CN102009237A - 电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法 - Google Patents

Abstract

一种电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是在常规电火花加工过程中，向加工区域间歇性地通入能与被加工金属材料产生燃烧放热效应的气体，使加工始终处于电火花诱导可控燃烧与常规电火花加工交替进行的状态。在常规电火花加工的作用下，表层金属材料达到燃点以上并形成活化状态，与通入的气体发生燃烧反应，生成燃烧产物，同时放出大量的热。这些热量直接作用于金属基体材料，使成倍于燃烧材料体积的金属基体材料加热至熔融状态。燃烧产物和熔融金属材料在电火花放电的热、爆炸力和气流冲刷共同作用下抛离基体。本发明可解决大型结构件加工机床尺寸、刚性等问题，同时具有高效、低损耗、低成本、安全，无污染的优点。

Description

电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法

技术领域

本发明涉及一种电火花加工方法，具体地说是一种能提高电火花加工效率，快速蚀除基体金属材料并保障加工表面质量与精度的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法。

背景技术

随着科技的进步和工业的发展，新材料层出不穷。这些材料不但具有高硬度、高强度、高耐磨性，而且还具有高熔点，抗腐蚀性强等特点，使得传统切削加工方式的加工难度日益增大。如高温合金，因其加工硬化倾向大，切削力大，切削温度高等特点导致刀具易磨损，表面质量和精度不易保证。电火花加工利用电、热能而不是机械能蚀除材料，可以加工任何硬、脆、韧、软及高熔点的导电材料，且专长于难加工材料、复杂型面零件的加工。然而，电火花加工由于能量主要来源于脉冲放电形成的放电通道内部，用于蚀除材料的能量受到脉冲电源能量输出、加工表面质量和精度要求、电极损耗等因素的制约，因此电火花加工方法与传统机械加工方法相比加工效率很低。

为提高电火花加工的效率，并改善加工环境，研究人员在传统电火花加工的基础上相继提出了气中电火花加工、液中充气电火花加工、喷雾电火花加工等一系列新的电火花加工方法，使电火花加工的应用领域得到扩展。传统电火花加工工作介质多为碳氢化合物，如煤油或者矿物油等，这类工作介质在电火花加工中可以形成碳保护膜保护电极，减少电极损耗，但加工时所产生的气体具有一定毒性，对人体有害，并且工作介质具有可燃性，若操作不慎或加工异常易引发火灾。为此，日本东京农工大学的国枝正典提出了气中电火花加工方法，试图解决电火花加工中的环境和安全问题。气中放电加工时，部分熔融工件金属材料飞溅粘附在工具电极上，补偿了工具电极损耗，可得到较低的电极损耗率。但由于其放电间隙较小，易发生短路或拉弧现象，使得放电状态变差、加工效率大大降低。为解决气中电火花加工遇到的问题，山东理工大学研究了超声辅助气中电火花加工方法，对工件电极或工具电极施加超声振动，用于改善气中放电状态，提高了气中电火花放电效率，有效地避免了加工过程短路、电弧放电现象的发生。但由于气体对放电通道的压缩效果较差，放电通道能量密度较低，加工效率通常仅为液中放电的1/6左右，制约了气中电火花加工的发展。为此，上海交通大学近期提出了液中喷气电火花加工方法和喷雾电火花加工方法。液中喷气电火花加工相对于气中电火花加工，具有更高的加工效率、更好的表面质量和同样低的电极损耗；电极损耗基本不受脉冲占空比、峰值电流和气体压力的影响。雾中电火花加工结合了液中和气中电火花加工方法的优点使放电间隙大于气中和液中电火花加工，电介质容易击穿形成放电通道，高压雾气具有比干式加工更好的冷却作用，可以提高放电通道的爆炸力，提高加工速度。

上述各种加工方法都是以工件和电极间的放电产生的能量为基础来进行加工的，能量大小主要依赖于脉冲电源的输出。但电火花加工脉冲电源的能量利用率一般不到总能量的一半，此外，用于加工的能量只有部分能量分配给工件，还有一部分能量在传递过程中散失到周边介质中，能量利用率不高。只能通过提高电源的输出能量来提高电火花加工效率，但电源的输出能量越大，能量损失就越大，并且分配到工具电极上的能量越大，对应的电极损耗也就增加，同时工件的加工表面质量也就越差。因此，目前无论采用何种形式的电火花加工，其加工效率均较低。

发明内容

本发明是针对目前电火花加工效率低的问题，通过极间新的能量输入手段，发明一种通过燃烧方式使被加工基体金属材料快速蚀除的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法。

