超高压短弧氙灯钨电极车削加工的仿真研究*

□ 严剑刚 □ 罗 俊

1.上海第二工业大学工程训练中心 上海 201209

2.上海亚尔光源有限公司 上海 201801

1 超高压短弧氙灯概述

超高压短弧氙灯是一种强度和准直度近似太阳光的光源，广泛应用在电影拍摄、电影放映、光学试验、标准日光辐射等领域［1］，并且在波长600～650 nm范围内可使癌细胞内的血卟啉衍生物变为活性分子，杀死癌细胞［2］。超高压短弧氙灯的核心部件钨电极在高频、高压电场激发下电离，产生强烈的弧光放电［3］。因此，钨电极的质量是制造高光效、长寿命超高压短弧氙灯的关键。

2 钨电极加工特点

超高压短弧氙灯钨电极如图1所示，由熔点高达3 680 K的钨棒车削加工而成。钨的硬度高、强度大，且加工精度要求高，因此在加工过程中车刀磨损快，易崩刀，影响加工精度，导致加工效率低。为此，在车削加工前增加退火工艺，改善切削性能。笔者通过有限元仿真建立模型，采用不同车刀材料、车刀几何参数、切削用量进行试验，最终达到提高加工质量和效率的目的。

3 退火处理

车刀磨损是车削加工硬质材料中一直存在的一个难题，因此在车削加工前预先进行热处理，可以改善切削性能。

钨是一种高硬度、高强度、高耐磨的难加工材料，在车削加工前进行退火处理，是改善钨切削性能的一种有效方法。

钨的再结晶热力学温度一般是其熔点热力学温度的 40%，1 350 ℃、60 min 退火后， 钨能实现再结晶［4］，其硬度有明显降低，有利于后续的车削加工。

4 有限元仿真模型

▲图1 超高压短弧氙灯钨电极

应用有限元仿真软件建立车削模型，如图2所示。这一模型由被车削的钨棒和车削刀具组成。模拟数控车削时，以恒定的切削速度及进给量对钨棒进行车削加工。

▲图2 车削模型

在实际操作过程中，车刀表面与已加工表面在切削过程中存在摩擦挤压［5］，产生的热量对车刀磨损也有一定影响。此外，车刀的磨损速率会随切削速度的加快而加快，随进给量的增大而加快，但加快的幅度越来越小［6］。因此，实际加工过程中需在参考模型的同时，对不同情况进行修正。

5 车刀材料

常用的车刀材料有碳素工具钢、低合金工具钢、高速钢、硬质合金、氮化硅、立方氮化硼、金刚石等［7］，由各种材料制成的车刀有各自的性能。根据先前的使用经验及对不同材料车刀的使用试验，可以确定硬质合金车刀的耐磨性、强度、韧性、耐热性都符合车削钨棒的要求。

6 车刀几何参数

合理选择车刀几何参数，可以提高切削刃的强度，减小磨损，避免崩刀，提高车刀的耐用度，保证车削加工的精度。

6.1 前角

由于钨棒硬度大，切削力大，车刀前角选用负前角，可以提高切削刃强度，并提高车刀耐用度。硬质合金车刀在负前角工作时，抗压强度高于抗弯强度。因此，车刀前角可选择-10～-5°之间。否则车刀容易发生崩刀，或由于刀刃散热条件差而加大磨损［8］，影响加工的质量。

6.2 后角

前角一旦确定，后角的选择就成为影响切削刃强度的关键。为了使车刀切削有足够的锋利度，便于切入钨棒，后角取值不易太小。多组试验后最终确定后角取8～10°较为合理。

6.3 主偏角和副偏角

主偏角和副偏角的选择决定了车刀的耐用度和加工表面的粗糙度。在车削钨棒时，由于材料强度高，会加大进给抗力，引起刀架振动，因此可以选择较小的主偏角，避免车刀切入时产生让刀现象，同时可以减小车削表面的粗糙度值。副偏角也应取较小值，这样可以加大车刀刀尖角，提高刀尖的强度，加强散热。

经试验最终确定最佳的主偏角为15～30°，副偏角为 10～15°。

6.4 刀尖圆弧半径

刀尖圆弧半径取0.8～1.5 mm，若过大则会在车削时产生振动。

7 切削用量

合理选择切削用量，能提高加工精度，提高生产效率［9］。切削用量是影响超高压短弧氙灯钨电极车削加工的重要因素。

7.1 背吃刀量

超高压短弧氙灯钨电极坯料选用接近成形尺寸的棒料。由于钨棒硬度高、强度高，试验时粗加工分两次完成。第一次进给，背吃刀量为加工余量的2/3～3/4，第二次完成剩余部分，效果较好。

由于超高压短弧氙灯钨电极表面质量要求高，因此在精加工时可分为半精加工和精加工进行。

7.2 进给量

根据不同规格钨电极的尺寸，查阅切削用量手册，粗加工时表面质量要求不高，为提高生产效率，进给量选为0.3 mm/r。在半精加工和精加工时，进给量小于0.1 mm/r，试验效果较佳。

7.3 切削速度

根据生产经验和查阅相关资料，有关系式：

式中：n 为主轴转速，r/min；Vc为切削速度，m/min；D 为零件外径，mm［10］。

8 结论

笔者对超高压短弧氙灯钨电极车削加工的一些影响因素进行了试验，通过有限元仿真建立模型，增加车削前的预先热处理工艺，改善切削性能。确定了车刀材料、车刀几何参数，为企业实际生产提供了依据，有效提高了加工质量和效率，并为制造高光效、长寿命超高压短弧氙灯提供了保障。