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D0I:10.13374/j.issnl001-13.2007.0L.01 第29卷第1期 北京科技大学学报 Vol.29 No.1 2007年1月 Journal of University of Science and Technology Beijing Jan.2007 EDT毛化轧辊表面凹坑形成过程 吴长春)张杰) 陈先霖)郝建伟）贾生晖)汪磊川 1)北京科技大学机械工程学院，北京1000832)武汉钢铁（集团）公司，武汉430083 摘要针对轧辊表面电火花毛化过程中放电中心温度的变化、凹坑形状与电参数的关系等问题进行了研究·通过分析放电 通道形成过程和热流密度分布函数，采用解析法建立了单个脉冲放电通道的热传导模型，并运用积分变换法和有限差分相结 合的方法进行了温度场求解：讨论了轧辊表面在不同峰值电流下放电区域中心位置的瞬态温度变化，确立了峰值电流和脉冲 宽度与熔化凹坑形状的关系，结果表明，理论计算值与实验结果相吻合，所建模型与采用的方法正确，可用于轧辊表面形貌形 成过程的仿真· 关键词轧辊：表面凹坑：电火花加工：热传导：积分变换法：有限差分法 分类号TG661 电火花毛化是轧辊表面毛化的一种方法，广泛 期就达到峰值电流I。,放电通道半径主要随着放电 应用于板带轧机工作辊表面的毛化处理山.目前对 时间的持续而增大，达到时间T后，半径趋于稳 电火花加工机理和加工参数与表面粗糙度关系的研 定.井上洁[和Dibitono]等人的研究结果表明， 究主要采用实验方法，缺乏理论根据，且难以广泛应 在达到最佳加工状态时，最佳脉冲宽度T与放电 用.本文通过分析热源分布的特征，建立热传导模 峰值电流【。之间具有如下关系： 型，并进行温度场的求解，建立了蚀除凹坑形状与电 Top=klp (1) 加工参数的关系，为研究轧辊表面电火花毛化过程 式中，k,e为常系数，与加工电极和轧辊材料有 提供一个有效的理论方法 关，紫铜加工钢时k=1.84,e=1.286. 在一定的加工电流下，放电通道的瞬时半径主 1 毛化表面形成过程 要决定于放电时间，设放电通道半径b(t)与时间t 电火花毛化是在绝缘液中电极与轧辊表面之间 的关系为： 产生脉冲性的火花放电，靠局部放电产生的瞬时高 it" t≤Tout b(t)= (2) 温把金属蚀除的一种电热加工方法，在加工过程 k1 Topt tTopt 中，在电极与轧辊之间施加脉冲电压，当电极靠近轧 式中，k1,v为常系数，在不同的峰值电流下，k1取 辊表面的缝隙小到足以击穿绝缘液时，电路导通，电 不同的值 压迅速下降，电流上升到峰值，在整个脉宽时间，电 在单个脉冲瞬时放电通道中，通道中心处带电 极和轧辊间隙之间形成由气化泡包绕的电离通道， 粒子的密度最高，向周围逐渐递减，在边缘处带电粒 其周围形成高油压区限制电离通道的扩大，使能量 子密度最低，因此可认为在轧辊表面的热流密度呈 都集中于很小的区域，产生局部高温，促使两极通过 现高斯分布.设放电通道范围内作用在轧辊表面的 热传导局部熔化或气化，熔化的金属颗粒从轧辊表 平面热源的热流密度是位置T和时间t的函数 面脱落，从而在轧辊表面形成一种火山口形貌的凹 q(r,t),则 坑】.连续多个脉冲放电，使凹坑相互叠加，就形 go(t)exp 成轧辊的表面形貌 g(r,t) ,≤b(t)(3) 0 r>b(t) 2放电通道热流密度 式中，qgo(t)为热流密度高斯分布的瞬时峰值，随时 在矩形脉冲加工的情况下，加工电流在放电初 间而变化，Wm2;b(t)为放电通道瞬时半径，m. 因此有： 收稿日期：2005-10-10修回日期：2006-09-20 基金项目：国家“九五“科技攻关项目(Na.955270-0204) Q(t)=J0q(r,t)ds=0.6321πg0(t)(k1t)2 作者简介：吴长春(1978一)，男，博士研究生；张杰(1960一)，男， 教授，博士生导师 (4)EDT 毛化轧辊表面凹坑形成过程 吴长春1） 张 杰1） 陈先霖1） 郝建伟1） 贾生晖2） 汪磊川2） 1） 北京科技大学机械工程学院北京100083 2） 武汉钢铁（集团）公司武汉430083 摘 要 针对轧辊表面电火花毛化过程中放电中心温度的变化、凹坑形状与电参数的关系等问题进行了研究．