CN103692038A - 基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，使用中空电极作诱导烧蚀用的电极，使工件与电极之间保持一定的相对运动速度，在直流或脉冲电源的作用下使电极与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电，使难加工材料表面达到材料燃点温度以上处于活化状态；然后，该进气系统输出的定量高压复合低压助燃气体从中空电极内部通入活化区域，持续通入的低压气体与处于活化状态金属发生剧烈的燃烧反应，释放出热量，释放热量大于散失热量，烧蚀加工得以持续进行；间歇通入的定量高压气体使定量的活化材料发生燃爆反应。该进气系统使烧蚀加工处于持续不断的低压氧气诱导燃烧和定量高压氧气可控燃爆共同蚀除材料的过程。

Description

基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法

技术领域

本发明涉及一种基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其应用于放电诱导烧蚀加工中，属于特种加工技术领域。

背景技术

进入二十世纪以来，随着工业生产和科学技术的进步，各种新材料不断涌现。在这些材料中许多是难加工金属材料，例如硬质合金、钛合金、淬火钢、不锈钢等，他们具有比强度高、硬度高、耐高温、耐磨等特点，这些特点使得传统切削加工已不能满足其加工要求。比如在传统的机械切削中，这些难加工材料消耗于塑性变形的能量大，切削力比切削普通金属材料时大得多；切削温度高，切削时产生的大量切削热很难向材料内部传导，甚至在工件表面会出现烧伤、裂纹等质量问题；刀具易磨损；加工硬化现象严重等。这些问题使得这些难加工金属材料的传统机械切削加工难度增加，刀具损耗严重，甚至无法加工。在生产的迫切需求下，精密和特种加工技术应运而生。因特种加工技术加工性能与工件材料的强度和硬度无关，故可以加工各种超硬超强材料、高脆性和热敏材料以及特殊的金属和非金属材料。作为特种加工技术之一的电火花加工主要是利用电能和热能去除材料，工具和工件之间不存在宏观的机械切削力，适合于难加工金属材料和复杂型面零件的加工。

传统电火花加工时的能量大小仍然主要依赖于脉冲电源的输出，而一般脉冲电源的能量利用率不到总能量的一半，此外，用于加工的能量只有部分分配给工件，还有一部分能量在传递过程中散失到周边介质中，这就使得加工能量的利用率不高。如果电源的输出能量提高，电火花加工效率也会提高，但电源的输出能量越大，分配到工具电极上的能量越大，相应的电极损耗也越大，工件表面质量也越差。而且由于加工能量受脉冲电源能量输出的限制，加工区域又集中在很小的放电通道附近，传输到被加工材料基体的热量十分有限且利用率较低，因此加工的效率较低。同时，由于传统电火花加工采用煤油等工作介质，会产生有毒气体排放及易燃等一系列的环境和安全隐患问题。

为解决上述问题，中国专利申请201110192863.X号中提出了一种基于电火花诱导可控烧蚀难加工金属材料的高效切削加工方法，其机理是利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体使难加工金属材料发生烧蚀反应。研究表明，难加工金属材料在一定的气体压力、温度和气流速度下可以保持稳定燃烧状态。然而当气体浓度增加到一定值时，燃烧的反应速度就会趋于无穷大，此时就会发生爆炸，由于反应物浓度不可控，爆炸反应也不可控，会破坏加工工件形状 ，加工表面粗糙度很高，但是燃爆反应中材料蚀除量很大，可以极大地提高材料的加工效率。

发明内容

本发明的目的是针对放电诱导烧蚀加工金属燃烧的可控性，发明了基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，具体来说该进气系统可以极大地提高难加工金属材料加工烧蚀效率以及烧蚀的可控性，持续通入的低压气体维持烧蚀加工的持续进行，脉冲定量高压气体使得定量材料发生可控燃爆现象，可控燃爆去除的材料量远远大于普通燃烧反应去除量，从而提高整体加工效率。

本发明采用如下技术方案：一种基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其包括如下步骤：

第一步：使用中空电极作为诱导烧蚀用的电极，使工件与电极之间保持一定的相对运动速度；

第二步：在直流或脉冲电源的作用下使诱导烧蚀电极与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到材料燃点温度以上而处于活化状态；

第三步：定量高压复合低压助燃气体从中空电极内部通入活化区域，持续通入的低压气体与处于活化状态金属发生剧烈的燃烧反应，释放出大量的热量，这些释放热量大于散失热量以使得烧蚀加工得以持续进行，间歇通入的定量高压气体使得定量的活化材料发生燃爆反应，定量高压复合低压进气系统使得烧蚀加工处于持续不断的低压氧气诱导燃烧和定量高压氧气可控燃爆共同蚀除材料的过程；

