超高壓短弧氙燈鎢電極車削加工的仿真研究*

□ 嚴(yán)劍剛 □ 羅 俊

1.上海第二工業(yè)大學(xué)工程訓(xùn)練中心 上海 201209

2.上海亞爾光源有限公司 上海 201801

1 超高壓短弧氙燈概述

超高壓短弧氙燈是一種強(qiáng)度和準(zhǔn)直度近似太陽(yáng)光的光源，廣泛應(yīng)用在電影拍攝、電影放映、光學(xué)試驗(yàn)、標(biāo)準(zhǔn)日光輻射等領(lǐng)域［1］，并且在波長(zhǎng)600～650 nm范圍內(nèi)可使癌細(xì)胞內(nèi)的血卟啉衍生物變?yōu)榛钚苑肿?，殺死癌?xì)胞［2］。超高壓短弧氙燈的核心部件鎢電極在高頻、高壓電場(chǎng)激發(fā)下電離，產(chǎn)生強(qiáng)烈的弧光放電［3］。因此，鎢電極的質(zhì)量是制造高光效、長(zhǎng)壽命超高壓短弧氙燈的關(guān)鍵。

2 鎢電極加工特點(diǎn)

超高壓短弧氙燈鎢電極如圖1所示，由熔點(diǎn)高達(dá)3 680 K的鎢棒車削加工而成。鎢的硬度高、強(qiáng)度大，且加工精度要求高，因此在加工過(guò)程中車刀磨損快，易崩刀，影響加工精度，導(dǎo)致加工效率低。為此，在車削加工前增加退火工藝，改善切削性能。筆者通過(guò)有限元仿真建立模型，采用不同車刀材料、車刀幾何參數(shù)、切削用量進(jìn)行試驗(yàn)，最終達(dá)到提高加工質(zhì)量和效率的目的。

3 退火處理

車刀磨損是車削加工硬質(zhì)材料中一直存在的一個(gè)難題，因此在車削加工前預(yù)先進(jìn)行熱處理，可以改善切削性能。

鎢是一種高硬度、高強(qiáng)度、高耐磨的難加工材料，在車削加工前進(jìn)行退火處理，是改善鎢切削性能的一種有效方法。

鎢的再結(jié)晶熱力學(xué)溫度一般是其熔點(diǎn)熱力學(xué)溫度的 40%，1 350 ℃、60 min 退火后， 鎢能實(shí)現(xiàn)再結(jié)晶［4］，其硬度有明顯降低，有利于后續(xù)的車削加工。

4 有限元仿真模型

▲圖1 超高壓短弧氙燈鎢電極

應(yīng)用有限元仿真軟件建立車削模型，如圖2所示。這一模型由被車削的鎢棒和車削刀具組成。模擬數(shù)控車削時(shí)，以恒定的切削速度及進(jìn)給量對(duì)鎢棒進(jìn)行車削加工。

▲圖2 車削模型

在實(shí)際操作過(guò)程中，車刀表面與已加工表面在切削過(guò)程中存在摩擦擠壓［5］，產(chǎn)生的熱量對(duì)車刀磨損也有一定影響。此外，車刀的磨損速率會(huì)隨切削速度的加快而加快，隨進(jìn)給量的增大而加快，但加快的幅度越來(lái)越?。?］。因此，實(shí)際加工過(guò)程中需在參考模型的同時(shí)，對(duì)不同情況進(jìn)行修正。

5 車刀材料

常用的車刀材料有碳素工具鋼、低合金工具鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、氮化硅、立方氮化硼、金剛石等［7］，由各種材料制成的車刀有各自的性能。根據(jù)先前的使用經(jīng)驗(yàn)及對(duì)不同材料車刀的使用試驗(yàn)，可以確定硬質(zhì)合金車刀的耐磨性、強(qiáng)度、韌性、耐熱性都符合車削鎢棒的要求。

6 車刀幾何參數(shù)

合理選擇車刀幾何參數(shù)，可以提高切削刃的強(qiáng)度，減小磨損，避免崩刀，提高車刀的耐用度，保證車削加工的精度。

6.1 前角

由于鎢棒硬度大，切削力大，車刀前角選用負(fù)前角，可以提高切削刃強(qiáng)度，并提高車刀耐用度。硬質(zhì)合金車刀在負(fù)前角工作時(shí)，抗壓強(qiáng)度高于抗彎強(qiáng)度。因此，車刀前角可選擇-10～-5°之間。否則車刀容易發(fā)生崩刀，或由于刀刃散熱條件差而加大磨損［8］，影響加工的質(zhì)量。

6.2 后角

前角一旦確定，后角的選擇就成為影響切削刃強(qiáng)度的關(guān)鍵。為了使車刀切削有足夠的鋒利度，便于切入鎢棒，后角取值不易太小。多組試驗(yàn)后最終確定后角取8～10°較為合理。

6.3 主偏角和副偏角

主偏角和副偏角的選擇決定了車刀的耐用度和加工表面的粗糙度。在車削鎢棒時(shí)，由于材料強(qiáng)度高，會(huì)加大進(jìn)給抗力，引起刀架振動(dòng)，因此可以選擇較小的主偏角，避免車刀切入時(shí)產(chǎn)生讓刀現(xiàn)象，同時(shí)可以減小車削表面的粗糙度值。副偏角也應(yīng)取較小值，這樣可以加大車刀刀尖角，提高刀尖的強(qiáng)度，加強(qiáng)散熱。

經(jīng)試驗(yàn)最終確定最佳的主偏角為15～30°，副偏角為 10～15°。

6.4 刀尖圓弧半徑

刀尖圓弧半徑取0.8～1.5 mm，若過(guò)大則會(huì)在車削時(shí)產(chǎn)生振動(dòng)。

7 切削用量

合理選擇切削用量，能提高加工精度，提高生產(chǎn)效率［9］。切削用量是影響超高壓短弧氙燈鎢電極車削加工的重要因素。

7.1 背吃刀量

超高壓短弧氙燈鎢電極坯料選用接近成形尺寸的棒料。由于鎢棒硬度高、強(qiáng)度高，試驗(yàn)時(shí)粗加工分兩次完成。第一次進(jìn)給，背吃刀量為加工余量的2/3～3/4，第二次完成剩余部分，效果較好。

由于超高壓短弧氙燈鎢電極表面質(zhì)量要求高，因此在精加工時(shí)可分為半精加工和精加工進(jìn)行。

7.2 進(jìn)給量

根據(jù)不同規(guī)格鎢電極的尺寸，查閱切削用量手冊(cè)，粗加工時(shí)表面質(zhì)量要求不高，為提高生產(chǎn)效率，進(jìn)給量選為0.3 mm/r。在半精加工和精加工時(shí)，進(jìn)給量小于0.1 mm/r，試驗(yàn)效果較佳。

7.3 切削速度

根據(jù)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和查閱相關(guān)資料，有關(guān)系式：

式中：n 為主軸轉(zhuǎn)速，r/min；Vc為切削速度，m/min；D 為零件外徑，mm［10］。

8 結(jié)論

筆者對(duì)超高壓短弧氙燈鎢電極車削加工的一些影響因素進(jìn)行了試驗(yàn)，通過(guò)有限元仿真建立模型，增加車削前的預(yù)先熱處理工藝，改善切削性能。確定了車刀材料、車刀幾何參數(shù)，為企業(yè)實(shí)際生產(chǎn)提供了依據(jù)，有效提高了加工質(zhì)量和效率，并為制造高光效、長(zhǎng)壽命超高壓短弧氙燈提供了保障。