CN103480926B - 微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法及其专用工具 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法及其专用工具，管电极上通有脉冲电压，超低浓度中性盐溶液通过管电极内部高速流入加工区域，然后沿管电极与工件之间的间隙流出加工区域；超低浓度中性盐溶液在高压脉冲的作用下，在管电极的端面实现电火花轴向进给高速穿孔加工，在低压脉冲的作用下，对电火花加工后的孔壁进行径向电解光整加工。本发明采用电火花-电解异区同步复合加工方式，既保证了加工精度，又提高了制孔效率，满足了航空发动机各种孔的加工要求。本发明采用超低浓度中性盐溶液，区别于传统的电火花加工和电解加工，可以大幅度提高电化学溶解时的加工效率并减少设备的腐蚀程度。
Description
技术领域
本发明涉及属于特种加工技术领域，具体是一种微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法及其专用工具。
背景技术
随着航空工业的不断发展，航空发动机内部结构越来越复杂，其关键零部件出现大量的微小孔，特别是涡轮叶片的气膜冷却孔，其孔径小、数量多、分布较为复杂。小孔加工质量要求较高，需要无再铸层及残余应力，同时该叶片多采用铸造高温合金或者钛合金等难加工材料，因此传统的机械加工方法难以达到加工要求。
近年来，针对航空发动机微小孔的特种加工方法得到了很大的发展，如电射流加工、激光加工、电火花加工、电解加工等。电射流加工虽然不会产生再铸层，且可以加工尺寸很小的孔，但电射流加工的玻璃管存在形状复杂，制作困难、易碎难夹持等显著缺点，电火花和激光加工均存在再铸层的问题，而电解加工效率较低，这些均是制约其广泛应用的重要因素。
电火花-电解复合加工利用电火花加工效率高的优点，结合电解加工无再铸层的特点，形成一种针对微小孔加工的特殊工艺，使其具备生产效率高、加工精度高，表面质量好等优点。
2008年11月12日，申请号为200710025527.9的中国专利公开了一种太阳能硅片的切割制绒一体化加工方法及装置，该方法针对低电导率的单晶或多晶硅锭，采用较高电导率工作液，基于无切削力的电火花放电和高温脉冲电化学腐蚀复合加工原理，实现大尺寸超薄太阳能硅片电火花电解复合切割制绒加工，满足晶硅太阳电池的生产工艺需要，但该工艺方法主要针对太阳能硅片进行复合加工，且主要采用线切割工艺，无法应用到难加工金属材料的制孔加工中。
2011年2月16日，申请号为201010289524.9的中国专利公开了一种电解电火花切削复合微细加工装置及其加工方法，该方法利用加工电极和非导电待加工工件可物理接触的特点，引入切削加工，使其成为一种新的电解电火花切削复合微细加工装置，弥补了原有电解电火花加工方法在加工效率、加工精度等方面的缺点，使其具有材料去除率高、加工精度高、表面质量好、成本低等优点，但该方法主要针对非金属材料加工，由于加工过程有直接接触，存在宏观作用力，不适宜于高温合金等难加工金属材料的微小孔加工。
2011年8月17日，申请号为201110111842.0的中国专利公开了一种电火花诱导可控烧蚀及电解复合较高效加工方法，该方法的主要特征是电解液作为工作介质，将待加工工件和管电极的一端浸没在工作介质中，向加工区域间歇性通入助燃气体并在待加工工件与管电极间形成气膜，在电火花放电作用下引燃气体实现高效燃烧，电火花加工后，关闭气源，进行电解加工及表面修整。该发明提高了蚀除效率并消除了加工表面的残余应力和变质层，但该方法对于微小孔加工效果不明显，且管电极损耗大，加工成本高。
2012年7月4日，申请号为201210059835.5的中国专利公开了一种微细电极的电火花电化学复合加工方法。该方法主要为了解决现有的块电极电火花磨削方法存在加工锥度误差、电极表面质量差，以及刃口电极微细电解磨削方法加工效率低的问题，设计了电火花磨削粗加工与电解磨削精加工组合的加工工艺，但该工艺方法主要针对微细电磨削加工，不能推广到微小孔的加工。
