CN101883655A - 用于放电加工的方法和设备 - Google Patents

Abstract

处理诸如用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片(4，22，53)的构件需要形成孔(59)和其它造型。已知的是使用放电加工过程来在工件中产生这种孔(59)和孔口。对于避免短路和/或电弧放电以及允许进行快速处理而言，重要的是要移除碎屑。使用高压电介质流体流(7，37，56)会减少碎屑积聚，但是仍然可导致短路切换或者可中断持续的过程。通过提供振动-尤其是超声波振动，在加压电介质流体流(56)内引起了空穴，以增强碎屑移除，且因此改进了持续的加工过程。

Description

用于放电加工的方法和设备

本发明涉及放电加工，且更具体而言涉及用于在用于诸如燃气涡轮发动机的叶片的构件中形成孔的所谓的高速放电加工(HSEDM)。

关于通过电火花腐蚀处理工件来使用放电加工。工件和电极在它们之间大体提供有电介质流体，从而使得通过电能的周期性脉冲发生电火花腐蚀，以便腐蚀工件，以及由此产生腔体或孔，或者以别的方式使工件成形。为了提供电火花腐蚀，工件和电极必须没有物理接触，且通常通过适当的传感器和伺服电动机控制器来保持间隙。将理解的是必须从腐蚀部位移除腐蚀碎屑，且在传统的放电加工期间，这通常需要收缩循环。

一种备选方案是所谓的高速放电加工(HSEDM)。在高速放电加工中，使用高压电介质流体泵，以便在存在于工件和电极之间的间隙中的电介质流体中保持70至100巴左右的压力。由于电介质流体的高压的存在，该过程比传统的放电加工(EDM)高效得多，从而允许更快地移除碎屑，使得腐蚀速率大得多。还将理解，对于高速放电加工，在单个工具支架中使用多个电极是可行的，以允许同时且通常并列地执行若干腐蚀和加工过程。对于高速放电加工，在腐蚀的阶段之间不需要收缩循环来排出碎屑，因为在工件和电极之间的间隙中的高压电介质流体流对于移除腐蚀过程所产生的碎屑更加高效。对于高速放电加工，通常只是以根据加工过程实现期望的材料腐蚀和移除速率所必须的速度来向前进给电极。将理解的是，持续的操作产生了快得多的加工过程。

在附图中，图1示意性地示出了典型的高速放电加工装置。装置1包括对工件4提供电极3的电极支架2。通过发生器5来提供放电，从而使得将腔体或孔钻削或形成或加工到工件4中。根据高速放电加工，在由电极3和工件4之间的间隙逐渐限定的腔体或孔内提供处于比较高的压力(70至100巴)的电介质流体。通过泵6实现这个高压电介质流，泵6激励电介质流体供应7，以强制电介质处于压力下，如在电极3和工件4之间的间隙中所指示。这种高压会冲刷和移除由放电过程引起的碎屑。如上文所指出，伺服电动机8或其它器件强制电极3进行持续移动。通过监测间隙电压，伺服电动机8可保持大小恒定的间隙。如果间隙中存在连续的碎屑积聚，电动机8就将收缩电极3，以避免短路。但是，由于高压电介质流体流，存在碎屑的迅速移除，且因此一般不需要如同传统的放电加工一样具有电极的收缩循环以便允许进行冲刷。在这样的情况下，在事件的正常过程中，伺服电动机8将只是使电极以跟得上材料移除和/或腐蚀的期望速率所必需的任何速度向下移动。伺服电动机8的恒定移动允许进行快速钻削，但是如果钻削太快，就存在增大的短路可能性。在这样的情况下，伺服电动机8收缩，以允许消除电气短路和碎屑，以及最终为腐蚀重新建立正确的间隙大小。