第四步：定量高压气体间歇通入加工区域，根据燃烧的连锁反应，一次燃爆反应结束后，随着高压气体的消失，燃烧链被终止，爆炸反应被可控地结束，直到下一次定量高压气体通入，重复上述燃爆链锁反应，直到加工结束。

所述助燃气体为能与难加工金属材料发生燃烧放热反应的氧气、氯气、氮气、氟气中的一种或其几种的组合。

所述助燃气体从中空电极中心吹向活化区域，所述中空电极为单一通孔或者群孔，孔径为φ0.1mm～φ5mm。

所述的放电烧蚀加工中工件与电极之间保持一定的相对速度，其形式包括工件或电极高速旋转，工件或电极高速往复直线运动，或者是工件和电极同时运动，加工形式包括车、铣、刨、磨，其相对运动速度保持在0.1m/s～10m/s。

所述的持续通入的低压气体的压力为0.01MPa～0.5MPa ；间歇通入的定量脉冲高压气体压力为0.5MPa～10MPa，体积为0.01L～2L，脉冲持续时间为50ms～2000ms，脉冲间歇时间为100ms～10s。

所述的难加工金属材料为能与助燃气体发生氧化反应的钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料。

所述定量高压复合低压气体的输出通过电磁阀、机械装置、传感器实现。

所述在向加工区域通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应和定量燃爆效应的助燃气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液。

本发明具有如下有益效果：

（1）．本发明通过定量高压复合低压进气系统控制助燃气体的通入量和通入方式，使金属燃烧分阶段进行，即电火花诱导阶段、引燃阶段、稳定燃烧阶段、间歇燃爆阶段（包括燃爆链锁和链锁断开）实现金属稳定烧蚀和可控燃爆同时进行，在保证一定加工精度和表面质量的基础上，数千倍地提高了加工效率，解决了难加工金属材料加工效率低的难题和烧蚀加工中燃爆反应可控性的问题；

（2）．本发明通过定量高压复合低压进气系统使金属燃爆反应可控高效地进行，材料加工效率的控制可以依赖高压氧气压力和体积，定量高压气体通断时间、低压氧气的压力、流量、诱导烧蚀电极的进气孔的排列方式、工件与烧蚀电极的相对运动速度来进行调整；

（3）．由于采用了水或非可燃水溶性工作液作为工作介质，不存在传统电火花加工油性工作介质易产生环境污染，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。

附图说明

图1为本发明的加工试验参数。

图2为本发明实现定量高压气体复合低压进气功能的装置示意图。

图3为图2装置中两位两通电磁阀A、B通电后开关顺序。

图4为本发明的加工过程示意图，其中4（a）是放电诱导作用下难加工材料表面活化阶段； 4（b）是通入低压氧气后稳定烧蚀阶段； 4（c）是通入定量高压氧气后可控燃爆反应阶段； 4（d）是下一次定量高压氧气通入前燃爆反应结束阶段。

图5是氧气压力对材料加工速度的影响曲线。

图6是不同氧气压力下工件表面形貌图，其中，6(a)为压力0.3Mpa表面形貌，6(b)压力0.9Mpa表面形貌。

图7是压力0.9Mpa加工后工件图片.

图8是基于定量高压复合低压进气系统的工件表面形貌。

其中：

1-压力表，2-单向阀，3-调压阀，4-进气口，5-两位两通电磁阀A，6-储气囊，7-两位两通电磁阀B，8-出气口。

具体实施方式

下面以车削为实例对本发明作进一步的说明。

本发明用于放电烧蚀加工中定量高压复合低压进气系统在车削具体实施方式（以氧气为例）中的进气系统示意图如图2所示。

其中以钛合金TC4为例，采用控制单一变量的方法对比氧气压力为0.3Mpa、0.9Mpa时材料的加工速度和表面质量，具体试验参数如图1所示。

本发明基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其包括如下步骤：

第一步：使内部具有进气孔的中空状的诱导烧蚀电极（本实施例中以TC4为例）进电、通气，并使得工件与诱导烧蚀电极之间以一定的相对速度的保持相对运动；

第二步：在直流或脉冲电源的作用下使诱导烧蚀电极与难加工金属材料（如钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料）之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到材料燃点温度以上而处于活化状态；