2013年4月3日，申请号为201210516567.5的中国专利公布了一种金属材料的复合加工方法，该方法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行去除加工，电化学的阴极还原作用使溶液中的金属离子在管电极表面发生电沉积，补偿电极损耗，进而降低电极损耗率，特别适用于电极损耗大的金属材料的加工，可以一个管电极连续多次使用，但该发明加工效率较低。
英国爱丁堡大学的J.A.McGeough、A.B.Khayry等人研究了在电解电火花复合加工中火花腐蚀和化学溶解的作用，分析了影响加工的工艺参数，进行了电解电火花复合加工在耐热合金、钛合金、合金钢等材料上的深孔加工试验，该工艺方法加工效率较低，且未对加工后孔壁重铸层进行针对性的去除加工。新加坡国立大学的M.Rahman教授提出了一种在低电导率的去离子水中进行微细电火花和微细电解同步加工的工艺方法，分析了不同加工参数对加工精度和表面质量的影响，该工艺方法主要应用于微细加工，加工效率相对较慢。日本国立先进科学技术研究所MitsuroHattori针对电火花放电加工和电解/研磨复合加工进行研究，在同一台机床使用相同铜电极和相同的纯水工作液进行电火花成型和电解光整加工，再通过施加ECM研磨加工使孔的表面粗糙度得到改善，从而提出一种新的EDM和ECM的研磨复合的加工技术，该工艺方法由于采用纯水作为工作液，故电加工效率较低，而添加研磨工艺后，工序变得复杂，且加工时间较长。
哈尔滨工业大学刘晋春等进行了非导电陶瓷材料电解电火花打孔工艺研究，在分析研究现有非导电材料电解电火花加工原理和现状的基础上，提出了一种新型的非导电陶瓷材料充气电解电火花复合打孔工艺，其具有加工效率高、能耗小等优点，但该工艺主要针对非导电材料进行复合制孔加工，加工过程会产生较多的热量，不适宜推广到金属材料的无重铸层制孔加工。哈尔滨工业大学王玉魁等人进行了三维金属微结构的微细电火花和微细电解复合铣削研究，加工过程包括微细电火花加工和微细电解加工，加工采用相同的管电极在同一机床上依次进行，但所采用的工作介质不同，该方法主要应用于铣削加工，由于采用不同的工作介质，导致加工过程需要频繁的更换工作液，降低了加工效率。南京航空航天大学朱荻教授提出了电火花-电解组合加工工艺，将电火花和电解加工有机地组合在一起，实现电火花加工和电解加工在同一机床、同一工位、同一管电极下完成，提高制孔效率和质量，但该工艺方法加工效率相对较低，且加工过程易产生短路现象，对加工成功率有一定影响。
航空发动机零件孔的数量巨大，质量要求较高，如何实现高效、高质量制孔仍是航空发动机发展的关键问题。因此，针对微小孔的高效电火花-电解复合加工工艺方法研究具有十分重要的意义，同时也具有很大应用价值。
发明内容
本发明旨在提供一种微小孔加工方法，采用电火花-电解异区同步复合加工方式，既保证了加工精度，又提高了制孔效率。
本发明包括以下步骤：管电极上通有脉冲电压，超低浓度中性盐溶液通过管电极内部高速流入加工区域，然后沿管电极与工件之间的间隙流出加工区域；超低浓度中性盐溶液在高压脉冲的作用下，在管电极的端面实现电火花轴向进给高速穿孔加工，在低压脉冲的作用下，对电火花加工后的孔壁进行径向电解光整加工。
进一步改进，当小孔被穿透，工作液沿原有流道无法流经小孔侧壁时，使工作液通过导流装置沿管电极外壁和小孔内壁之间的间隙喷入。
进一步改进，所述的超低浓度中性盐溶液为NaCl、NaNO3、NaClO3中的一种或几种组合。
进一步改进，所述的超低浓度中性盐溶液浓度为0.05%~0.3%。
进一步改进，所述的管电极为普通管电极、螺纹管电极、开槽管电极或由其中任意几种电极组成的组合电极单元。
进一步改进，所述的脉冲电压由高低压复合电源提供。
本发明还提供了一种实现所述微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法的专用工具，包括芯部穿有管电极的导向装置，导向装置上部被夹持装置夹紧，中部套导流装置，导向装置下部与导流装置间留有导流通道，导流装置侧面开有与导流通道连通的导流孔，导流装置底部装有冲液密封装置。