本发明的技术方案是：

一种电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是在常规电火花加工过程中，向加工区域间歇性地通入能与被加工金属材料产生燃烧放热效应的气体，使加工处于电火花诱导可控燃烧与常规电火花加工交替进行的状态；首先在常规电火花放电作用下，表层金属材料达到燃点温度以上并形成活化状态时通入能产生燃烧放热效应的气体并发生燃烧反应，生成燃烧产物，同时释放出大量的热，这些热量随后又直接作用于基体材料，使成倍于已燃烧金属材料体积的基体材料加热至熔融状态，燃烧产物和熔融金属材料在电火花放电的热、爆炸力和气流冲刷共同作用下抛离基体金属，材料蚀除率远远大于常规电火花加工，大大提高了加工效率；随后结束供气，在结束供气的非供气阶段或非供气区域，通过常规电火花放电加工对表面进行修整，从而保证表面质量与精度，随着电极或工件的进给再次通入能产生燃烧放热效应的气体形成燃烧反应，而后停止供气并进行常规电火花加工，如此重复，燃烧与电火花加工两种加工状态始终交替进行直至加工结束。本发明在保证加工质量和精度的前提下，实现了数倍、甚至数百倍于常规电火花加工的材料蚀除率。本发明仍属于宏观无切削力加工方法，不受金属材料硬度、强度等力学性能的限制。

所述的气体为能与基体金属材料发生燃烧放热反应的气体为氧气、氯气、氮气、乙炔、氟气中的一种或其组合。

所述的气体可从电极的中心、侧面或两者同时吹向加工区域。

所述的气体的工作压力为0.01～9MPa。

所述的电火花加工的工作介质为水或非可燃水溶性工作液。

可以向加工区域喷射液体工作介质以压迫可燃气体，强化燃烧作用，并加速蚀除产物的排出。

所述的被加工基体材料为金属或合金。

加工过程中使用的电极为旋转电极或不旋转成型电极，工件和电极的相对位置发生改变，可以形成各种形式的加工方法，包括钻孔、铣削、成型加工、车削或磨削。

间歇气体的产生可以通过气流控制装置的主动间歇控制或者采用其他方式，如对于旋转或振动电极可采用连续供气但可用机械方法使燃烧区域强迫转移从而达到在加工区域实现间歇性气流供气的效果。

本发明的具体加工过程包括：

第一、电极与工件分别接脉冲电源正、负极，进行常规电火花加工，形成高温火花放电区域，使表层金属材料达到燃点，活化工件表层金属材料。

第二、通入气体，与达到燃点的金属材料发生燃烧放热反应。以铁和氧气反应为例，铁与氧气发生剧烈氧化反应，释放出大量的热量。根据计算，铁在氧气中燃烧产生的热量可以使7～10倍的铁加热到其熔化温度(约1500℃)。燃烧产生的热量远大于同体积铁熔化需要的热量，并且这些热量直接作用于基体，使成倍于燃烧金属材料体积的基体金属材料加热至熔融状态。

第三、可控燃烧蚀除。常规电火花加工的能量主要来源于放电通道，放电通道中的能量在传递到基体的过程中，部分热量会散失在周围介质中。而燃烧产生的热量将直接作用于基体金属材料，热量散失很少，能量利用率大大提高。燃烧所释放的热量远远大于同体积金属材料熔化需要的热量，导致基体温度升高，使得基体金属材料不断达到燃点，同时借助电火花放电的热、爆炸力和气体冲刷作用将部分表层熔化的金属材料和氧化产物排出，露出新的活化表面，继续重复上述加工过程。因此，材料的蚀除率远大于常规电火花加工。

第四、电火花加工修整。为防止燃烧的不规则扩散及燃烧产物任意堆积在金属材料表面，造成加工表面质量和精度的不可控，应在持续燃烧一段时间之后，停止供气，中断燃烧反应，而后进行常规电火花加工，蚀除残留在材料表面的燃烧产物，并修整加工表面，保障加工表面的质量与加工精度。

第五、喷射液体工作介质。整个加工过程中可以利用高压液体工作介质冲刷加工区域，压迫气体，强化燃烧作用，并加速蚀除产物的排出。

本发明的有益效果：

本发明通过电火花的诱导作用，利用基体金属材料燃烧释放的大量化学能，加速基体金属材料的燃烧蚀除，大大提高了材料蚀除率；加工过程中借助电火花加工方法对加工表面进行交替修整，加工表面质量和精度基本等同常规电火花加工方法。