已经针对在用于燃气涡轮发动机的涡轮叶片中形成孔和其它特征而使用了高速放电加工，尤其是钻削。关于孔几何结构和表面完整性，诸如涡轮叶片的这些构件具有非常严格的要求。但是，高速放电加工易受高生产成本的影响，且在用以形成孔的典型的穿过时间、电极磨损和对构件进行再加工的必要性方面具有较大的差异。具有大于100％的相对电极磨损因素并不鲜见，也就是说必须使电极腐蚀比钻削或腐蚀深度更大的长度。这种因素还增加了生产复杂性。将理解的是，所指出的高速放电加工是不一致且相对不可预测的，从而导致循环时间和电极磨损(不管是标记为“现有技术”的图2中所描绘的纵向的、渐缩的还是差异性的磨损)的较大差异。在这样的情况下，过程的继续执行取决于操作者的实际经验和这种非常熟练的操作者在适当的时候所使用的干预措施。

关于单个电极，电极由于放电加工过程而渐缩是普遍的。对于与高速放电加工一起使用的多电极工具，除了电极的渐缩磨损之外，还已知单独的电极会差异性地磨损。在这样的情况下，变得渐缩的电极产生在出口端处具有约束的渐缩孔。多电极工具中的不均匀的电极将导致一些电极不完全地穿透工件及穿过剩余的闭塞孔。另外，如果伺服电动机需要将电极进给得更深以完成孔的形成，则多个电极中的一些中的过量的电极长度在许多情况下可引起后壁冲击腐蚀，且从而损害构件的其它部分。在图3中示出了这种后壁冲击腐蚀。如可以看到的，沿方向20钻削孔21。如果电极穿过孔21，且继续腐蚀构件22，则将存在后壁冲击腐蚀23。虽然高速放电加工是有利的，但是关于钻削成具有比较大的长度-直径比率的孔，仍然可存在问题。

根据本发明的各方面，提供了一种用于放电加工的方法，包括对工件提供电极、使得在该电极和工件之间有间隙，以通过放电实现腐蚀，该间隙填充有处于70至100巴的范围中的压力的电介质流体，电极和/或工件可移位，以在使用时在电极磨损且加工工件时保持间隙，该方法的特征在于，工件和/或电极和/或电介质流体的组件经受振动，以在间隙中的电介质流体内引起空穴。

或者，根据本发明的各方面，提供了一种放电加工装置，包括电极、电极件支架、用以在使用时在电极和工件支架中的工件之间保持间隙的驱动机构、布置成以便在间隙中提供电介质流体流且在间隙中将电介质流体保持在70至100巴的压力处的电介质源，该装置的特征在于，该装置包括振动源，以在使用时对工件和/或电极和/或电介质流体的组件提供振动激励，以便在间隙中的电介质流体内引起空穴。

通常，振动是超声波。

通常，腐蚀在工件内产生腔体。大体上，腐蚀是持续性的。通常，振动是固定的或者可在一定频率范围内变化。可行的是，振动可在该频率范围内手动地调节。或者，该装置或方法结合了用以确定腐蚀因素的传感器，且存在控制器，该控制器用以从传感器接收作为腐蚀因素的指示的信号，以及取决于腐蚀因素的指示和待加工的工件的质量/几何结构来调节振动的频率。

通常，在伺服电动机上提供电极，以允许电极相对于工件移动。可行的是，工具支架提供单个电极。或者，工具支架提供多个电极。

现在将以实例的方式且参照附图来对本发明的各方面进行描述，附图中：

图1示意性地示出了典型的高速放电加工机械装置；

图2a和2b显示了现有技术的经磨损的电极；

图3显示了穿过具有不合需要的后壁腐蚀的涡轮叶片的截面；

图4提供了关于腐蚀的放电加工过程的各阶段的示意图；

图5是根据本发明的各方面的放电加工机械装置的示意图；以及

图6是比较现有技术的放电加工和根据本发明的各方面的放电加工的腐蚀深度-处理时间的图解表示。

如上文所指出，为了实现适当的加工速度以及与这种加工过程的一致性，碎屑移除是重要的。通过在火花之间的时间中由电介质冲出碎屑来移除碎屑。在图4中显示出了此过程。当由于火花放电造成的高温产生了图4a所示的气泡时，此气泡将内爆，如图4b所示。被称为“休止时间”的火花之间的时间应当足够长，以允许电介质流体进行冲刷，以移除碎屑。“休止时间”将决定放电加工的整个钻削循环时间。缺乏足够的碎屑移除将导致循环时间增加。另外，不良的碎屑移除会增大渐缩形式的电极磨损。如可在图4a中看到的，电极30关于工件表面32具有间隙31。在放电期间，等离子通道33从工件表面32中产生碎屑34，以及释放一些电极碎屑35。由于火花33的热，在电介质流体37内产生气泡36。如之前所指出，此电介质流体37在高速电介质放电加工期间以70至100巴的比较高的压力存在。

