CN102151924A - 电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法 - Google Patents

Abstract

一种电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是以电解液作为工作介质，将待加工工件电极和工具电极的一端浸没在工作介质中，向加工区域间歇性通入气体并在待加工工件电极和工具电极的极间形成气膜；在电火花电源作用下，在待加工工件电极和工具电极之间产生电火花放电，使被加工工件在电火花放电引燃作用下与通入气体产生氧化放热反应并形成燃烧效应，实现高效烧蚀；在气体关闭阶段，在电解电源的作用下，对烧蚀表面进行电解加工及表面修整；轮换开启电火花引燃脉冲电源与电解蚀除电源并移动工具电极直至加工结束。本发明在保证加工质量和精度的前提下，材料蚀除效率可数倍、甚至数十倍于常规电火花加工，也高于同等电规准下的常规电解加工，表面质量及精度及可控性好，并且可以消除表面残余应力。

Description

电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法

技术领域

本发明涉及一种特种加工方法，尤其是一种通过电火花放电诱导产生可控高效烧蚀，电解加工进行修整的高效复合加工方法，它能够快速蚀除基体金属，保障加工表面质量和精度，消除变质层，大大降低电极损耗。具体地是一种电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法。

背景技术

随着科技的进步和工业的发展，层出不穷的金属材料不但具有硬度高、强度大、耐磨性好，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法的难度日益增大。如高温合金、高强度钢在机械加工过程中，因其加工切削力大，切削温度高，易加工硬化等特点，导致刀具易磨损，零件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，电火花加工的能量来源于脉冲放电，用于蚀除材料的能量受到脉冲电源能量输出、工件加工表面质量和精度、电极损耗等因素的制约，与传统机械加工相比，其加工效率很低。

为提高电火花加工的效率，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，使其应用领域得到扩展。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附着在电极上，减少电极损耗。但是，加工时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。

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。

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。

上述各种加工方法蚀除的能量，都是来源于工件和电极间的放电，其大小依赖于脉冲电源的输出。由于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，并且用于加工的能量只有一部分分配给工件，另一部分在传递过程中散失到周边介质中，能量利用率不高。为了提高电火花加工的效率，只能提高脉冲电源的输出能量，但输出能量越大，损失就越大，并且分配到工具电极上的能量也越大，相应的电极损耗就增加，同时工件的加工表面质量也越差。因此，目前无论采用何种形式的电火花加工，其加工效率仍较低。

电解加工是一种利用金属阳极电化学溶解原理去除材料的制造技术，它因无工具损耗可长期使用、与加工材料硬度无关、表面无残余应力、无毛刺、加工效率高、表面质量好、可加工三维复杂形状等特点，已被广泛地应用在发动机叶片、涡轮等关键零部件的生产中，在航空航天、汽车、医疗器材、电子、模具等行业中得到了广泛的应用。尽管如此，目前电解加工的精度及稳定性还需要提高，并且其设备投资大，工具电极修整困难，电解液及产物需要进行处理。

借助电解加工的高效率低电极损耗，电火花加工的高精度，电解电火花复合加工成为一种有发展潜力、有希望解决上述工艺难题的新型加工方法，同时电解电火花复合加工目前也是一种适用于高硬度绝缘体材料加工的工艺手段。

英国爱丁堡大学对耐热合金、钛合金、合金钢等5种材料进行了深小孔电解电火花复合加工试验研究，5种材料均成功实现了复合加工打孔。前苏联乌发航空学院重点试验研究了在薄壁件上用电解电火花复合加工冲切稍大的孔，加工精度可达0.01~0.20mm，已局部用于航空发动机薄型板料耐热合金外壳的冲孔加工。

日本学者Chisato Tsusumi等分别在NaOH、NaNO₃和NaCl电解液中对非导电的Al₂O₃陶瓷进行了电解电火花放电复合加工小孔的试验研究，结果表明NaOH水溶液是最适合的电解液。近森邦夫用红外传感器检测控制电弧放电的方法，对电解液中电弧放电加工陶瓷材料进行了试验研究。

久保田护、土屋八郎等将电火花线切割技术和用以对金刚石或红宝石打孔的电解电火花加工技术结合起来，实现了对玻璃及不导电陶瓷的电解电火花线切割。

哈尔滨工业大学特种加工研究所提出对绝缘体进行充气式电解电火花复合加工方法并进行了较为深入的研究。

综上所述，现有的综合加工方法虽然进行了改进，但仍然存在效率低，加工表面存在残余拉应力和变质层等一系列影响加工质量的问题。

发明内容

本发明是针对目前难加工金属材料电火花加工效率低，加工表面存在残余拉应力和变质层等问题，通过在极间输入新的能量，发明一种无宏观切削力的特种加工方法，通过可控烧蚀方式快速蚀除加工材料，并通过电解进一步复合加工修整表面，提高蚀除效率并消除加工表面的残余应力和变质层。

