CN103008809A - 一种金属材料的复合加工方法 - Google Patents

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尹青峰
吉方
张勇斌
刘广民
李建原
吴址群
鱼胜利
朱建平
刘坤
王新宽
雷艳华
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Abstract

本发明提供了一种金属材料的复合加工方法,同时利用电火花放电和电化学作用对金属材料进行去除加工。它是将工具电极和工件分别固定在机床的主轴和工作台上,利用去离子水和三乙醇胺配置导电能力很弱的弱电解质水溶液作为工作液,工作液置于液体循环系统中,以冲液方式进入加工区域。采用脉冲电源为电火花放电和电化学作用提供能量,工具电极接电源阴极,工件接电源阳极,机床伺服系统驱动工具电极靠近工件,直到工具电极和工件之间的距离达到电火花放电的临界距离。本发明电极损耗率低,特别适用于电火花加工电极损耗大的金属材料的加工,可以一个工具电极连续多次使用。

Description

一种金属材料的复合加工方法
技术领域
本发明涉及一种金属材料的复合加工方法。
背景技术
电火花加工利用电能和热能去除材料,不存在宏观切削力,仿形加工精度高,在难切削金属材料的加工以及复杂结构金属零件加工问题上,具有得天独厚的优势。最近几十年,电火花加工技术发展迅速,成为了现代制造技术的重要组成部分。但是,电火花加工金属材料,存在效率低、电极损耗大的问题。高效低损耗加工是电火花加工追求的目标。
在现有的技术中,提高电火花加工效率主要是从两个方面着手:一是增大放电脉冲能量,通过增加释放在两电极之间的能量,来提高材料的去除速度;二是改进控制系统,使电极能够实时跟进和及时抬刀,提高脉冲利用率来增加材料去除速度。但是,脉冲能量太大在增大材料去除速度的同时,会降低加工精度,加剧电极损耗;控制系统性能的改善对提高材料去除速度的能力有限,还会增加设备的成本。
对电极损耗问题,目前的技术一方面通过电参数和电极材料的匹配来降低损耗;另一方面通过补偿来防止损耗的积累给加工精度带来较大误差。补偿通过控制系统来实现,主要方法一是加工一定长度或者一定时间后,进行检测和补偿,然后再加工;二是在加工过程中,根据理论值,通过软件对电极损耗进行实时补偿;三是将理论实时补偿技术和检测、再补偿技术结合起来。这些方法都是通过控制系统来实现补偿,在微细加工领域,单位时间内电极损耗在微米级别,要准确地实现实时补偿,对机床各运动轴的分辨率、定位精度要求很高,这会使机床成本大大提高。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种金属材料的复合加工方法。
本发明的金属材料的复合加工方法,其特点是,所述的加工方法包括以下步骤:
(a)将工具电极和待加工工件分别装夹在机床的主轴和工作台上;
(b)利用去离子水和三乙醇胺配置导电能力很弱的弱电解质水溶液作为工作液,工作液置于液体循环系统中,以冲液方式进入加工区域;
(c)采用脉冲电源为电火花放电和电化学作用提供能量,工具电极连接电源阴极,工件连接电源阳极;
(d)机床伺服系统驱动工具电极靠近工件,直到工具电极和工件之间的距离达到电火花放电的临界距离。
所述的电化学作用为阳极氧化和阴极还原。
所述的机床为至少具有单个主轴伺服进给及回退功能的机床。
所述的去离子水为电导率不超过2μS/cm的去离子水。
所述的液体循环系统为供液系统和机床工作液槽组成工作液循环系统,系统中工作液的电导率由电导率仪监控,如果电导率值超过设定的值,则往循环系统中加入去离子水以降低工作液电导率。
所述的弱电解质水溶液的电导率范围为50μS/cm~300μS/cm。
所述的脉冲电源的电压为80V~120V,频率大于100KHz,占空比为0.16~0.5,峰值电流为3.2A~4.8A。
所述的机床伺服系统的驱动为:当工具电极和工件接触后,主轴立刻回退;当工具电极和工件没有接触时,主轴连续进给。
本发明的有益效果在于:采用弱电解质水溶液作为工作液,同时利用电火花放电和电化学作用对金属材料进去去除加工。电化学作用产生的氢气和氧气被电火花放电引燃爆炸,增加电蚀微粒的排出能力,提高加工稳定性进而提高加工效率。电化学的阴极还原作用使溶液中的金属离子在工具电极表面发生电沉积,补偿电极损耗,进而降低电极损耗率。本发明电极损耗率低,特别适用于电火花加工电极损耗大的金属材料的加工,可以一个工具电极连续多次使用。
附图说明
图1是采用本发明的金属材料复合加工方法进行加工过程的原理图;
图2是图1的等效电路图;
图中,1.脉冲电源    2.工具电极     3.喷嘴     4.工作液     5.工件     6.电源内阻     7.工具电极和工件之间的等效电阻。
具体实施方式
图1是采用本发明的金属材料复合加工方法进行加工过程的原理图,图2是图1的等效电路图,从图1~图2中可以看出,本发明的金属材料复合加工方法进行加工过程的原理是:工具电极和工件之间的等效电阻7和电源内阻6串联在电路中,在电路中加入脉冲电源1后,因工作液4电导率很小,工具电极和工件之间的等效电阻7远大于电源内阻6,根据串联分压原理,加在电极两端的电压约等于脉冲电源1电压。当两电极间的距离达到电火花放电的临界距离时,电极之间的电场强度达到临界击穿强度,发生电火花放电,工件5和工具电极2的材料同时被蚀除。在电火花放电进行的同时,因工作液4具有一定的导电性,电化学反应也在进行,电化学阳极溶解作用使工件5材料以离子形式进入工作液4,工件5表面越凸出的位置溶解越快;进入工作液4的金属离子在电场力的作用下迁移到工具电极2表面,发生还原反应,沉积在工具电极2表面补偿电极损耗。因此,电化学作用的阳极溶解可以对电火花腐蚀坑进行整平,电化学作用的阴极电沉积可以动态的补偿电火花放电引起的电极损耗。由于工作液4的主要成分为去离子水,在电极表面除了金属的电化学溶解和沉积外,还伴随着氧气和氢气的生成。电火花放电使产生的氢气和氧气混合气体发生爆炸,增强对电蚀微粒的排出能力,提高加工的稳定性,进而提高加工速度。
以下通过具体的实施例对本发明的复合加工方法做进一步描述:
实施例1:
将工具电极和工件分别装夹在具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床的主轴和工作台上,采用以去离子水和三乙醇胺按1.5:1000配置的溶液作为工作液,其电导率为54μS/cm。选用电源参数为:电压100V,;频率400KHz,占空比0.25,峰值电流4A。工具电极材料和工件材料均为紫铜,工具电极为直径0.5mm的圆柱,在厚1mm的工件上加工通孔。
加工完成后,工具电极长度方向的损耗率为1.3%,这一电极损耗率远低于传统电火花加工的电极损耗率(在电参数相同,工具电极和工件也完全相同的条件下,传统电火花加工的工具电极损耗率为53%)。其加工效率为传统电火花加工效率的4倍。
实施例2:
变换工作液电导率,以验证本发明的复合加工方法的工作液电导率选择的重要性。选择工作液的电导率为100μS/cm,保持其它条件与实施例1中完全相同。
加工完成后,工具电极长度方向的损耗率仅为0.3%。
实施例3:
变换工件材料,以验证本发明的复合加工方法对不同金属材料的普遍适用性。选择工件材料为不锈钢(1Cr18Ni9Ti),保持其它条件与实施例2完全相同。
加工完成后,工具电极长度方向的损耗率仅为0.7%,远小于传统电火花加工的电极损耗率(在电参数相同,工具电极和工件也完全相同的条件下,传统电火花加工的工具电极损耗率为28%),加工效率是传统电火花加工的11倍。

