至德鋼業(yè)不銹鋼管表面加工特性研究分析

 隨著制造業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，其所用到的材料也隨之升級。由于像不銹鋼管這樣具有較強(qiáng)的機(jī)械性能以及較好的抗熱抗腐蝕性能的材料通過傳統(tǒng)方式難以進(jìn)行高效、高質(zhì)量的表面加工，浙江至德鋼業(yè)有限公司提出了一種新型的不銹鋼管表面加工處理技術(shù)。首先，本文分析了不銹鋼管表面處理方面的研究現(xiàn)狀，闡明了研究的意義；其次，針對通過強(qiáng)電弧對不銹鋼管工件表面進(jìn)行半精加工的問題，闡明了該項(xiàng)技術(shù)的特點(diǎn)，并簡述了其原理；最后，給出了研究不銹鋼管表面加工質(zhì)量影響因素水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法。通過試驗(yàn)的組合處理中，對比分析出了使得加工效果最優(yōu)的影響因素水平選擇方法。研究結(jié)果對不銹鋼管表面加工處理工藝優(yōu)化有著一定的指導(dǎo)意義。

 制造業(yè)是是國家經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)中的主要產(chǎn)業(yè)，生產(chǎn)加工技術(shù)是可持續(xù)生產(chǎn)和支持生產(chǎn)技術(shù)的要素。諸如不銹鋼管和鈦合金等具有良好機(jī)械性能以及卓越的抗腐蝕性能的材料隨著加工技術(shù)的發(fā)展被產(chǎn)品化。因其特性，這些材料被應(yīng)用于航天與兵工等尖端領(lǐng)域。但由于傳統(tǒng)過程效率低、耐受性高、處理溫度高、工具磨損輕，因此有效地改變加工流程、減少材料處理時(shí)間、提高過加工效率和改善良品率進(jìn)而降低產(chǎn)品成本是勢在必行的。為此，提出了一種處理現(xiàn)代復(fù)雜材料的電處理方法。電處理是一種新的電子加工技術(shù)，作為一個(gè)非傳統(tǒng)的加工過程，可以處理導(dǎo)電材料，且對于材料電阻具有較強(qiáng)的適應(yīng)性。專家們對弱電處理進(jìn)行了大量研究，相關(guān)技術(shù)也較為成熟，但為了提高加工的效率，采用強(qiáng)電加工具有更好的效果，對強(qiáng)電處理的研究也成為了當(dāng)前的熱點(diǎn)問題。

一、研究現(xiàn)狀

 隨著新技術(shù)衍生出很多新型高性能、高強(qiáng)度材料，對于這些材料采用傳統(tǒng)的加工技術(shù)，已經(jīng)難以滿足其生產(chǎn)要求，相反，由于工藝的落后，還會(huì)造成良品率的下降，而且加工效率較低等因素也使得其良好的性能難以體現(xiàn)在實(shí)際的生產(chǎn)加工中。為了找到一種有效、高效且成本較低的加工方法，業(yè)內(nèi)專家共同努力，推出了強(qiáng)電弧加工這種手段。該種加工手段主要用于導(dǎo)電材料的加工，作為一種新型的特種材料加工方法，需要具備一定的壓力條件，通過電極釋放的電弧來切削以及清潔材料的表面。該技術(shù)的問世有效推動(dòng)了新型材料的迭代推進(jìn)速度，對于材料加工行業(yè)的產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級有著深遠(yuǎn)的影響。對于難以加工的高強(qiáng)度、高韌性材料，采用該技術(shù)加工具有較高的效率，具有極強(qiáng)的產(chǎn)業(yè)推廣價(jià)值與實(shí)用價(jià)值。填補(bǔ)了國內(nèi)在材料加工領(lǐng)域的一項(xiàng)技術(shù)空白。同時(shí)采用強(qiáng)電弧加工技術(shù)，在環(huán)境保護(hù)方面也有著較小的壓力，不僅對于大氣環(huán)境污染較小且因其相對于傳統(tǒng)加工手段所產(chǎn)生的噪聲較小，對于參與施工的人員的健康傷害較小，對于加工場所的限制也較低，更有助于進(jìn)一步降低尖端材料加工的成本。

二、不銹鋼管強(qiáng)電弧加工原理

 強(qiáng)電弧加工技術(shù)是指在一定壓力的水、氣混合介質(zhì)作用下，利用工件與工具電極之間電弧放電產(chǎn)生的電腐蝕現(xiàn)象來去除多余的金屬或非金屬導(dǎo)電材料，使工件達(dá)到所需的尺寸、形狀以及一定表面質(zhì)量的一種電加工方法。它是一種非接觸性強(qiáng)電加工技術(shù)，屬于特種加工電加工技術(shù)的領(lǐng)域，由于其加工方式的特殊性，比較適于加工超硬、超脆、熱敏感等難加工材料。加工時(shí)，不產(chǎn)生切削力，所以工件不會(huì)因變形而產(chǎn)生各類誤差。在加工系統(tǒng)中，通常將待加工工件與工具電極分別與電源的正負(fù)極相連，形成放電回路。且需要保證工具與工件間隔一段距離來保障非接觸。對工件形成的切削力極小，可認(rèn)為是零。待加工工件在加工過程中低速轉(zhuǎn)動(dòng)形成電極與工件的相對運(yùn)動(dòng)。通過高達(dá)1000A級的放電電流的熱效應(yīng)對于工件表面進(jìn)行熔化，并通過水氣混合介質(zhì)使表面殘余物質(zhì)被及時(shí)的清除出工件本體，實(shí)現(xiàn)對工件表面的加工。