如图4b所示，在所谓的休止时间期间，气泡36内爆，从而允许碎屑34、35进入电介质流体流37中。在此休止时间期间，除了碎屑34、35之外，还将理解的是从由火花产生的凹坑38中部分地移除了熔融金属。未被移除的任何熔融金属凝固且变成已知为重铸层的物质。就形成工件32的材料的表面修改而言，这种重铸层可具有有害作用。

图4c示出了正好在进一步的放电加工之前的工件32和电极30之间的联系。在这样的情况下，将注意到碎屑34、35以悬浮的方式保持在电介质37内，且因此将在由高速放电加工所提供的比较高的压力下被冲掉。凹坑38将逐渐形成于工件32的表面上，以便按需要进行腐蚀和钻削。

在高速放电加工的情况下，所使用的电极大体是空心的，且由诸如黄铜的这种材料制成。使用空心管状电极的一个缺点在于，芯体或针保留在空心管的中心中。在这样的情况下，电极可过早地收缩，且导致钻削或腐蚀过程减慢。伺服电动机收缩，因为在工件开始穿过电极的壁且与该壁发生接触时，工件的芯体在电极的空心中心内向一旁倾斜。将理解，如图4d所示，电极39将具有空心中心40，电介质流体流41将从该空心中心40经过。电极39将不会均匀地穿过工件42，且不幸的是工件42的芯体43将在工件变薄和变弱时向被穿过的电极39的一侧倾斜。由于如图所示的芯体43和电极之间的这种接触，对间隙电压的监测将导致伺服电动机中断进一步的处理，从而减少处理时间。

在以上情况下，虽然高速放电加工是有利的，但是由于短路引起的中断以及碎屑的不充分移除所造成的与一致性和腐蚀/钻削速度有关的问题和限制可限制有效性。通过本发明的各方面，通过使用振动-且尤其是超声波振动，有利于碎屑分散和短路的最小化。

超声波振动是由于应用交变的电势产生的(通常为)压电晶体的膨胀和收缩而产生的。膨胀和收缩(振动)以与交变的电势相同的频率发生。使用超声波振动在许多工业过程中是已知的，包括与清洁零件、焊接和激光钻削相关联的那些工业过程。液体中的超声波振动可导致空穴，即可阻止平缓的流动及加压的起泡或湍流。振动大体上有利于扰动和搅动。

对于高速放电加工的程序，本发明的各方面结合了振动，例如特别是超声波振动。图5提供了根据本发明的各方面的放电加工装置50的示意图。工具支架51对工件支架54中的工件53提供电极52。朝向工件53沿箭头55的方向操纵和大体驱动工具支架51，以便产生如之前根据放电加工所描述的钻削和腐蚀。在这样的情况下，电介质流体流56穿过适当的分配系统57，以在电极52和工件53之间的间隙中提供电介质流体流。这个电介质流与碎屑58一起存在于压力下。这个压力大体由泵(未显示)实现，且这个压力在70至100巴左右的压力处。电介质流体流移除了放电加工过程在工件53中产生腔体和孔59时所产生的碎屑。大体上，通过相应的电极52的中心空心芯体提供加压电介质流体流，且该加压电介质流体流从端部传送出来且进入孔或腔体59中，然后沿箭头60的方向离开。

如上文所指出，电介质流体流56的加压移除了由于放电加工过程所引起的大部分碎屑，但是可能没有足够的速度来避免过渡短路，结果是提供电极或多个电极的伺服电动机(未显示)可导致沿箭头55的方向的反向移动，直到消除短路且清除碎屑为止。腐蚀过程的传感器将作为碎屑积聚的指示来确定间隙电压。