本发明的技术方案是：

一种电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是以电解液作为工作介质，将待加工工件电极和工具电极的一端浸没在工作介质中，向加工区域间歇性通入气体并在待加工工件电极和工具电极的极间形成气膜；在电火花电源作用下，在待加工工件电极和工具电极之间产生电火花放电，使被加工工件在电火花放电引燃作用下与通入气体产生氧化放热反应并形成燃烧效应，实现高效烧蚀；在气体关闭阶段，在电解电源的作用下，对烧蚀表面进行电解加工及表面修整；轮换开启电火花引燃脉冲电源与电解蚀除电源并移动工具电极直至加工结束。

所述的能与待加工工件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 MPa ~9MPa。

所述的电解加工工作介质为NaCl、NaNO₃和NaClO₃等一种或几种的组合电解液。

在整个加工过程中向加工区域高速喷射液体工作介质以加速电解加工蚀除产物的排出，同时压迫可燃气体，强化烧蚀作用。

所述的待加工工件的基体材料为导电金属或导电合金。

加工过程中使用的工具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形成包括钻、车、铣、成型加工等加工形式。

所述的间歇气体的产生是通过气流控制装置的主动间歇控制实现的，形成间歇控制的时间在0.01～150秒之内，对于旋转或振动电极采用连续供气并采用机械方法强迫燃烧区域发生转移，从而达到间歇供气的目的。

本发明在通入气体阶段，工具电极与工件间能够形成绝缘气膜，开启电火花引燃脉冲电源后，气膜形成的绝缘区将产生火花放电，工件表面局部温度达到燃点以上产生活化，并与通入的气体发生燃烧反应，释放大量的热量。这些热量直接作用在工件基体材料上，引起加工材料表面温度迅速上升到熔点，由于局部聚集的热量不能很快被基体材料吸收，从而产生热量聚集效应，致使表层材料温度急剧升高发生燃烧效应，熔融的材料及产物因急剧膨胀产生微爆并抛离基体。材料蚀除率远远大于常规电火花加工，提高了加工效率。

在间歇性地关断气体阶段，烧蚀中止（电火花引燃脉冲电源在完成引燃作用后可以关闭，不一定在整个燃烧阶段均产生电火花放电），电解电源开启，并在加工区域冲入高压电解液，通过电解方式对已产生烧蚀的表面进行电解加工并修整，达到电解蚀除表面变质层并保障工件表面质量与精度，消除残余应力的目的。随着电极或工件的进给，上述两过程不断重复，烧蚀与电解加工两种加工状态始终交替进行直至加工结束。

本发明的有益效果：

本发明在保证加工质量和精度的前提下，材料蚀除效率可数倍、甚至数十倍于常规电火花加工，也高于同等电规准下的常规电解加工，并且由于后段的电解蚀除可以通过控制加工电流进行表面修整，因此可以获得更好的表面质量及精度，可控性好，并且可以消除表面残余应力。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，加工的表面可以实现不存在变质层及残余拉应力。

本发明利用基体金属材料自身燃烧释放的大量化学能，加速基体金属材料的烧蚀，大大提高了材料蚀除效率；加工过程中借助电解加工方法对加工表面进行交替加工及修整，加工效率、表面质量和精度优于常规电火花及电解加工方法。电火花放电只是起到引燃作用，燃烧产生的能量直接作用在工件基体上，由于电极与工件有一定距离，且电极处于气体的流通冷却状态，因此燃烧能量很少传递到电极上，而电解加工理论上没有电极损耗，因此整个过程电极几乎没有损耗，同时加工表面没有变质层及残余应力。

本发明仍属于无宏观切削力加工，因此特别适合于钛合金、高温合金、高强度钢等难加工材料的加工，并且可以采用小型装置在大型构件上运动进行大型构件的加工，对大型结构件的局部加工具有重要的意义。由于采用了电解液，这种加工方法也适合在海水环境中进行作业，大大拓宽了加工领域。

本发明与常规电火花加工相比可数倍甚至数十倍地提高材料蚀除率，与同样电规准下的电解加工相比，其加工效率也大大提高，缩短了电解加工的时间，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。

附图说明

图1是本发明加工装置原理示意图。

图2是本发明的加工过程示意图。

其中：图2a）为放电诱导活化材料示意图；

图2b）为活化区燃烧放热示意图；

图2c）为关断氧气阻止燃烧不规则扩散并进行电解加工及修整的示意图。

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1-2所示。

一种电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，属于特种加工范畴。加工始终处在电火花诱导可控烧蚀与电解复合修整加工交替进行的状态。以电解液作为工作介质，将待加工工件电极和工具电极的一端浸没在工作介质中，向加工区域间歇性通入气体并在待加工工件电极和工具电极的极间形成气膜，如图1所示；在电火花电源作用下，在待加工工件电极和工具电极之间产生电火花放电，使被加工工件在电火花放电引燃作用下与通入气体产生氧化放热反应并形成燃烧效应，实现高效烧蚀；在气体关闭阶段，在电解电源的作用下，对烧蚀表面进行电解加工及表面修整；轮换开启电火花引燃脉冲电源与电解蚀除电源并移动工具电极直至加工结束。加工开始阶段利用电火花放电作为一种诱导方式，放电加热基体金属（待加工工件）表面材料，使表面活化，达到燃点温度以上。表面活化的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。燃烧过程控制在（0.01s～150s）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，通气压力可在0.01MPa～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。加工过程中使用电解液作为工作介质，向加工区域附近高速喷射工作介质，在电解加工阶段，加速加工产物的排除，在烧蚀阶段压迫气体，强化燃烧作用。工具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。工具电极可以旋转也可以不旋转。工件和工具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、车、铣、成型加工等形式。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。

