电火花打毛机床.docx
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电火花打毛机床
第三篇电火花打毛机床
第一章电火花打毛机床的基本知识
第一节概述
电火花打毛机床（ElectricalDischargeTexturing简称EDT）是随着汽车制造行业的发展对冷轧薄板表面毛化的要求而开发的。
出于对冷轧板深冲性能和涂漆效果的考虑，汽车制造商对钢板表面的光洁度有着特殊的要求。
深冲用钢板需要钢板表面有粗糙的表面结构，以便在冲压时使钢板表面上能更好的附着避免钢板和模具发生冷焊现象的油；相反，喷漆则要求钢板表面具有高品质的表面粗糙度以达到好的喷漆效果。
这就需要钢板表面具有一定的粗糙度，同时还要有较高的一致性，而这种均匀的表面粗糙度还要有很高的重复性。
电弧腐蚀技术提供了对这一需求的解决办法，通过计算机控制系统使电火花腐蚀轧辊表面以达到均匀毛化的效果，从而适应汽车和家电制造业对冷轧钢板表面粗糙度的要求。
从使用情况来看，EDT机床毛化的钢板的表面粗糙度（Ra）、峰值数（Pc）和重复一致性（≤±4％）远远好于传统的喷丸打毛法，现代大型冷轧厂的磨辊车间已经广泛使用电火花打毛机床处理轧辊用于生产不同表面粗糙度的冷轧钢板。
第二节电火花毛化原理
一、电火花毛化原理
EDT电火花毛化的基础是电弧腐蚀工艺，功率发生器接通介质油中的传导粒子形成一个两极性的电桥。
而这个电桥产生断续性的充电电流作用在轧辊上，将轧辊表面熔融，达到毛化的效果。
电极和轧辊放电时在放电通道上形成一种气态的副产品，当气化达到一定的程度后，气泡爆裂将熔化的金属抛出,由打毛油将其冲走，轧辊表面形成放电凹坑，同时电桥瓦解。
电火花毛化机床是一种利用正负电极之间的脉冲电流在可控状态下，在特定工作介质中放电所产生的电火花来瞬时微量熔化轧辊表面，形成不规则、相互叠加的放电痕，从而达到所需表面粗糙度。
毛化的过程可以程序控制，可以在一个非常规律的情况下反复产生，并且表面粗糙度可以控制在一个非常精密的公差范围内。
图3-1-1是电极打毛时的一种电压和电流的波形。
打毛脉冲以高电压开始，在一段时间延迟（td）之后产生火花，电桥导通，电压下降，在低电压作用下持续特定的一段时间，在电火花的腐蚀下轧辊表面形成所需要凹坑。
图3-1-1电流和电压波形
二、电火花发生过程
火花的发生过程是一段非常短的时间，通常以微秒级来衡量。
图3-1-1详细介绍了电火花发生过程：
a工件和电极之间脉冲电压开始建立电场，没有电流，绝缘油由于电场的建立被电流分解出少量气泡；
b电压升到一定值，无电流电场内的电离加剧使气泡增多集中；
c电压升到最高，出现转折点，极间开始放电出现熔融，电流开始上升；
d放电加剧电压下降，直至形成电弧短路线，熔融达到最剧烈，电流也上升到最高点；
e放电结束，由于熔融使工件和电极间距离增大，脉冲电压变为“0”，放电电流也变为“0”，熔融结束；
f电极和工件间气泡散开，放电过程结束，电压重新建立，进入下一周期。
图3-1-2毛化机床放电过程
三、电火花毛化机床延迟放电伺服控制系统
电火花毛化机床延迟放电伺服控制系统是通过电脑处理和分析，延迟放电时间，确定电极和轧辊之间的间隙距离，毛化头依靠接收到的伺服电极发出的信号来向前或向后移动，图3-1-3详细介绍了该过程:
图3-1-3延迟放电过程
Sarclad电火花毛化机床毛化范围：
图3-1-4毛化举例