本发明的有益效果在于：
1、本发明采用电火花-电解异区同步复合加工方式，实现了同一小孔在不同区域的同步复合加工，即在端面时主要通过电火花放电加工，实现零件高效穿孔；在孔侧壁由于间隙相对较大，电火花放电微弱，主要通过电化学溶解的方式将电火花加工后形成的重铸层去除，使粗糙的表面变得光滑，实现孔壁的电化学光整加工。
2、采用的是超低浓度中性盐溶液，区别于传统的电火花加工和电解加工，其带来的优点有：(1)因为浓度超低，使得小孔端面加工时依然以电火花放电加工为主，可以有效利用电火花高速穿小孔时的高效，以及孔型加工好的优点；(2)采用该溶液，可以大幅度提高电化学溶解时的加工效率，使得重铸层去除更为可靠，避免采用纯水时加工效率过低，去除不够充分的情况；(3)采用超低浓度溶液，可以避免电化学溶解时杂散腐蚀情况过多的问题，并且对于设备的腐蚀程度也很小。
3、本发明采用的内、外冲液方式，相比于浸液的冲液方式，更有利于维持加工过程中工作液的纯净程度，并及时的带走加工微小加工间隙内产生的加工产物和热量，保证了加工间隙电场和流场的稳定性，提高了加工效率，改善了加工质量，而相比于单一的内冲液或内外冲液方式，该冲液方式维持了小孔被穿透后加工间隙中工作液的充裕，保证了出口处的电化学溶解作用，改善了小孔出口处的加工质量。
4、本发明采用高低压复合电源，高压脉冲主要起击穿间隙的作用，可以控制低压脉冲的放电击穿点，保证前沿击穿，而低压脉冲提供较低的电压、较大的电流，可以进行有效的蚀除加工。
5、管电极的形状根据孔的要求选择，既可用于复杂空间曲面结构上的制孔加工，也可用于加工不同形状的异型孔。
6、本发明能减少电解加工短路现象，减少工作液对环境的污染。
附图说明
图1是本发明一种具体实施方式示意图。
图2是本发明加工原理图。
图3是本发明内冲液方法示意图。
图4是本发明外冲液方法示意图。
图5（a）（b）（c）（d）（e）（f）为高低压复合脉冲电源波形图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
图1为本发明一种具体实施方式示意图。工作台1、夹具2、工作槽3、工件4、复合电源5、伺服进给系统7、夹持装置24、管电极26组成电火花-电解复合加工平台，由第一单向阀6、第二单向阀19、第三单向阀22、第一调压阀9、第二调压阀20、第一压力表8、第二压力表21、第一过滤器14、第二过滤器15、电磁换向阀10、溢流阀11、净液槽12、浊液槽16、多级离心泵13、柱塞式计量泵17、精过滤器18、导流装置23、导向装置25、密封垫27、导流通道28、冲液密封装置29以及管道组成了电火花-电解复合加工工作液循环系统，供给加工所用工作液及保证加工产物的排出。
工件4安装在夹具2上，伺服进给系统7带动管电极26沿Z轴穿过冲液装置，进入加工区域，对工件进行加工。因此，采用该方法可对复杂空间曲面结构的进行不同孔型的加工，能有效的保证加工的稳定性，提高加工精度和表面质量。
图2是本发明的加工原理图。低浓度工作液31经管电极26内部高速流入加工区域，在高压脉冲的作用下，在管电极的端面发生电火花放电蚀除作用，产生大量电蚀产物33，在工作液31的作用下，快速流出加工区域，从而实现轴向进给高速穿孔加工；工作液31沿电极与工件之间的间隙流出加工区域，在低压脉冲的作用下，管电极31的外壁实现对孔壁的电解光整加工，在管电极31表面产生大量的气泡30。气泡30以及孔壁的表面产生微小的电解产物32，均随着工作液的流动从加工区域排出。因此，采用该方法可以满足航空发动机各种孔对孔型和表面质量的要求，并且极大的提高了制孔效率。
图3是本发明内冲液方法示意图。工作液经管电极26内部流入加工区域，然后由孔壁与管电极26之间空隙流出加工区域。
图4是本发明外冲液方法示意图。导向装置25芯部穿有管电极26，导向装置25上部被夹持装置24夹紧，中部套有导流装置23，导向装置25下部与导流装置23间留有导流通道28，导流装置23侧面开有与导流通道28连通的导流孔，导流装置23底部装有冲液密封装置29。在孔穿透形成漏液时，切换工作液循环系统，保持电极丝位置不变，机床主轴沿Z轴向下移动，使密封装置29与工件4接触，采用外冲液的供液方式，工作液依次通过电解循环系统、导向装置25、密封装置29，然后沿管电极26外壁进入加工区域。