如图2所示，详述如下：

第一、通入气体，在电极与工件间形成气膜绝缘区域，电极与工件分别接电火花脉冲电源正、负极，在电极——气膜绝缘区域——工件间进行电火花放电引燃，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，电火花引燃脉冲电源此时可以关断，也可以持续到关断气体通入时一并关断。如图2a)所示。

第二、继续通入气体，使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，能释放出大量的热量。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、可控烧蚀。常规电火花加工工件蚀除的能量主要来源于脉冲电源，并且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。而燃烧产生的热量大部分将直接作用于基体，散失较少，能量利用率大大提高。由于燃烧释放的热量远远大于同体积金属熔化需要的热量，基体材料不断达到燃点，在局部区域产生的热力、爆炸力和气体、液体冲刷作用下，带走表层熔化的金属材料和氧化产物，露出新的活化表面。上述加工过程将不断重复，直至气体关断，燃烧中止。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。因此，材料的蚀除率远大于常规电火花加工。如图2b）所示。

第四、电解加工及表面修整。为防止燃烧的不规则扩散及燃烧产物任意堆积在基体材料表面，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。而后开启电解电源，此时工件与工具电极分别接电解加工电源的阳极和阴极，进行电解加工及表面修整以蚀除工件表面燃烧产物及变质层，并修整加工表面，保障加工表面的质量与加工精度,如图2c)。

本发明的工作原理是：

通入气体阶段在工具电极与工件间形成绝缘气膜，开启电火花引燃脉冲电源，产生火花放电，工件表面局部温度达到燃点以上，产生活化，与通入的气体发生燃烧反应，释放出大量的热。这些热量直接作用在工件基体材料上，引起被加工材料表面温度迅速上升到熔点温度以上，由于局部聚集的热量不能很快被基体材料吸收，从而产生热量聚集效应，致使表层材料温度急剧升高，熔融的材料及产物因急剧膨胀产生微爆并抛离基体，露出新的活化层。其次，在间歇性地关断气体阶段，燃烧中止（电火花引燃脉冲电源在完成引燃作用后可以关闭，不一定在整个燃烧阶段均产生电火花放电），电解电源开启。在极间高压电解液的冲刷条件下，通过电解方式蚀除烧蚀表面的变质层，并对表面进行修整，保障工件表面质量、精度并消除残余应力。随着电极或工件的进给，上述两过程不断重复，烧蚀与电解加工两种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，加工效率数倍、甚至数十倍于常规电火花加工，且大大高于同电规准下的常规电解加工，缩短了电解加工时间，并且由于后段的电解蚀除可以通过控制加工电流进行表面修整，因此可以获得更好的表面质量及精度，可控性良好。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，且加工的表面不存在变质层及残余拉应力，特别适合难加工金属材料及大型结构件的加工，并且可采用小型设备在大型结构件上的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。本发明具有高效、低损耗、低成本、安全的优点。

Claims (9)

1.一种电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是以电解液作为工作介质，将待加工工件电极和工具电极的一端浸没在工作介质中，向加工区域间歇性通入气体并在待加工工件电极和工具电极的极间形成气膜；在电火花电源作用下，在待加工工件电极和工具电极之间产生电火花放电，使被加工工件在电火花放电引燃作用下与通入气体产生氧化放热反应并形成燃烧效应，实现高效烧蚀；在气体关闭阶段，在电解电源的作用下，对烧蚀表面进行电解加工及表面修整；轮换开启电火花引燃脉冲电源与电解蚀除电源并移动工具电极直至加工结束。

2.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是所述的能与待加工工件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烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是所述的气体从电极的中心、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烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是所述的气体的工作压力为0.01 MPa ~9MPa。

5.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是所述的电解加工工作介质为NaCl、NaNO_3、NaClO₃等一种或几种的组合电解液。

6.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是在整个加工过程中向加工区域高速喷射液体工作介质以加速电解加工蚀除产物的排出，同时压迫可燃气体，强化烧蚀作用。

7.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是所述的待加工工件的基体材料为导电金属或导电合金。

8.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是加工过程中使用的工具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形成包括钻、车、铣、成型加工等在内的加工形式。

9.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及电解复合高效加工方法，其特征是所述的间歇气体的产生是通过气流控制装置的主动间歇控制实现的，形成间歇控制的时间在0.01～150秒之内，对于旋转或振动电极也可连续供气并采用机械方法强迫燃烧区域发生转移，从而达到间歇供气的目的。

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