第三步：通过定量高压复合低压进气系统控制一定压力的低压气体和一定体积的脉冲高压气体通入活化区域，处于活化区金属的某些易燃位置(晶界、夹杂物、各种缺陷、低熔点相和组织处)被首先瞬间引燃,局部燃烧释放出大量的燃烧热，使燃烧点周围的温度急剧升高，很快超过了金属材料的燃烧温度门槛值,从而使周围金属材料发生一种类似于木材、尼龙燃烧的整体燃烧现象，由于低压氧气持续不断供给，金属材料的稳定燃烧也就能够可控地持续进行；同时，通入到加工区域的定量高压气体与一定体积的金属材料发生燃爆反应，金属材料的燃爆反应极大地提高了材料的加工效率，使成倍于正常烧蚀反应体积的金属材料被蚀除；该进气系统能够使烧蚀加工处于持续不断的低压氧气诱导燃烧和定量高压氧气可控燃爆共同蚀除材料；

第四步：由于定量高压气体间歇通入加工区域，根据燃烧的连锁反应，一次燃爆反应结束后，随着高压气体的消失，燃烧链被终止，爆炸反应将被可控地结束，直到下一次定量高压气体通入。重复上述燃爆链锁反应，直到加工结束。

本发明通过定量脉冲高压复合低压进气系统使稳定烧蚀和可控燃爆反应同时进行直到加工结束。

在上述加工方法中，在直流或脉冲电源的作用下使诱导烧蚀电极与难加工金属材料之间产生火花放电，其加工参数如图1所示。同时，将装置的进气口4与气源相连，出气口8输出的氧气从电极的内部通入到加工区域。先通入一段时间的低压氧气，通过调压阀3调节氧气压力为0.3Mpa，在电火花诱导作用下钛合金达到燃点温度与氧气发生燃烧反应。然后使两位两通电磁阀A、B通电，阀门的开关顺序如图3所示，由于电磁阀A、B是间歇开关，储气囊6能够将进气口输入的低压气体储存起来。当电磁阀B打开时一定体积的高压气体通入加工区域，在富氧条件下，钛合金与定量高压氧气发生燃爆反应，一定体积的钛合金被瞬间蚀除；当电磁阀B关闭时，燃爆链锁反应终止，避免了不可控的燃爆反应的发生，重复上述过程，加工区域一直处于低压稳定烧蚀和高压可控燃爆共同作用下，直到加工结束。上述过程中高压氧气的脉冲持续时间为0.5s，脉冲间歇时间为2s。

在上述加工方法中，气体从中空状诱导烧蚀电极中心吹向加工区域，其中中空状诱导烧蚀电极内部助燃气体进气孔为单一通孔或者群孔, 孔径为φ0.1mm～φ5mm。

在上述加工方法中，放电烧蚀加工中工件与诱导烧蚀电极之间保持一定的相对速度，其形式包括工件或电极高速旋转，工件或电极高速往复直线运动，或者是工件和电极同时运动，加工形式包括车、铣、刨、磨等，其相对运动速度保持在0.1m/s～10m/s。

在上述加工方法中，定量高压复合低压气体的输出可以通过电磁阀、机械装置（如凸轮）、传感器等实现。助燃气体除氧气外，还包括能与难加工金属材料发生燃烧放热反应的氯气、氮气、氟气中的一种或其几种的组合。

在上述加工方法中持续通入的低压氧气的压力为0.01～0.5Mpa，定量脉冲高压氧气压力为0.5～10Mpa，体积为0.01～2L，脉冲持续时间为50ms～1000ms，脉冲间歇时间为100ms～10s。

在向加工区域通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应和定量燃爆效应的气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（乳化液、复合工作液等）。

请参照图4所示，上述基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法从微观上分为四个阶段：

一、电火花诱导材料活化阶段（如图4（a））；在电火花放电作用下，诱导烧蚀电极与难加工金属材料之间形成放电通道，少量难加工金属材料被火花放电蚀除，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，表面材料达到金属燃点温度以上； 

二、稳定烧蚀阶段（如图4（b））；在一定体积的持续低压氧气供给作用下，处于活化区金属的某些易燃位置(晶界、夹杂物、各种缺陷、低熔点相和组织处)被首先瞬间引燃, 局部燃烧释放出大量的燃烧热,使已被引燃的燃烧点部位所处位置周围的温度急剧升高,很快超过了金属材料的燃烧温度门槛值,从而使周围金属材料发生一种类似于木材、尼龙等的燃烧现象,即金属燃烧，通过金属燃烧达到蚀除材料的目的；