Claims (8)

1.一种金属材料的复合加工方法,其特征在于,所述的加工方法包括以下步骤:
(a)将工具电极和待加工工件分别装夹在机床的主轴和工作台上;
(b)利用去离子水和三乙醇胺配置导电能力很弱的弱电解质水溶液作为工作液,工作液置于液体循环系统中,以冲液方式进入加工区域;
(c)采用脉冲电源为电火花放电和电化学作用提供能量,工具电极连接电源阴极,工件连接电源阳极;
(d)机床伺服系统驱动工具电极靠近工件,直到工具电极和工件之间的距离达到电火花放电的临界距离。
2.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的电化学作用为阳极氧化和阴极还原。
3.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的机床为至少具有单个主轴伺服进给及回退功能的机床。
4.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的去离子水为电导率不超过2μS/cm的去离子水。
5.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的液体循环系统为供液系统和机床工作液槽组成工作液循环系统,系统中工作液的电导率由电导率仪监控,如果电导率值超过设定的值,则往循环系统中加入去离子水以降低工作液电导率。
6.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的弱电解质水溶液的电导率范围为50μS/cm~300μS/cm。
7.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的脉冲电源的电压为80V~120V,频率大于100KHz,占空比为0.16~0.5,峰值电流为3.2A~4.8A。
8.根据权利要求1所述的复合加工方法,其特征在于,所述的机床伺服系统的驱动为:当工具电极和工件接触后,主轴立刻回退;当工具电极和工件没有接触时,主轴连续进给。
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