根据本发明的各方面，工件53直接或者如图5所示的那样通过工件支架54经受振动。在这样的情况下，如果使用了超声波振动，工件支架54就起超声焊极的作用。

超声焊极工件支架54通过放大器联接件63或以别的方式联接到变换器62上，以便在至少工件53、电极52和/或电介质流体流56的组件中产生超声波振动的传递。变换器62联接到超声波发生器64上，以产生根据本发明的各方面使用的超声波振动。

超声波发生器64大体供有交流电流，以便产生用来实现本发明的各方面的一定超声波振动频率范围。变换器62包括机电构件，该机电构件将来自发生器64的电气振动转换成待联接到如上所述的组件上的机械振动。使用放大器63来放大振动，从而导致提供给组件的更高的振动(超声波)能量。超声焊极形式的工件支架是将超声波振动高效地集中和传递到工件的机械构件。

使用超声波振动来加强如上所述的高速放电加工装置的碎屑移除过程，即由高压电介质流体流促进的碎屑移除。所指出的电介质流体在电极52和工件53之间提供隔离，且高压流起冲刷碎屑的作用。使用放电加工机械发生器65来供应电能脉冲，以便为了钻削和腐蚀目的在电极和工件之间的间隙中提供火花放电。电极或工具支架起引导件的作用，以根据期望的加工程序将电极62恰当地提供给需要钻削或腐蚀的工件62的那些部分。电极62将放电火花传递到工件。这些放电火花将工件切削和腐蚀成与所提供的电极互补及类似的几何结构。如上所述，有效地提供电极，且电极与伺服电动机相关联，该伺服电动机负责朝向工件52进给电极62，且将电极62进给到工件52中，从而为期望的放电腐蚀确保恒定的“加工间隙”。

如上文所指出，关于现有技术的高速放电加工的主要问题是不可预测性，其导致了超出所希望的操作性干预和监测。将理解的是存在可影响放电加工的大量变数，包括电极的构成的变化、电介质流体的构成的变化、工件的变化以及EDM发生器的不精确性和其它因素。在这样的情况下，现有技术中使用高压电介质流来移除碎屑可能不够。通过本发明的各方面，正如所指出的，将超声波振动引入至少部分地由工件、电极和电介质形成的组件中。超声波振动在电极和工件之间的间隙中(也就是说在加压电介质流体流中)引起空穴。这种空穴促进了强有力的碎屑移除，且促进了从由于放电加工而由电火花腐蚀放电留下的凹坑中增强地移除熔融金属。正如所指出的，在凝固之前移除这种熔融金属对于使用中的构件操作性能有好处。在更加有效和完整地移除了碎屑的情况下，可能会发生更少的电弧放电和短路，这会导致伺服电动机更少地收缩电极来消除短路，并且允许移除碎屑。在这样的情况下，可在更小的中断可能性的情况下使电极以恒定的速率朝向工件移动。因此，关于放电加工，存在更多的可预测性。另外，可在更短的时间段里实现放电加工过程。

图6如线71所示针对传统的高速放电加工机械装置、以及如线72(所示)针对结合了高速加压电介质流体流和用以增强碎屑移除的由超声波振动在该流内引起的空穴的放电加工机械装置，提供了腐蚀深度-处理时间的图解说明。如可以看到的，可在比传统的高速放电加工机器短得多的时间段内产生概念上为15,000微米深的孔。

在加压电介质流体流中引起的空穴可有效地冲刷工件表面，从而更加高效地移除熔融金属，从而导致对机器构件或工件的完整性的改进。另外，通过引入超声波振动，可降低在电极尖端内的芯体触到电极时(如以上关于图5所描述)关于“管道”中断的可能性。

所指出的超声波振动引起空穴气泡，该空穴气泡塌缩且释放高的能量，从而从间隙中提起碎屑。因此，超声波振动与加压电介质流体结合起来起作用来增强碎屑移除。提供超声波振动来引起空穴的另外的结果是减少了孔或腔体内、电极和工件之间的侧向火花。侧向火花是由于碎屑桥接电极侧部和工件之间的间隙引起的。这种碎屑桥接产生了电极的渐缩和相关联的差异性磨损。如之前所指出，与不同类型的电极磨损相关联的问题是已知的。通过减少碎屑积聚，降低了侧向火花，且因此依照根据本发明的各方面的放电加工机械装置钻削或加工的孔口和孔更加一致。关于后壁冲击的问题和依赖于多次切削来实现期望的整体特征的要求得以最小化。