Sarclad电火花毛化机床可以获得不同的峰值数，粗糙度范围一般在1.0-10.0μm，从图中可以看出，在B=0的情况下，粗糙度从0.5μm递增至6.0μm的过程。
第三节EDT机床相关知识
一、概述
EDT机床用于完成在工作辊表面产生预定的均匀的粗糙度。
EDT方式可产生比传统的喷丸方式更高数量的尖峰，同时，表面具有非常高程度的均匀性（≤±4％）。
工件的硬度对这种打毛模式几乎没有影响，因此它可以用来打毛高硬度轧辊（高铬辊）。
二、毛化质量控制
电火花毛化辊的质量，由两部分组成：
轧辊本身的磨削质量、毛化质量。
对于需要毛化的轧辊，首先要确保辊面没有刀花、振痕、较大尺寸的砂轮划伤、油污、锈斑、磨削液斑，辊颈没有较严重的损伤等。
这些缺陷，均会产生不同的毛化缺陷，所以，在开始毛化前，需要用绝缘油清洁辊面，并仔细检查是否有上述或其它缺陷存在，如有，需要分析可能产生的影响程度并进行预处理，对于会造成质量不合格的，不必毛化，需要重新磨削。
对于电火花本身，毛化前要检查电极是否松动、密封的磨损情况、碳粉比例、托架稳定性、对中装置准确性、托瓦磨损、头架转动的稳定性等，只有设备本身处于良好的状态，才能毛化出良好质量的轧辊。
为了得到所要求的轧辊表面，在打毛前轧辊应尽可能的准备好，下面要求应满足：
1）辊身不能有刀花和振痕。
2）轧辊表面没有磨削液斑和锈蚀。
3）磨削后的粗糙度符合打毛要求（打毛要求的40％）。
4）辊颈状况良好，辊颈支撑位的偏心度在0.010mm以内，无损伤。
5）辊身及辊颈无铁锈、油脂、磨削铁屑或其它任何脏物。
三、轧辊毛化后粗糙度检测
1.粗糙度基本知识
经过机械加工的零件表面，或者是用其它方法获得的零件表面，总会存在着由较小间距和峰谷组成的微小的高低不平的痕迹。
这种痕迹也就是零件表面的微观几何形状，微观几何形状的特征形态，可用它的特征量――表面粗糙度来表示。
表面粗糙度越小则表面越光泽（所以表面粗糙度，过去也称之为表面光洁度）
表面粗糙度是一种微观的几何形状误差。
目前，还没有划分表面粗糙度、波度和形状误差的标准。
通常是按照波距来划分。
波距小于1um属于表面粗糙度（微观几何形状误差）；波距在1-10um属于表面波度（中间几何形状误差）；波距大于10um属于形状误差（宏观形状误差）。
粗糙度测量是使用专用仪器，对工件表面进行微观几何形状的测量。
常用测量方法有比较法、光切法、光干涉法、针描法。
就我厂磨辊间而言，使用的是针描法，主要是测量轧辊表面的粗糙度Ra。
评定表面粗糙度的参数较多，最常用的就是Ra。
它的含义是轮廓算术平均偏差，是在取样长度内，被测轮廓上各点至轮廓中线偏距绝对值的平均值。
2.粗糙度检测仪器使用基本规范
粗糙度检测仪器型号较多，具体操作会有所不同，但其基本的使用规范相差不大，在此说明如下：
Ø使用前，检查仪器各种附件是否连接正确，尤其是探头与主机的连接；
Ø开机后，确认电池量是否足够，不足的更换电池或按规定充电；
Ø原则上，使用前均要对仪器进行校正。
一般仪器均配有标准试块，通过正确的方法对试块进行测量，对比实测值与试块标准值是否有误差，如有，可以调整仪器，直至误差在规定范围内；在此注意，标准试块的被测表面，不要用手接触，以免生锈；
Ø根据需要检测工件的表面粗糙度（Ra）范围，调整仪器上的取样长度和评定长度；
Ø无论检测什么形状的工件，必须先清洁其表面，不能有油污、明显灰尘、机械划伤等会对检测结果有较大影响的缺陷；
