CN102500847B - 基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀加工方法，其特征是：首先，将电火花诱导可控烧蚀加工的工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元和蚀除产物抽出单元组合形成功能电极组；其次，将功能电极组与成形电极组合成成形电极组合或单独组成功能电极集束组作为加工电极与脉冲电源相连；第三，在电火花加工过程中，使气体燃烧介质从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，使工作液从工作液输入单元喷入加工区域，通过蚀除产物抽出单元把加工过程中生成的蚀除产物和部分工作液抽离加工区域；第四，通过数控工作台带动使功能电极集束或组合而成的加工电极与工件产生相对运动，可形成成形加工、铣削加工、车削加工等加工形式。本发明加工效率高，损耗低、安全，无污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种电火花加工技术，尤其是一种电火花诱导可控烧蚀加工方法，具体地说是能提高电火花加工效率，利用功能电极组使工件表面产生电火花诱导的可控烧蚀加工，并快速冷却、消电离，及时快速排屑，提高电火花加工效率并保障加工表面质量与精度的基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀加工方法。
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，使得采用传统切削方式的加工难度日益增大。如高温合金、高强度刚、钛合金等。电火花加工属于无宏观切削力的特种加工，利用电极和工件之间火花放电时的电腐蚀来蚀除多余金属，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、复杂型面工件的加工。然而，传统电火花加工中，由于蚀除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，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。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。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蚀除的，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并不高。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，进一步降低了能量利用率。因此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，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。据此，申请人针对目前电火花加工效率低的问题，曾提出了通过极间新的能量输入手段，发明了一种通过放电诱导引燃可控烧蚀方式使被加工基体金属材料快速蚀除的方法（详见中国专利申请2010105443510）。这种方法的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，使加工处于放电诱导可控燃烧与常规电火花加工交替进行的状态，使得电火花加工的效率得到了明显的提高，但现有的加工效率仍存在极间排屑困难等问题，并且蚀除效率仍可以进一步提升，因此该方法仍需加以改进。
发明内容
本发明的目的是针对现有的电火花可控烧蚀加工存在的问题，发明一种能进一步提高蚀除效率，提高加工面蚀除的均匀性并能及时排屑的基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀加工方法。
本发明的技术方案是：
一种基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀加工方法，其特征是：
首先，将电火花诱导可控烧蚀加工的工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元和蚀除产物抽出单元组合形成功能电极组；
其次，将功能电极组单独或与成形电极组合后作为加工电极与脉冲电源相连；
第三，在电火花加工过程中，使气体燃烧介质从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，使工作液从工作液输入单元喷入加工区域，通过蚀除产物抽出单元把加工过程中生成的蚀除产物和部分工作液抽离加工区域。加工时通过气体燃烧介质输入单元向加工区域通入高压气体燃烧介质，通过工作液输入单元向加工区域通入高压工作液，高压工作液冲击高压气体燃烧介质，在极小的区域里形成强烈紊流，打散高压气体燃烧介质，使之分散细化成为微小气泡，工作液和高压气体燃烧介质的混流冲向加工表面，微小氧气气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过，蚀除产物抽出单元把加工区域的部分工作液和蚀除产物抽离加工区域；当功能电极组端面或功能电极组与成形电极的组合体的端面和加工表面达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，极间产生火花放电，火花放电产生的高温使工件表面材料气化或熔化，蚀除部分工件材料；同时，远高于燃点的高温点燃气体燃烧介质氛围中的工件表面材料，使气体燃烧介质与工件表面材料发生剧烈的燃烧化学反应，烧蚀去除工件表面材料，微气泡中的可燃气体耗尽或气体燃烧介质输入单元关断后反应终止，加工过程靠燃烧和电火花复合加工，获得较高的加工效率，气体燃烧介质输入单元关断后，加工区域烧蚀加工结束或利用单纯电火花修整加工表面。