三、技術(shù)特點(diǎn)

  1. 該項(xiàng)加工技術(shù)具有如下優(yōu)勢：

     a. 對于一般機(jī)床難以加工的特種材料，該技術(shù)通過極高的能量釋放實(shí)現(xiàn)高效切削，對于到導(dǎo)電的材料該技術(shù)具有較強(qiáng)的普適性；

     b. 由于待加工工件與工具之間沒有機(jī)械上的直接接觸，而是通過電弧進(jìn)行非接觸式的連通，其機(jī)械接觸和切削力可忽略，也因而可完全不考慮工件除導(dǎo)電性之外的其他物理性質(zhì)；

     c. 工具電極可根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇，制造方便成本低；

    d. 加工效率高，單位時(shí)間清除廢棄材料的量可達(dá)傳統(tǒng)方法的百倍以上；

    e. 加工介質(zhì)成本低廉，可靠性高；

    f. 環(huán)境污染小。

 2. 相應(yīng)的，該項(xiàng)加工技術(shù)具有如下的缺點(diǎn)：

    a. 由于電弧熔融廢棄材料難以做到毫米級的控制，因此該項(xiàng)技術(shù)適用于半精加工；

    b. 由于加工過程中電流極強(qiáng)，用電安全需要有強(qiáng)效的保障機(jī)制。

四、不銹鋼管表面質(zhì)量的正交試驗(yàn)與分析

  作為半精加工手段，強(qiáng)電弧加工是后面進(jìn)一步的加工的前提。保障強(qiáng)電弧加工的加工質(zhì)量可以為后面的精加工工作提升效率和質(zhì)量。通過對17-4PH型不銹鋼管的正交試驗(yàn)有助于分析強(qiáng)電弧加工質(zhì)量的影響因子以及各自的重要性，以進(jìn)行對工藝優(yōu)化多維度的分析。

  1. 表面粗糙度影響因素

  諸如硬化層和裂紋等表面缺陷會(huì)不可避免的出現(xiàn)在強(qiáng)電弧加工處理后的工件表面。即使這些表面缺陷很細(xì)微，其對后續(xù)加工和工件的使用也有著較大的負(fù)面影響。由于當(dāng)前的工業(yè)化生產(chǎn)中采用的機(jī)器設(shè)備日益精密化，對部件、零件的精密度要求也日益增高。采用不達(dá)標(biāo)的部件會(huì)使得相關(guān)的零部件加速老化，甚至影響設(shè)備的性能與壽命。而在這其中，零件的老化或損壞均始于表面的劣化，不夠光潔、有缺陷的表面會(huì)使得所生產(chǎn)的工件由外而內(nèi)的加速損壞，因此提高加工工件質(zhì)量要從半精加工階段就開始著手。

  不銹鋼管表面質(zhì)量不是一個(gè)單維度的問題，可對其造成影響的因子眾多，共同作用，復(fù)雜性較高，分析難度較大。但為了簡化該問題，可將影響因素歸結(jié)為兩個(gè)大類，分別是幾何類因素和物理類因素。

   a. 幾何影響因素：這個(gè)類型的影響主要是因?yàn)榧庸さ毒吲c不夠光滑的工件表面接觸時(shí)產(chǎn)生的運(yùn)動(dòng)畸變所致，工件表面會(huì)產(chǎn)生不平整。

   b. 物理因素：這個(gè)類型的因素主要是加工工藝以及材料上的一些影響因素。

  由于加工的工件通常是成分較為復(fù)雜的合金，其內(nèi)部各成分的含量不夠穩(wěn)定、成分分布不夠均勻或者純度不足均可引起在強(qiáng)電弧加工過程中的工藝執(zhí)行參數(shù)的浮動(dòng)，進(jìn)而使得加工后的工件表面成分分布不規(guī)則，體現(xiàn)在宏觀上就是工件表面粗糙度上升；

  精加工階段，刀具的切削速度應(yīng)當(dāng)根據(jù)不同材料的剛度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，且在合理的范圍內(nèi)提高刀具的切削速度可以提高加工后工件的表面光滑度；