Ø检测平面工件，须确认工件表面是否平整，不能有明显凹凸不平；
Ø检测圆柱形表面，须注意探头的运行轨迹是否与圆柱轴线基本重合。
有些仪器上有对中功能，可以使用此功能进行对中调整；
Ø探头应与被测表面良好接触，但探头的辅助部分不能接触工件，以免引起附加摩擦；
Ø对于一些异形工件，可以通过调整仪器的辅助支架来正确放置；
Ø当仪器正确放置在工件上后及其在测量过程中，注意确认工件没有振动，也不要再移动仪器，按下测量开始的按钮，等待测量结束；
Ø测量结束后，仪器有个计算测量结果和探头复位的过程，注意不要再次按测量，以免程序出错；
Ø根据仪器的不同，会有不同的粗糙度显示值，选取自己需要的记录、打印即可。
Ø使用完毕后，及时关闭电源（有些仪器也可以通过设定自动关机时间来关闭），妥善保管。
四、绝缘油的作用
（1）防止空气进入放电区域（绝缘）和提供必须的电荷能量放电介质。
（2）冷却和从辊身表面带走打毛产生的颗粒。
（3）通过绝缘油的流动从加工区域带走颗粒。
（4）缩短打毛时间。
第二章电火花打毛机械结构
现代化冷轧轧辊表面粗糙度加工方法主要有以下几种：
喷丸毛化、激光毛化、电火花毛化等。
这几种方法各有其特点，传统的喷丸法，其粗糙度的均匀性和峰值受许多因素的制约，即使在设备调整得很好的情况下，也会因为其固有特性出现以下问题：
1.冷作硬化。
2.喷丸硬度不稳定。
3.所需的喷丸得不到有规律的补充。
4.丸粒筛选不够严格。
5.一对轧辊的辊身硬度不同。
6.辊身长度方向的硬度不同，在辊身边缘硬度下降。
其他毛化方式由于技术原因也存在一定的直接影响轧制产品质量的问题。
这些问题给冷轧深冲板的加工带来了不可避免的困难。
故攀钢西昌冷轧磨辊间采用CNC控制电火花毛化机床。
与喷丸毛化比较，EDT毛化法单位长度上的峰值数约多80%，毛化粗糙度和峰值数的均匀性和重复性为±4%。
可以说，EDT打毛在技术方面上比喷丸法及其他打毛方法要优越，它不依赖于辊面硬度或轧辊钢材质量；同时，在对具有不同硬度的一对轧辊打毛时，可以使这两根轧辊都达到所要求的值。
第一节技术参数
一、设备规格及含义
设备规格：
RolltexEDT72-2500x5000
设备规格含义：
轧辊辊身长度
中心距
RolltexEDT722500×5500
电火花打毛机床
电极数量
二、主要技术参数
工作范围：
最大轧辊长度
5500mm
最大/最小辊径
800/300mm
辊身最大长度
2500mm
辊身最小长度
500mm
最大轧辊重量
8000Kg
机床大约尺寸（长×宽）
12200×4500mm
机床毛化站高度
4000mm
顶尖距
5500mm
机床重量
29000Kg
设备总重
36000Kg
头架：
上辊时轧辊转速
5rpm
轧辊毛化时速度范围
10-25rpm
最大摆动速度
40rpm
床身移动速度
0-2000mm/min
头架行程
150mm
尾架：
尾架行程
3000mm
尾架移动速度
1400mm/min
托架：
移动速度
1500mm/min
电极/毛化头：
电极数量
72
毛化头数量
2
电极放电时间
5-999（门槛值在1amp）
电极停电时间
5-999（门槛值在1amp）
电极长度
160mm
电极直径
9.5mm
有效长度（约）
60mm
第二节电火花打毛机床（EDT）主要机械结构及传动原理
图3-2-1电火花毛化机床实物图
图3-2-2电火花毛化机床示意图
一、床身