图5（a）（b）（c）（d）（e）（f）为高低压复合脉冲电源波形图。采用高低复合脉冲电源，高压脉冲主要起击穿间隙的作用，可以控制低压脉冲的放电击穿点，保证前沿击穿，而低压脉冲提供较低的电压、较大的电流，可以进行有效的蚀除加工。
综合图1至图5，本发明所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法为：工作液31通过机床伺服进给系统7，经管电极26内部流入加工区域，然后由孔壁与电极之间空隙流出加工区域，利用高低压复合脉冲电源5，实现轴向进给和径向光整同步加工。在孔穿透形成漏液时，在电磁换向阀10的作用下，切换工作液循环系统，使工作液31经导流通道28沿管电极26外壁流入加工间隙。该方法利用轴向进给和径向光整加工，将电火花和电解加工有效的结合在一起，最大化的发挥了电火花加工和电解加工各自的优势，满足了航空发动机对孔的质量要求，且极大地提高了制孔效率。
本发明所述的工作液为NaCl、NaNO3、NaClO3中的一种或几种组合的超低浓度中性盐溶液，浓度为0.05%~0.3%。
管电极可满足电火花高速穿孔内冲液的要求，提高电火花穿孔的效率。电极外壁采用开槽或者螺纹结构，可改善微小孔加工时小间隙冲液困难问题，提高工作液在小间隙中的流速，加速产物从加工间隙中流出，提高了加工效果。采用组合式电极可实现复杂异型孔的电火花-电解复合加工。
本发明具体应用途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法，以管电极作为工作电极对工件进行微小孔加工，其特征在于：在管电极上施加脉冲电压，超低浓度中性盐溶液通过管电极内部高速流入加工区域，然后沿管电极与工件之间的间隙流出加工区域；在高压脉冲的作用下，管电极的端面与工件之间实现电火花轴向进给高速穿孔加工，在低压脉冲的作用下，超低浓度中性盐溶液对电火花加工后的孔壁进行径向电解光整加工。
2.根据权利要求1所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法，其特征在于：当小孔被穿透，工作液沿原有流道无法流经小孔侧壁时，使超低浓度中性盐溶液通过导流装置沿管电极外壁和小孔内壁之间的间隙喷入。
3.根据权利要求1所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法，其特征在于：所述的超低浓度中性盐溶液为NaCl、NaNO3、NaClO3中的一种或几种组合。
4.根据权利要求3所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法，其特征在于：所述的超低浓度中性盐溶液浓度为0.05%~0.3%。
5.根据权利要求1所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法，其特征在于：所述的管电极为普通管电极、螺纹管电极、开槽管电极或由其中任意几种电极组成的组合电极单元。
6.根据权利要求1所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法，其特征在于：所述的脉冲电压由高低压复合电源提供。
7.一种实现如权利要求1-6任一项所述的微小孔电火花-电解异区同步复合加工方法的专用工具，其特征在于：包括芯部穿有管电极（26）的导向装置（25），导向装置（25）上部被夹持装置（24）夹紧，中部套有导流装置（23），导向装置（25）下部与导流装置（23）间留有导流通道（28），导流装置（23）侧面开有与导流通道（28）连通的导流孔，导流装置（23）底部装有冲液密封装置（29）。
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