通过分析放电 通道形成过程和热流密度分布函数采用解析法建立了单个脉冲放电通道的热传导模型并运用积分变换法和有限差分相结 合的方法进行了温度场求解．讨论了轧辊表面在不同峰值电流下放电区域中心位置的瞬态温度变化确立了峰值电流和脉冲 宽度与熔化凹坑形状的关系．结果表明理论计算值与实验结果相吻合所建模型与采用的方法正确可用于轧辊表面形貌形 成过程的仿真． 关键词 轧辊；表面凹坑；电火花加工；热传导；积分变换法；有限差分法 分类号 TG661 收稿日期：20051010 修回日期：20060920 基金项目：国家“九五”科技攻关项目（No．95－527－01－02－04） 作者简介：吴长春（1978－）男博士研究生；张 杰（1960－）男 教授博士生导师 电火花毛化是轧辊表面毛化的一种方法广泛 应用于板带轧机工作辊表面的毛化处理［1］．目前对 电火花加工机理和加工参数与表面粗糙度关系的研 究主要采用实验方法缺乏理论根据且难以广泛应 用．本文通过分析热源分布的特征建立热传导模 型并进行温度场的求解建立了蚀除凹坑形状与电 加工参数的关系为研究轧辊表面电火花毛化过程 提供一个有效的理论方法． 1 毛化表面形成过程 电火花毛化是在绝缘液中电极与轧辊表面之间 产生脉冲性的火花放电靠局部放电产生的瞬时高 温把金属蚀除的一种电热加工方法．在加工过程 中在电极与轧辊之间施加脉冲电压当电极靠近轧 辊表面的缝隙小到足以击穿绝缘液时电路导通电 压迅速下降电流上升到峰值．在整个脉宽时间电 极和轧辊间隙之间形成由气化泡包绕的电离通道 其周围形成高油压区限制电离通道的扩大使能量 都集中于很小的区域产生局部高温促使两极通过 热传导局部熔化或气化．熔化的金属颗粒从轧辊表 面脱落从而在轧辊表面形成一种火山口形貌的凹 坑［2－3］．连续多个脉冲放电使凹坑相互叠加就形 成轧辊的表面形貌． 2 放电通道热流密度 在矩形脉冲加工的情况下加工电流在放电初 期就达到峰值电流 Ip放电通道半径主要随着放电 时间的持续而增大达到时间 Topt 后半径趋于稳 定．井上洁［4］ 和 Dibitono ［5］ 等人的研究结果表明 在达到最佳加工状态时最佳脉冲宽度 Topt与放电 峰值电流 Ip 之间具有如下关系： Topt＝kτI e p （1） 式中kτe 为常系数与加工电极和轧辊材料有 关紫铜加工钢时 kτ＝1∙84e＝1∙286． 在一定的加工电流下放电通道的瞬时半径主 要决定于放电时间设放电通道半径 b（ t）与时间 t 的关系为： b（ t）＝ k1t v t≤ Tout k1T v opt t＞ Topt （2） 式中k1v 为常系数在不同的峰值电流下k1 取 不同的值． 在单个脉冲瞬时放电通道中通道中心处带电 粒子的密度最高向周围逐渐递减在边缘处带电粒 子密度最低因此可认为在轧辊表面的热流密度呈 现高斯分布．设放电通道范围内作用在轧辊表面的 平面热源的热流密度是位置 r 和时间 t 的函数 q（ rt）则 q（ rt）＝ q0（ t）exp － r 2 b（ t） 2 r≤b（ t） 0 r＞b（ t） （3） 式中q0（ t）为热流密度高斯分布的瞬时峰值随时 间而变化W·m －2 ；b（ t）为放电通道瞬时半径μm． 因此有： Q（ t）＝∫ s 0 q（ rt）d s＝0∙6321πq0（ t）（ k1t v ） 2 （4） 第29卷 第1期 2007年 1月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．29No．1 Jan．2007 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2007．01．013