电火花毛化机床的床身是头架、尾架、两个带软着陆装置的固定托架以及回油系统和带电极伺服驱动系统的基座，床身底座采用弹性基础，床身导轨为方形长导轨，固定托架、尾架和头架均可在导轨上作纵向运动，尾架可按工作辊辊面长度的变化自动的沿辊身调整。
操作者首先将轧辊放到机床上然后输入数据（轧辊编号）。
也可以通过位于机床上的两个控制盘手动移动运动部件。
二、头架
图3-2-3头架参考图
电火花毛化机床头架的作用是定位和驱动轧辊旋转。
头架旋转要求传动平稳，并且有足够的刚度。
为了更高程度的实现自动化，与磨床类似，电火花打毛机床头架面板上也采用了轧辊扁头检测装置和头架驱动与轧辊扁头之间的自动耦合装置。
扁头检测装置和轧辊扁头自动耦合装置安装在头架面板上，用于探测、定位扁头，并且可以与带扁头的轧辊自动耦合，能够替代传统的在轧辊头部安装卡箍的做法，起到驱动轧辊的作用。
EDT的轧辊扁头检测和自动耦合装置可适应多种不同扁头尺寸的轧辊，另外，通过在轧辊辊头装备轧辊驱动适配器，可以适应磨削不带扁头轧辊及更多类型轧辊的需求。
图3-2-4扁头自动耦合装置
三、尾架
图3-2-5：
尾架参考图
尾架纵向位置的调整由电动机构自动来定位，具体传动结构为：
电机—皮带轮—滚珠丝杆。
在尾架上还配备有一个短行程液压控制的套筒（图3-2-5）。
为了实现打毛加工时轧辊的摆动，在套筒液压控制系统中设置有一个压力开关，预先调定一设定值，当尾架套筒顶杆承受压力小于设定值时，系统进油，液压缸顶出；当套筒顶杆承受压力大于限定值时，系统回油，液压缸退回，为了防止尾架在工作状态时后退，尾架通过输入轧辊几何形状的程序自动定位，尾架在床身导轨上的夹紧采用机伺服机构。
四、托架
托架由三部份组成：
托架本体、软着陆装置和带Y形尺的对中装置（图3-2-6）。
托架的定位是通过两个对称的电动调整装置分别负责调节头架侧和尾架侧托架的位置，它的调整方式为：
电机—皮带轮—滚珠丝杆—丝母，移动速度均为1500mm/min。
托架上带有易于更换的托瓦，用于支撑轧辊辊颈，托架可支撑的轧辊辊颈范围为180～420mm，特殊的辊颈直径需要定做特殊尺寸的托瓦。
软着陆装置安装在两托架相对的侧面，用于装载轧辊时减小缓冲，当轧辊装载好后，缓慢下降，将轧辊再放置在两托架的托瓦上，防止损坏托瓦和托架的升降机构，根据不同轧辊类型由液压系统控制起升高度。
轧辊的对中是在托架上，由气动控制系统控制Y形尺前进并接触轧辊辊颈，然后，由电机控制安装在托架内的升降机构来调整托瓦的高度来共同完成。
图3-2-6托架参考图
图3-2-7：
测量对中系统原理（图）
EDT机床Y形测量系统主要用于轧辊的轴向和径向对中，当准备毛化的轧辊吊上机床后，必须利用Y形测量装置对轧辊进行对中，以保证毛化精度。
Y形测量装置利用气动杆原理通过与参考值的计算比较，使执行机构-托架自动调节轴向和径向位置，从而达到对中效果。
五、毛化头
毛化头由两部分组成，请参照表3-2-1毛化站参数：
特征
数量及描述
上部分
毛化站数量
2
每个毛化站伺服电机数量
3
每个电机驱动的电极数量
12
电极总数
72
绝缘池
多级别液位传感器
多重温度传感器
电极浸泡在绝缘油50mm下方
利用齿轮箱及滚珠丝杆完成上部分的迅速进给
下部分
支撑上部分的基座
通过电机-齿轮箱-滚珠丝杆进给，移动速度在120mm/min或更快
表3-2-1毛化站参数
图3-2-8毛化头结构参考图
图3-2-9毛化头结构图