所述的功能电极组可单个使用或根据需要采用不同单元组合使用也可以成束使用。
所述的功能电极组由分别通入工作液、气体燃烧介质和抽除蚀除物的管道拼接而成或由同一根分别形成有通入工作液、气体燃烧介质和抽除蚀除物三个通道的管道组成。
所述的气体燃烧介质为能与工件基体材料发生氧化反应的氧气、氯气、氮气、乙炔或氟气中的一种或几种的组合。
所述的功能电极组中的通孔为圆孔、方孔或扁缝孔。
所述的气体燃烧介质输入单元的气体输出压力为0.01～9MPa。
所述的工作液为水溶性非可燃性液体。
从气体燃烧介质输入单元输出的气体可以是连续输入也可以是受控间歇输入，当功能电极组与加工表面存在相对运动时可采用连续输入方式，而相对固定时则采用间歇输入方式。
所述的被加工材料为能与输入气体产生剧烈烧蚀反应的金属或合金等导体或复合材料。
本发明的功能电极组是由三个功能电极单元组成，即工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元和蚀除产物抽出单元。在电火花加工过程中，气体燃烧介质如氧气从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，工作液从工作液输入单元喷入加工区域，蚀除产物抽出单元把加工过程中生成的蚀除产物和部分工作液抽离加工区域。首先通过功能电极组气体燃烧介质输入单元向加工区域通入高压气体燃烧介质，从功能电极组工作液输入单元向加工区域通入高压工作液，高压工作液冲击气体介质，在极小的区域里形成强烈紊流，打散气体介质—如氧气，使之分散细化成为微小气泡，工作液和氧气的混流冲向加工表面，微小氧气气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过。功能电极组蚀除产物抽出单元把加工区域部分工作液和蚀除产物抽离加工区域。当功能电极组端面和加工表面达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，极间产生火花放电，火花放电产生的高温使工件表面材料气化或熔化，蚀除部分工件材料。同时，远高于燃点的高温点燃氧气氛围中的工件表面材料，使氧气与工件表面材料发生剧烈的燃烧化学反应，烧蚀去除工件表面材料，微气泡氧气耗尽或气体燃烧介质输入关断后反应终止。加工过程靠燃烧和电火花复合加工，获得较高的加工效率，烧蚀结束后，利用单纯电火花修整的加工表面。本发明的功能电极组仍属于宏观无切削力的加工电极，不受金属材料强度、硬度等力学性能的限制。
本发明的有益效果：
本发明通过功能电极组对工件进行直接或辅助加工，加速了材料蚀除率，并进行及时的冷却、消电离和排屑，有利于加工的稳定进行，提高了加工效率和加工表面质量。
本发明在加工过程中通过气体燃烧介质输入单元输入能与基体材料产生燃烧放热效应的气体，利用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，可加快反应进程。功能电极与工件有一定距离，且功能电极处于气体及工作液的流通冷却状态，燃烧能量很少能传递到电极上，因此功能电极损耗较小。整个加工过程可以采用连续或间歇通氧的方式进行烧蚀反应，如极间相对静止则可选择间歇通氧并在间歇通氧阶段利用电火花加工对烧蚀表面进行修整，如极间有相对运动，则可采用连续通氧方式。本发明的加工仍属于无宏观切削力加工，且功能电极的外观形状可以根据不同的加工条件进行选择，对于大型构件甚至可采用小型设备以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。由于采用了水溶性非可燃工作液，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，无污染的加工方式。
附图说明
图1是本发明功能电极组的结构示意图。
图1（a）是管束结构的功能电极组的结构示意图。
图1（b）是单管结构的功能电极组的结构示意图。
图2是本发明使用成形电极和功能电极组组成的烧蚀加工系统示意图。
图2中：1、加工工件，2、成型电极，3、水溶性工作液，4、工作液槽，5、功能电极组，6、蚀除产物抽出口，7、间歇气体燃烧介质输入口，8、工作液输入口，9、气、液及排屑控制装置，10、主轴伺服机构，11、脉冲电源。
图3是本发明的功能电极集束组进行铣削加工的系统示意图。
图3中：1、调速电机，2、传动带，3、工作台，4、功能电极集束组，5、脉冲电源，6、工件，7、氧气入口，8、工作液入口。
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2所示。
一种基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀成形加工方法，它包括以下步骤：
首先，将电火花诱导可控烧蚀加工必备的工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元和蚀除产物抽出单元组合形成功能电极组；功能电极组可由分别通入工作液、气体燃烧介质和抽除蚀除产物的管道拼接而成（图1a）,也可由同一根分别形成有通入工作液、气体燃烧介质和抽除蚀除物三个通道的管道组成（图1b）;气体、液体可从管束或管道的一端中输入，也可从中间位置输入；
其次，将功能电极组成束或单独或与成形电极组合（图2）作为加工电极与脉冲电源相连；
