆技术产业化创造了条件。同时 ,电熔爆技术还被新疆维吾尔自治区列为“十五”重大科技技术产业化首项计划。在国家的大力支持和技术扶持下 ,经过相关科研单位和相关企业几十年的科研攻关 ,特别是“八五”重点科技攻关和“九五”重点技术创新 ,电熔爆技术的研究取得了可喜的成就 ,电熔爆技术的产业化进程也取得了长足的进展。目前 ,已研制的电熔爆机床有外圆加工、内圆加工、平面加工、曲轴加工、轧辊加工、开槽、切割下料、 水泥挤压磨辊加工以及多种其它专用机床。以上各类机床均有粗加工机床和粗、精结合加工机床两大品种,同时又有一般机床和数控机床不同型号。 三、电熔爆技术存在的主要问题电熔爆技术虽已问世多年 ,技术问题并未得到完全解决 ,特别是其工作机理深入研究还缺乏力度 ,与其关联的许多技术问题 ,用系统工程的观点看研究也是不够的。电加工成熟的方式已很多 ,但电源电流都远低于电熔爆电源电流。典型代表的电火花加工 ,其基本原理是利用高速电子流轰击工件 ,电子动能受阻后瞬间转换为热能而使工件熔化、气化 ,达到蚀除加工余量的目的。要利用其脉冲电源的极性效应保护工具电极 ,利用控制系统防止连续电弧放电。而电熔爆电源的特点是长脉冲、大电流 (正常工作电流为 6 0 0～30 0 0A) ,其放电的实质及其机理的研究目前还不够深入 ,因此制约了加工时有关切削参数、电参数等工艺规程的合理制定和选用。上述问题的存在导致电熔爆技术的应用还存在着一定的局限性 ,特别是表面加工质量、加工效率、刀盘损耗以及噪声等问题都没有得到根本的解决。例如 ,目前电熔爆加工噪声可达 12 0dB ,一般降噪手段都是采用全封闭防护罩降噪 ,可使工作噪声下降到 85dB以下 ,但同时增加了机床的成本 ,影响了机床的整体布局 ;电熔爆刀盘 (工具电极 )在工作过程中存在自然损耗问题 ,刀盘直径尺寸随着工件的连续加工不断缩小 ,直接影响工件的加工精度 ;工件的表面加工质量并不是很高 ,目前电熔爆机床所采用“粗—精联合”加工方式 ,其表面加工质量要靠其它机械加工方式保证 ,增加了机床的结构复杂性 ;有关切削参数、电参数等工艺规程还无法进行优化选择 ,使得电熔爆的加工效率未能发挥最大潜力等。要解决电熔爆技术存在的问题 ,为电熔爆技术的发展应用奠定坚实的基础 ,其工作机理及其相关技术的深入研究必须得到重视和加强。电熔爆工作机理及相关技术研究有待解决的问题主要有以下几个方面 :1)放电通道中的电流密度及其分布规律的研究。 2 )电熔爆放电时 ,刀盘和工件的极间电压阈值和电流阈值的测定研究。 3)放电区加工区域的温度测定及温度场研究。 4 )加工介质 (工作液 )的作用机理研究。 5 )加工过程中工件表层金属爆离机理研究。 6 )工件表面的形成规律以及表面粗糙度影响因素研究。 7)加工后工件表面的应力状态及金相组织变化规律研究。 8)加工后工件表面变质层与加工参数之间的关系研究。 9)加工过程中噪声产生的根源及减少噪声的方法研究。 10 )工具电极的耗损规律研究。 四、电熔爆技术展望2 0 0 2年 1月 ,中国机械工业联合会发布了“电熔爆外圆加工机床”中的型谱、参数、强度检验、技术条件等四项标准 ,从而将电熔爆加工机床正式列入了机床名录。同年 ,“电熔爆外圆加工机床”系列行业标准 ,由国家经济贸易委员会批准 ,并于 2 0 0 2年 7月发布 ,于2 0 0 2年 12月起正式实施。这些标准的发布实施 ,标志着电熔爆机床走上了标准化、规范化、系列化的道路 ,必将推动电熔爆技术的进步 ,促进电熔爆机床的产业化和市场化。电熔爆在国内的应用日益普及 ,2 0 0 2年 3月 5日 ,南通电熔爆股份有限公司研制的首台三轴两联动立式电熔爆数控机床通过商检部门检验后封装发运美国。这是我国拥有完全自主知识产权的高科技机床设备第一次出口 ,买家为
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