本发明在加工过程中利用了基体金属材料燃烧过程释放的热量，大大增加了用于蚀除金属材料的能量。由于基体金属材料燃烧的能量是在工件基体上直接释放的，没有常规电火花加工中的能量散失，可加快反应进行。电极与工件有一定距离，且电极处于气体的流通冷却状态，燃烧能量很少能传递到电极上，因此电极损耗较小。整个加工过程在间歇气流(如氧气)的作用下，一方面可以防止因燃烧不可控制，造成加工形状的不规则和燃烧产物在金属基体材料表面的堆积，另一方面可以利用在间歇气流停止阶段或区域，通过常规电火花加工方法修整工件表面，保证零件的加工质量与精度。本发明仍属于无宏观切削力加工，因此对于大型结构件可采用小型设备在大结构件上进行相对运动的方式进行加工，可解决大型结构件加工机床尺寸、刚性等问题。由于采用了水或非可燃水溶性工作液，不存在油性工作液加工中产生环境污染，火灾隐患等问题，是一种高效、低损耗、低成本、安全，无污染的加工方法。

本发明与常规电火花加工相比可数倍甚至数百倍地提高材料蚀除效率，很好地解决了金属材料特别是难加工金属材料加工效率低的难题，对降低金属材料特别是难加工金属材料的加工成本，扩大应用范围有很大的作用，并且对大型结构件的加工具有重要的意义。

附图说明

图1是本发明实施例的一个加工装置示意图。

图2是本发明的加工过程示意图。

其中：

图2(a)为电火花放电诱导活化材料示意图；

图2(b)为活化区燃烧放热、区域扩大过程示意图；

图2(c)为蚀除产物和活化区域继续扩大过程示意图；

图2(d)为关断氧气阻止燃烧不规则扩散并进行电火花修整的示意图。

图3为高温合金GH4169在相同时间内采用本发明的电火花诱导可控燃烧及放电铣削加工与常规电火花铣削加工的工件实体照片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-3所示。

一种电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，属于特种加工范畴。加工始终处在电火花诱导可控燃烧与常规电火花加工交替进行的状态。加工开始阶段，放电能量作为主要能量用于加工，小部分金属材料被蚀除，并且电火花加工作为一种诱导方式，放电加热基体金属表面材料，使表面活化，达到燃点。活化的表面金属材料在间歇供给的氧气(还可使用氯气、氮气、乙炔、氟气等或其组合，下同)作用下，发生化学反应形成燃烧，释放大量的化学能。能量向基体内部传导，内部基体金属材料温度升高，并且表面达到熔点的部分表层熔化的金属材料和燃烧产物借助放电热、爆炸力和气体冲刷作用抛离基体金属材料，露出新的活化表面，继续上述过程。金属材料燃烧产生的化学能作为此阶段的主要能量来源，用于蚀除多余金属材料。随后在非供气阶段或非供气区域，在液体工作介质环境中，通过电火花加工，修整工件表面，蚀除残留燃烧产物及多余金属，从而保证加工表面质量及精度。

形成燃烧过程控制在(0.01～150秒)之内，避免形成不可控燃烧，影响零件加工精度。具体实施时可以利用气流控制装置进行定时关断，形成间歇气流(压力在0.01～9MPa之间)，控制燃烧反应；也可以在持续通入氧气的条件下，通过电极旋转或振动等方式强迫燃烧区域发生转移，实现可控燃烧。加工过程中可以使用水或非可燃水溶性工作液等作为工作介质。还可在加工区域附近喷射液体工作介质，压迫气体，强化燃烧作用，并在常规电火花加工阶段，加速加工产物的排除。电极材料应该是导热性能好或熔点高的材料，可以是紫铜、石墨及不锈钢等。电极可以旋转也可以不旋转。工件和电极的相对位置发生改变，可以形成各种形式的加工方法，包括钻孔、铣削、成型加工、车削、磨削等形式。本发明的基体材料是能与气体产生燃烧放热反应的金属及合金材料。通入的气体不局限于氧气，可以扩展到能与工件材料产生燃烧放热效应的其他气体(如氯气、氮气、乙炔、氟气等)或其组合。

例1.