第三，在电火花加工过程中，使气体燃烧介质从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，使工作液从工作液输入单元喷入加工区域，通过蚀除产物抽出单元把加工过程中生成的蚀除产物和部分工作液抽离加工区域。加工时通过气体燃烧介质输入单元向加工区域通入高压气体燃烧介质，通过工作液输入单元向加工区域通入高压工作液，高压工作液冲击高压气体燃烧介质，在极小的区域里形成强烈紊流，打散高压气体燃烧介质，使之分散细化成为微小气泡，工作液和高压气体燃烧介质的混流冲向加工表面，微小氧气气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过，蚀除产物抽出单元把加工区域的部分工作液和蚀除产物抽离加工区域；当功能电极组端面或功能电极组与成形电极的组合体的端面和加工表面达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，极间产生火花放电，火花放电产生的高温使工件表面材料气化或熔化，蚀除部分工件材料；同时，远高于燃点的高温点燃气体燃烧介质氛围中的工件表面材料，使气体燃烧介质与工件表面材料发生剧烈的燃烧化学反应，烧蚀去除工件表面材料，微气泡中的可燃气体耗尽或气体燃烧介质输入单元关断后反应终止，加工过程靠烧蚀和电火花复合加工，获得较高的加工效率，气体燃烧介质输入单元关断后，可利用单纯电火花修整加工表面。
本发明的具体加工过程为：
工件与功能电极组可根据加工的不同要求分别脉冲电源正或负极，通过功能电极气体燃烧介质输入单元向加工区域输入高压气体介质，从功能电极工作液输入单元向加工区域输入高压工作液，高压工作液冲击气体介质，在极小的区域里形成紊流，打散加工介质—如氧气，使之分散细化成为微小气泡，工作液和氧气的混流冲向加工表面，微小氧气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过。蚀除产物抽出单元把加工区域部分工作液和蚀除产物抽离加工区域。
功能电极组成束与加工工件表面接近，达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，电极组端面和加工表面形成放电通道，产生火花放电，产生的高温（约10000℃）使工件表面材料气化或者液化，蚀除部分工件材料，并形成高温活化区域，使表层金属达到燃点，活化被加工金属表层材料。
当火花放电发生在被气体介质覆盖的工件表面时，放电产生的高温使金属达到燃点，表面金属和气体介质发生剧烈的燃烧反应，烧蚀工件表面材料。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。
常规电火花加工中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，导致基体表面温度升高，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烧蚀产物排出，露出新的活化表面，重复上述加工过程，直至加工结束，因此，材料的蚀除率远大于常规电火花加工。
气体介质和工作液高速喷入形成打散并细化的气体介质，加工区域内形成的紊流避免气泡的合并增大，从而使单个燃烧点的气体介质量很少，并且可根据加工情况采用连续或间歇气体输入方式。当气体介质耗尽，烧蚀自动停止从而使燃烧反应可控。在烧蚀中止期间可利用电火花进行常规电火花修整加工，去除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。
功能电极组在成型电极上的安排可以在最需要消电离、冷却的地方以冲刷加工区域，压迫气体，强化燃烧作用，并通过排屑功能单元排出蚀除产物，减少二次放电的机会，有利于加工的稳定进行。
实例 1。
如图2为实现烧蚀加工的固定成形电极和功能电极组成束的组合加工系统，加工采用的电极由成形电极和功能电极组或束组合而成。功能电极组由工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元和蚀除产物抽出单元三个功能单元组成。在电火花加工过程中，加工介质如氧气从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，工作液从工作液输入单元喷入加工区域，蚀除产物抽出单元把加工过程中产生的蚀除产物和过量的工作液抽离加工区域。
在如图2所示的加工系统中对工件进行成形加工，成型电极2和多个功能电极组5组成电极组合，通过伺服机构10带动作伺服进给运动，在电极组合和加工工件1之间接入脉冲电源11，通过控制装置9中间歇气体燃烧介质输入口7、工作液输入口8和蚀除产物抽出口6通入气、液及排屑，高压工作液冲击加工介质，在极小的区域里形成强烈紊流，打散氧气，使之分散细化成为微小气泡，工作液和氧气的混流冲向加工表面，微小氧气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过。功能电极蚀除产物抽出单元把加工区域过量的工作液和蚀除产物抽离加工区域。当电极组合端面和工件表面达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，电极端面和工件表面建立放电通道，产生火花放电，产生的高温使工件表面材料气化或者熔化，蚀除工件材料。远远高于燃点的高温点燃氧气氛围中的工件表面材料，使氧气与工件表面材料发生剧烈的燃烧化学反应，蚀除工件表面材料，氧气关断后反应终止。利用氧气关断间歇对烧蚀表面进行电火花修整，并由此循环往复直至加工结束。加工过程靠烧蚀和电火花复合加工，获得较高的加工效率。加工过程中采用工作液、加工介质高压冲入，生成物和工作液抽出同步进行，提高排屑能力，有利于加工稳定进行，同时减少二次放电机会，减少加工斜度的影响，提高加工的尺寸精度和加工表面质量。工件表面对应功能电极组或束的微凸起部位，可以通过机床的平动或摇动消除。
所加工的工件1可以为平面或三维型腔。
实例 2。