  工件的給進(jìn)量會(huì)對工件表面的粗糙度造成影響，理論上越小的給進(jìn)量會(huì)使得加工精細(xì)度越高，但也不能過小，這個(gè)給進(jìn)量具有一個(gè)臨界狀態(tài)，超過此臨界值后，反而使得工件的加工效果劣化。同時(shí)考慮到實(shí)際的生產(chǎn)效率，需要根據(jù)加工材料的成分以及工件尺寸適當(dāng)調(diào)整工件的給進(jìn)量。

  2. 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析及方法介紹

  作為統(tǒng)計(jì)數(shù)學(xué)方法的分支，正交試驗(yàn)常用于工業(yè)生產(chǎn)中對工藝流程以及執(zhí)行參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過正交試驗(yàn)，可最大程度的減少試驗(yàn)時(shí)間和試錯(cuò)的次數(shù)，以最小代價(jià)完成優(yōu)化方案的設(shè)計(jì)工作。

  正交試驗(yàn)的要素共有5項(xiàng)，具體描述如下：

   a. 試驗(yàn)指標(biāo)：簡稱指標(biāo)，作為與試驗(yàn)?zāi)康南鄬?yīng)的要素，是考察試驗(yàn)效果的標(biāo)度。具體來說，若本次試驗(yàn)的目標(biāo)是提高加工的效率，那么加工效率就是該試驗(yàn)的試驗(yàn)指標(biāo)。按照指標(biāo)的呈現(xiàn)形式可分為定性和定量兩大類。定量指標(biāo)是比定性指標(biāo)更加量化的指標(biāo)，可通過定性指標(biāo)評級轉(zhuǎn)化而來，以使得試驗(yàn)的結(jié)果更加清晰化、數(shù)據(jù)化。

   b. 試驗(yàn)因素：即能夠影響到試驗(yàn)指標(biāo)的結(jié)果的要素，通常使用大寫字母表示。按照因素對于試驗(yàn)指標(biāo)影響的控制程度分為可控因素與不可能因素。前者是指可按照試驗(yàn)的目的，人為通過修改部分參數(shù)、流程來進(jìn)行可控調(diào)整的因素；后者則是只無法通過技術(shù)手段進(jìn)行人工干預(yù)使結(jié)果向著期望方向發(fā)展的因素。試驗(yàn)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)選擇可控因素評定因素水平，同時(shí)保持不可控因素的水平一致，降低其影響以免造成對試驗(yàn)指標(biāo)不可預(yù)估的影響。

   c. 因素水平：不同狀態(tài)下試驗(yàn)因素的量化數(shù)值，按照該因素可取值的數(shù)量，若該因素具有個(gè)可能取值，該因素可稱為水平因素。

   d. 組合處理：對于諸多試驗(yàn)因素逐一按不同情形進(jìn)行組合，所能夠構(gòu)成的全部試驗(yàn)。

   e. 交互作用：不同因素水平的不同試驗(yàn)因素相互組合后形成對試驗(yàn)指標(biāo)的共同影響。

五、試驗(yàn)及結(jié)果分析

  1. 試驗(yàn)準(zhǔn)備

  本次試驗(yàn)的主要目的是通過對17-4PH型不銹鋼管材料進(jìn)行強(qiáng)電弧加工。所選定的三個(gè)可控試驗(yàn)因素為放電間隙(A)、工件轉(zhuǎn)速(B)和電壓(C)對于試驗(yàn)指標(biāo)表面加工質(zhì)量的影響，同時(shí)在試驗(yàn)中保證不可控因素加工介質(zhì)不發(fā)生改變，來保障其不會(huì)對試驗(yàn)的指標(biāo)造成明顯的影響。試驗(yàn)的輸出是對各個(gè)因素影響水平的綜合評價(jià)。

  2. 確定因素水平表

 強(qiáng)電弧加工不銹鋼管17-4PH的因素水平見下圖2所示，試驗(yàn)結(jié)果如圖所示。通過對極端條件的對比分析的方法，17-4PH型不銹鋼管材料在強(qiáng)電弧加工表面加工中三個(gè)可控因素對于試驗(yàn)指標(biāo)（表面加工質(zhì)量）的影響程度從小到大依次是工件轉(zhuǎn)速(B)、放電間隙(A)和電源電壓(C)；按照每個(gè)可控因素的因素水平分析，最佳的方案選擇為A1、B2、C1。

六、結(jié)論

 浙江至德鋼業(yè)有限公司針對不銹鋼管表面加工問題進(jìn)行了系統(tǒng)研究，介紹了對于不銹鋼管這類難加工的材料的加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀，并以強(qiáng)電弧。本文以不銹鋼管的強(qiáng)電弧加工技術(shù)為切入電，系統(tǒng)研究了新型的不銹鋼管表面加工處理技術(shù)。并通過設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)對比分析了對17-4PH型不銹鋼管表面加工質(zhì)量造成影響的三大可控因素：放電間隙、工件轉(zhuǎn)速、電源電壓的因素水平，對每種因素對于試驗(yàn)指標(biāo)的影響進(jìn)行了主次區(qū)分，并通過量化的方式評估了試驗(yàn)組合處理中最優(yōu)化的因素水平選擇方案。