如图1、2所示。

一种模具钢Cr12电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，它包括以下步骤：

第一步、构建加工系统。如图1所示，管状电极与气流控制装置连接，电极可旋转，高压氧气在气流控制装置的作用下转变成间歇可调的间歇性氧气流。电极与Cr12分别接脉冲电源的两极，产生电火花放电，采用水作为工作介质，液面距离加工区域20mm以上，形成一定的水压以强化燃烧作用，利用水液流(压力视气体压力而定)冲刷加工区域，加快蚀除产物的排出。

第二步、电火花放电诱导燃烧加工。该加工方法从微观看具有四个过程：

1、如图2(a)所示，在电火花放电加工的作用下，电极与工件之间形成放电通道，少量材料被蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近金属材料由于温度较高，形成活化区域，表面材料达到燃点；

2、如图2(b)所示，活化区域材料在氧气的作用下，发生剧烈的燃烧反应，并释放出大量的热量。热量用于熔化、气化工件材料并不断向基体传递，活化区域扩大；

3、如图2(c)所示，在氧气的持续作用下，由于金属燃烧产生的化学能远大于同体积金属熔化需要的热量，能量不断聚积，燃烧区域的温度不断升高，燃烧区域的压强不断增大，被加工工件基体材料温度上升到熔点，被加工工件基体材料表层熔化材料和燃烧产物因电火花放电的热、爆炸力和气流冲刷作用而抛离基体材料；通入氧气的压力可在0.01～9MPa之间选择，气压及流量增加，金属材料的蚀除量也增加，气流控制装置的作用是实现间歇通气，通气的持续时间为(0.01～150)秒，间隔时间为(0.01～150)秒。

4、如图2(d)所示，氧气在气流控制装置下，停止输入，燃烧终止，加工区域恢复至常规电火花加工的状态。在脉冲电源放电的作用下，继续蚀除部分残留在工件表面的产物及金属，以及对燃烧表面进行修整，保障加工表面质量与精度。重复上述过程直至加工完成。

第三步、伺服进给及轨迹控制。电极相对于工件做伺服运动，并采用轨迹控制蚀除加工材料，完成工件加工。

对于模具钢Cr12采用电火花诱导可控燃烧铣削与常规电火花铣削的一个应用实例，如表1所示。

表1Cr12电火花诱导可控燃烧及放电铣削与常规电火花铣削方法对比

例2。

一种高温合金GH4169的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，它与例1的区别在于基体材料不同。其余均与例1相同。

对于高温合金GH4169采用电火花诱导可控燃烧铣削与常规电火花铣削的一个应用实例，如表2所示，其相同加工时间对应的加工工件实体照片如图3所示。

表2GH4169电火花诱导可控燃烧及放电铣削与常规电火花铣削方法对比

Claims (9)

1.一种电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是在常规电火花加工过程中，向加工区域间歇性地通入能与被加工金属材料产生燃烧放热效应的气体，使加工处于电火花诱导可控燃烧与常规电火花加工交替进行的状态；首先在常规电火花放电作用下，表层金属材料达到燃点温度以上并形成活化状态时通入能产生燃烧放热效应的气体并发生燃烧反应，生成燃烧产物，同时释放出大量的热，这些热量随后又直接作用于基体材料，使成倍于已燃烧金属材料体积的基体材料加热至熔融状态，燃烧产物和熔融金属材料在电火花放电的热、爆炸力和气流冲刷共同作用下抛离基体金属，材料蚀除率远远大于常规电火花加工；随后结束供气，在结束供气的非供气阶段或非供气区域，通过常规电火花放电加工对表面进行修整，从而保证表面质量与精度，随着电极或工件的进给再次通入能产生燃烧放热效应的气体形成燃烧反应，而后停止供气并进行常规电火花加工，如此重复，燃烧与电火花加工两种加工状态始终交替进行直至加工结束。

2.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是所述气体为能与基体金属材料发生燃烧放热反应的气体为氧气、氯气、氮气、乙炔、氟气中的一种或其组合。

3.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是所述的气体可从电极的中心、侧面或两者同时吹向加工区域。

4.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是所述的气体的工作压力为0.01～9MPa。

5.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是所述的电火花加工的工作介质为水或非可燃水溶性工作液。

6.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是可以向加工区域喷射液体工作介质以压迫可燃气体，强化燃烧作用，并加速加工产物的排出。

7.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是所述的被加工基体材料为金属或合金。

8.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是加工过程中使用的电极为旋转电极或不旋转成型电极，工件和电极的相对位置发生改变，可以形成各种形式的加工方法，包括钻孔、铣削、成型加工、车削或磨削。

9.根据权利要求1所述的电火花诱导可控燃烧及放电加工蚀除方法，其特征是间歇气体的产生可以通过气流控制装置的主动间歇控制或者采用其他方式，如对于旋转或振动电极可采用连续供气但可用机械方法使燃烧区域强迫转移从而达到在加工区域实现间歇性气流供气的效果。

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