通过结合加压电介质流体流与超声波振动在该流中引起的空穴，在更低的处理时间、那些处理时间的更少的差异以及降低的电极磨损(不管是差异性的、渐缩的还是纵向的(磨损))方面大体实现了优点。降低的电极磨损将降低放电加工的成本。根据本发明的各方面，电极放电加工的更好的一致性将在减小的后壁冲击和之前所描述的重新切削以及被钻削的构件和工件的改进的表面完整性方面提高性能。

由发生器64产生的超声波振动通常将提供许多固定振动频率。可通过调节可用频率的适当范围来手动地确定所使用的振动频率的选择。备选地且有利地，可使用控制机构来调节和改变振动频率。在这样的情况下，将使用闭环控制系统取决于被加工的工件的质量、位置和几何结构来修改被调节的振动频率。在这样的情况下，通过使用适当的传感器来确定腐蚀因素，例如腐蚀速率和/或碎屑浓度和/或其它反馈参数，可修改所使用的振动频率。

为了增强电介质流体的有效性，将理解的是可增加添加剂。这些添加剂可改变电介质流体的电流活性，但是特别针对本发明的各方面，可使用这些添加剂来增强振动在电介质流体中产生空穴的效果。

通常，工件将如以上关于图5描述的那样振动。但是，还将理解的是，除了在组件内之外，可使电极本身或者电极与工件相关联进行振动，以便在工件和电极之间的间隙中的电介质流体中产生空穴。在这样的情况下，工具或更特别地是对电极52的提供进行引导的工具支架51也可起超声焊极的作用，从而根据本发明的各方面在组件中提供超声波振动。

依照根据本发明的各方面的放电加工来使用和处理的典型工件是在燃气涡轮发动机中使用的涡轮叶片和喷嘴导叶。可使用单芯体或多芯体电极，以便在诸如涡轮叶片的工件中产生腔体和孔。可对电极施加振动，该电极可具有许多种几何结构-包括实心电极。在后一种情况下，电极振动可由伺服机构控制。

虽然超声波振动是优选的，但将理解的是，就在电介质流体流内产生空穴且由此增强碎屑移除而言，可通过提供在超声波频率范围之外的振动来提供本发明的各方面的一些好处或所有好处。可直接对工件或电极施加这种振动。

电极可采取线材的形式。在线材放电加工中，所指出的电极由非常精细的铜线材、黄铜线材或经涂覆的线材制成。可朝向工件在导引线材上以预定的速度连续地铺开线材。在线材放电加工中，使用了与如上所述的关于本发明的各方面的实施例相同的提供过程。线材电极朝向工件逐渐地移动，且通过本发明的各方面，加压电介质流体流以及振动引起的空穴用来增强碎屑移除。

将理解的是，可使用放电加工来对表面进行纹理处理。在这样的情况下，根据本发明的各方面使用振动还将允许高效地移除在这样的过程期间形成的碎屑。

取决于意图对工件的材料的各部分提供的期望属性，使用放电加工来进行表面修改也可受益于振动。可调节振动-且尤其是超声波振动的程度，以协助实现期望的最终结果。

对工件和构件的雕刻可对表面完整性具有有害作用。对于在燃气涡轮发动机中使用的涡轮叶片，可能会发生这种退化，其中规定了任何雕刻部分标记的定位，以使构件失效的潜在源减到最小。通过在任何雕刻过程期间施加振动-且尤其是超声波振动，改进表面完整性且因此提供关于工件上的这种雕刻的位置的更大柔性可能会是可行的。

本领域技术人员将理解对本发明的各方面的修改和更改。因此，不是具有单个振动源，而是多个振动源可联接到工件支架和/或用于电极的工具支架上。在这样的情况下，可在工件、电极和电介质流的组件内引起不同形式的振动，以便根据本发明的各方面增强碎屑移除和操作。