如图3实现烧蚀铣削加工的功能电极集束组及加工系统，功能电极集束组是由单个或者多个功能电极组组成。功能电极组由工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元两个功能单元组成。在电火花加工过程中，加工介质如氧气从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，工作液从工作液输入单元喷入加工区域。
在如图3所示的加工系统中对工件进行铣削加工，调速电机301通过皮带轮302带动功能电极集束组304作旋转运动，加工系统置于可进行三维运动的绝缘工作台303上对工件306进行铣削，通过进电机构在加工工件306和功能电极集束组304之间接入脉冲电源，通过功能电极气体燃烧介质输入单元307向加工区域通入高压氧气（从功能电极集束组外壁开的小孔进入），从功能电极工作液输入单元308向加工区域通入高压工作液（从侧壁开的小孔进入），高压工作液冲击加工介质，在极小的区域里形成强烈紊流，打散氧气，使之分散细化成为微小气泡，工作液和氧气的混流冲向加工表面，微小氧气气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过。功能电极集束组304在三维工作台303的带动下向加工工件306靠近，当功能电极集束组端面和工件表面达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，电极管壁端面和工件表面形成放电通道，产生火花放电，产生的高温使工件表面材料气化或者液化，蚀除工件材料。远远高于燃点的高温点燃氧气氛围中的工件表面材料，使氧气与工件表面材料发生剧烈的烧蚀化学反应，蚀除工件表面材料，微气泡中的氧气耗尽之后，在高压工作液的作用下，反应终止。因为是在众多氧气气泡的环境中进行的加工，所以反应可以连续高效的进行下去。加工过程靠燃烧和电火花复合加工，获得较高的加工效率。
所加工的工件306可以为平面或三维型腔，工件306与功能电极集束组304的相对运动方式可以在数控工作台上加工出三维型腔。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (10)
1.一种基于功能电极组的电火花诱导可控烧蚀加工方法，其特征是：
首先，将电火花诱导可控烧蚀加工的工作液输入单元、气体燃烧介质输入单元和蚀除产物抽出单元组合形成功能电极组；
其次，将功能电极组单独或与成形电极组合后作为加工电极与脉冲电源相连；
第三，在电火花加工过程中，使气体燃烧介质从气体燃烧介质输入单元喷入加工区域，使工作液从工作液输入单元喷入加工区域，通过蚀除产物抽出单元把加工过程中生成的蚀除产物和部分工作液抽离加工区域；加工时通过气体燃烧介质输入单元向加工区域通入高压气体燃烧介质，通过工作液输入单元向加工区域通入高压工作液，高压工作液冲击高压气体燃烧介质，在极小的区域里形成强烈紊流，打散高压气体燃烧介质，使之分散细化成为微小气泡，工作液和高压气体燃烧介质的混流冲向加工表面，微小气泡附着在工件表面或者在加工表面短暂经过，蚀除产物抽出单元把加工区域的部分工作液和蚀除产物抽离加工区域；当功能电极组端面或功能电极组与成形电极的组合体的端面和加工表面达到放电间隙时，在脉冲电源的作用下，极间产生火花放电，火花放电产生的高温使工件表面材料气化或熔化，蚀除部分工件材料；同时，远高于燃点的高温点燃气体燃烧介质氛围中的工件表面材料，使气体燃烧介质与工件表面材料发生剧烈的燃烧化学反应，烧蚀去除工件表面材料，微气泡中的可燃气体耗尽或气体燃烧介质输入单元关断后反应终止，加工过程靠燃烧和电火花复合加工，获得较高的加工效率，气体燃烧介质输入单元关断后，加工区域烧蚀加工结束或利用单纯电火花修整加工表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的功能电极组单个使用或成束使用。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征是所述的功能电极组由分别通入工作液、气体燃烧介质和抽除蚀除物的管道拼接而成或由同一根分别形成有通入工作液、气体燃烧介质和抽除蚀除物三个通道的管道组成。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的气体燃烧介质为能与工件基体材料发生氧化反应的氧气、氯气、氮气、乙炔或氟气中的一种或几种的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的功能电极组中的通孔为圆孔、方孔或扁缝孔。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的气体燃烧介质输入单元的气体输出压力为0.01～9MPa。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的工作液为水溶性非可燃性液体。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征是从气体燃烧介质输入单元输出的气体是连续输入或受控间歇输入，当功能电极组与加工表面存在相对运动时采用连续输入方式，而相对固定时则采用间歇输入方式。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的被加工材料为能与输入气体产生剧烈烧蚀反应的金属或合金导体。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的加工电极通过数控工作台带动使其与工件产生相对运动，形成成形加工、铣削加工或车削加工。
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