EDT机床毛化头主要由绝缘池、驱动系统、电极座及密封组成，毛化头组成部分主要技术参数：
表3-2-2毛化头主要技术参数
名称
描述
绝缘池数量
2个
绝缘油容积
20L/每个绝缘池
流速
最多60L/分
密封使用周期
约2至4周
电极浸入深度
50mm
传感器
液位小于45mm停止工作
温度超过60℃停止工作
电极保持架数量（12支电极）
6个
六、电火花打毛机床的控制及操作系统
1.机床控制系统（MES）
在毛化系统中MES提供必需的操作控制，整套系统由西门子（S7）PLC控制器组成，I/O站贯穿于整个毛化系统，通讯采用标准的ProfibusDP协议。
模块式的I/O站为机床在操作控制过程中提供必需的数字或类似的信号，采用分散式设计的I/O站的主要优点有以下几个方面：
Ø可以减少大量的接配线工作；
Ø可以实现维护和诊断的定位操作与控制；
Ø增加了灵活性和扩展性；
图3-2-10典型的控制系统图
2.操作控制系统（OCS）
操作控制系统在操作站和MES之间提供必要的界面或接口，Sarclad电火花毛化机床采用两个操作站，一个靠近机床附件，一个安装在中控室，实现远程操作，两个操作站可以切换控制，OCS有以下主要功能：
Ø数据输入；
Ø数据存储（大于1000支轧辊的毛化记录）
Ø系统诊断；
Ø打印记录；
Ø机床状态检测（系统错误与报警、操作模式、系统反馈）；
Ø机床操作屏幕的首选语言为英语，用户可根据自己的爱好选择语言；
3．伺服控制系统的工作原理
电火花打毛电极与工件间隙的调整是由伺服电机接受的信号来控制的。
它的控制原理为：
机床的毛化工艺采用多电极排列来实现，通常12个电极使用一个伺服系统，为了获得较高的工作效率，这12个电极中平均放电延迟最低的一个将被监控，通过服务器将放电延迟的门槛值进行处理和比较以此控制间隙距离，根据伺服电机接受的信号决定毛化头前后移动，系统设定一个控制电压与一比较电压进行比较，比较差值信号经放大器放大，输入到串联的电磁线圈，使线圈中的喷嘴挡板产生偏转，进而使两边进油压力发生变化，轴心向油压低的一侧移动，移动距离再经转换器转换为电压值，再进行比较，如此构成闭环控制线路，最终达到控制液压缸的目的。
图3-2-11间隙控制
第三节EDT过滤系统
一、过滤系统
电火花打毛机的过滤系统是整台机床的最重要的组成部分之一，整个过滤系统的结构是一个自动切换双过滤系统。
该系统主要功能就是使绝缘油循环利用，使机床工作时防止绝缘油变脏及着火。
有三个容量为1000升的工作油罐，有一个反冲洗过滤装置（下图F1），过滤当清洁油箱充满后，已过滤的清洁绝缘油溢出隔离墙进入脏油侧油箱，一直进行到过滤油箱两侧均为清洁油为止。
图3-2-12过滤系统
在整个系统中采用了大量的泵。
其中包括循环泵，由交流电机驱动，它的作用是在工作状态将清洁的绝缘油输送到机床的毛化头工作油槽，工作油箱内溢出的油流回过滤油箱的脏油侧，这样循环过滤保证了工件在打毛过程中介质油的清洁度；作用是负责工件与工件加工间隙介质油的冲洗。
冲洗泵的作用是当过滤器经过一段时间的工作后，过滤器网孔被污泥阻塞，这时启动冲洗泵，从清洗油箱抽出绝缘油，对过滤器进行反冲洗，冲洗后的脏油通过管道排到真空无头纸带过滤器中，当纸带过滤器中的绝缘油达到一定数量，启动真空泵，将已经沉淀的绝缘油抽回脏侧油箱。
抽出的绝缘油通过过滤器，流进清洁油箱。
为了调节整个过滤系统的工作状态。
在系统中采用了大量的调节阀门。
通过对阀门的调节，可以实现系统的自动控制。