三、可控燃爆阶段；难加工金属材料在定量脉冲高压氧气作用下瞬间发生可控燃爆反应（若持续通入高压氧气，则燃爆会非常剧烈，难以控制），低压氧气的不断持续供给，使得金属燃烧的化学反应不断进行，通过控制脉冲通入的高压氧气的压力与流量，参与燃爆反应的材料体积固定，燃爆过程可控；

四、燃爆结束阶段；在下一个定量脉冲高压氧气未通入之前，随着上个高压氧气的燃烧殆尽，持续通入的低压氧气维持金属正常稳定燃烧，燃爆反应结束，又回到稳定燃烧阶段。重复上述过程，直到加工结束。

通过试验可以发现，现有加工方法在氧气压力为0.3Mpa、0.9Mpa这两种压力下的钛合金的加工速度和表面质量如下图5、图6所示。对比两种氧气压力下加工速度和表面微观形貌图可知，随着氧气压力的增大，加工速度明显增加，但是表面燃烧坑也增大，在0.9Mpa氧气压力时，工件表面发生不可控的燃爆，如图7所示，影响工件的后续加工。因此，放电诱导可控烧蚀加工的定量高压复合低压进气具有重要意义，将图2示的进气装置应用于烧蚀加工，调节通入的高压氧气为0.9Mpa，低压氧气为0.3Mpa，其它试验参数如图1所示，材料的加工速度为450mm³/min，加工后表面微观形貌如图8所示。分析试验数据可知，基于该进气系统的加工速度较低压通氧有较大的提高，表面质量介于低压通氧和高压通氧之间，尽管表面有许多燃烧坑，但无大面积的不可控燃烧爆炸，不会影响工件的后续加工。

本发明通过定量高压复合低压进气系统可以极大地提高难加工金属材料加工烧蚀效率以及烧蚀的可控性，持续通入的低压气体维持烧蚀加工的持续进行，脉冲定量高压气体使得定量材料发生可控燃爆现象，可控燃爆去除的材料量远远大于普通燃烧反应去除量，从而提高整体加工效率。

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 (8)

1.一种基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：其包括如下步骤

第一步：使用中空电极作为诱导烧蚀用的电极，使工件与电极之间保持一定的相对运动速度；

第二步：在直流或脉冲电源的作用下使诱导烧蚀电极与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到材料燃点温度以上而处于活化状态；

第三步：定量高压复合低压助燃气体从中空电极内部通入活化区域，持续通入的低压气体与处于活化状态金属发生剧烈的燃烧反应，释放出大量的热量，这些释放热量大于散失热量以使得烧蚀加工得以持续进行，间歇通入的定量高压气体使得定量的活化材料发生燃爆反应，定量高压复合低压进气系统使得烧蚀加工处于持续不断的低压氧气诱导燃烧和定量高压氧气可控燃爆共同蚀除材料的过程；

第四步：定量高压气体间歇通入加工区域，根据燃烧的连锁反应，一次燃爆反应结束后，随着高压气体的消失，燃烧链被终止，爆炸反应被可控地结束，直到下一次定量高压气体通入，重复上述燃爆链锁反应，直到加工结束。

2.权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述助燃气体为能与难加工金属材料发生燃烧放热反应的氧气、氯气、氮气、氟气中的一种或其几种的组合。

3.如权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述助燃气体从中空电极中心吹向活化区域，所述中空电极为单一通孔或者群孔，孔径为φ0.1mm～φ5mm。

4.如权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述的放电烧蚀加工中工件与电极之间保持一定的相对速度，其形式包括工件或电极高速旋转，工件或电极高速往复直线运动，或者是工件和电极同时运动，加工形式包括车、铣、刨、磨，其相对运动速度保持在0.1m/s～10m/s。

5.如权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述的持续通入的低压气体的压力为0.01MPa～0.5MPa ；间歇通入的定量脉冲高压气体压力为0.5MPa～10MPa，体积为0.01L～2L，脉冲持续时间为50ms～2000ms，脉冲间歇时间为100ms～10s。

6.如权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述的难加工金属材料为能与助燃气体发生氧化反应的钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料。

7.如权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述定量高压复合低压气体的输出通过电磁阀、机械装置、传感器实现。

8.如权利要求1所述的基于定量高压复合低压进气系统的难加工金属材料放电烧蚀加工方法，其特征在于：所述在向加工区域通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应和定量燃爆效应的助燃气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液。

Images