根据本发明的各方面的放电加工的方法大体包括以通常由夹具中的工件支架和工具支架限定的恰当的联系对工件提供电极。电极和工件之间的相对移动由适当的机构提供，以根据典型的放电加工过程确保为电火花腐蚀和放电保持了足够的间隙。作为用于冲刷和移除由于腐蚀过程产生的碎屑的主要方式，电介质流体流以一定的压力存在于电极和工件之间的间隙中。根据本发明的各方面，适当的振动在电介质流体流内引起空穴，且产生适当的振动是为了进一步增强碎屑移除。所提供的振动可为固定频率，或者可手动地调节该振动，或者可通过控制回路来调节该振动，以便控制以及通常增强碎屑移除。因此，如果控制器确定了重复的短路以及因此确定了收缩来避免短路并允许碎屑移除，则可针对电介质流体流压力、振动的性质以及工件和电极之间的间隙来进行调节，以便在持续的加工过程中减少这样的中断。

Claims (21)

1.一种用于放电加工的方法，包括对工件(4，22，32，53)提供电极(3，30，39，52)、使得在所述工件(4，22，32，53)与所述电极(3，30，39，52)之间有间隙，以通过放电来实现腐蚀，所述间隙填充有处于70至100巴的范围中的压力的电介质流体(7，56)，所述电极和/或所述工件可移位，以在使用时在所述电极磨损且加工所述工件时保持所述间隙，所述方法的特征在于，使所述工件(53)和/或所述电极(52)和/或所述电介质流体(56)的组件经受振动，以在所述间隙中的所述电介质流体内引起空穴。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述振动是超声波。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述腐蚀在所述工件内产生腔体(59)。

4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其特征在于，所述腐蚀是持续性的。

5.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述振动是固定的或在一定的频率范围内可变。

6.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述振动可在所述频率范围内手动地调节。

7.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，所述方法结合了传感器和控制器，所述传感器用以确定腐蚀因素，所述控制器用以从所述传感器接收作为所述腐蚀因素的指示的信号，以及取决于所述腐蚀因素的指示和被加工的所述工件的质量/几何结构来调节所述振动的频率。

8.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，在伺服电动机(8)上提供所述电极，以允许所述电极相对于所述工件移动。

9.根据前述权利要求中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，工具支架(51)提供单个电极。

10.根据权利要求1-8中任一项权利要求所述的方法，其特征在于，工具支架(51)提供多个电极。

11.一种放电加工装置，包括电极(3，30，39，52)、用以在使用时在所述电极和工件之间保持间隙的驱动机构(8)、布置成以便在所述间隙中提供电介质流体流(7，37，56)且在所述间隙中将所述电介质流体保持在70至100巴的压力处的电介质源，所述装置的特征在于，所述装置包括振动源(64)，以在使用时对所述工件(53)和/或所述电极(52)和/或电介质流体(56)的组件提供振动激励，以便在所述间隙中的所述电介质流体内引起空穴。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，通常所述振动是超声波。

13.根据权利要求11或12所述的装置，其特征在于，所述腐蚀在所述工件内产生腔体(59)。

14.根据权利要求11至13所述的装置，其特征在于，所述腐蚀是持续性的。

15.根据权利要求11至14中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述振动是固定的或在一定的频率范围内可变。

16.根据权利要求12至15中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述振动可在所述频率范围内手动地调节。

17.根据权利要求11至16中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置结合了用以确定腐蚀因素的传感器，且存在控制器，所述控制器用以从所述传感器接收作为所述腐蚀因素的指示的信号，且取决于所述腐蚀因素的指示和被加工的所述工件的质量/几何结构来调节所述振动的频率。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于，所述腐蚀因素涉及腐蚀速度和/或所述间隙内的碎屑的浓度和/或间隙电压。

19.根据权利要求11至18所述的装置，其特征在于，在伺服电动机(8)上提供所述电极，以允许所述电极相对于所述工件移动。

20.根据权利要求11至19中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，工具支架(51)提供了单个电极。

21.根据权利要求11至19中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，工具支架(51)提供了多个电极。

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