电火花打毛机床在过滤系统配备有过滤能力强大的反冲洗过滤装置，主要包括8个过滤棒及滤芯。
其过滤原理为：
每一个过滤元件由过滤棒和过滤滤芯组成，它们形成一个多层的圆柱形。
在过滤器的出口，以这种方式从外侧向内侧提供流经每一个过滤元件的流量，过滤器收集的废物大多数留在过滤元件的外面，微小颗粒也会带到间隙和多层的环开口间。
用于回流冲刷的液流方向是反向的，并附加从过滤器上部开口处吹入的空气，这就使废金属掉在过滤筒内。
用这个系统可以将所有大于3µm的颗粒全被过滤掉。
图3-2-13反冲洗原理
由上述可知，经过回流冲洗及空气吹扫的介质油和淤泥的混合物经过过滤后，油液被回流到工作油罐中，淤泥及毛化铁屑被反冲到废物出力箱。
Sarclad电火花毛化机床的过滤系统主要有以下特征：
表3-2-3过滤系统主要特征
名称
描述
绝缘油池
✧油池采用钢结构；
✧油池容量为1000l；
✧液位计；
✧油池内部的搅拌装置；
中转油池
在毛化液循环过滤周期中，这个油池主要用于中转和存储毛化液：
✧油池容量为1000l；
✧液位计；
过滤装置
✧过滤圆柱上有8个过滤棒；
✧自动过滤；
✧压缩空气反冲洗式；
✧压力传感器；
废物处理
Sarclad提供一个有手柄的废物处理箱，毛化产生的废物将直接排放到该箱体中；
电机及泵
✧泵1和泵2进给毛化液，泵5返回毛化液至油池（离心泵）；
✧泵1和泵2也应用于毛化液的过滤；
✧泵3用于进给中转油池（diaphragmtype）；
✧泵4用于反冲洗过滤结构中的脏油循环过滤（离心泵）；
二、过滤系统主要参数
绝缘过滤系统根据绝缘油的使用时间，利用自动控制开关在油罐1和油罐2之间自动切换，具体参数：
表3-2-4过滤系统主要参数
名称
描述
过滤装置
8个过滤棒
毛化时间/循环过滤
40小时
完成循环过滤周期需要时间
4-5小时
滤出物主要成分及含量
石墨及油液17Kg
钢0.5Kg
铜2.5Kg
每支轧辊消耗量
0.5L
第四节电火花毛化机床的电气设备
一、驱动柜
驱动柜为毛化系统提供主电源，包括机床操纵器的来回移动及旋转，同时包含机床附近操作台和远程操作台的I/O站，主要有以下功能：
Ø连接三相电源；
Ø电气子系统的功率分布；
Ø机床操作器的移动及旋转；
Ø毛化站进给；
Ø紧急停机系统；
二、伺服控制柜
机床的伺服控制系统结合了操作控制台的I/O站，主要有以下功能：
Ø毛化站的伺服控制；
Ø毛化参数的反馈；
∙门槛值
∙放电时间
∙停止时间
Ø伺服控制系统的状态检测；
三、电源柜
电源柜为机床的每支电极提供毛化电流，整合在12个模块的架子上，每个架子从0amp到30amp以1amp递增为电极提供电流，电源柜的数量根据毛化系统电极的容量来决定，比如72通道的毛化系统需要6个电源柜。
主要有以下功能：
Ø提供电极电流；
Ø电极电压反馈
Ø电极电流反馈；
Ø电极功率检测；
四、PC和PLC控制柜
机床控制系统（MES）、操作控制系统（OCS）和彩色喷墨打印机的PC和PLC安装在驱动柜和分配柜的一些专用区域。
思考题：
1．电火花打毛机床的打毛原理是什么？
2．电火花打毛机床主要由哪些部分组成，简述电火花打毛机床的结构？
3．简述电极控制方式。
5．打毛过程中是如何实现轧辊摆动的?
6．简述打毛液过滤系统构成。
7．电火花打毛机床是什么控制系统？
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