CN104801801A - 基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法及装置，属特种加工技术领域。本发明特征在于利用低温环境，在工件背面形成冰冻结构，通过冰冻辅助方式保持加工稳定性、改善工作液流场、提高加工精度、改善微小孔加工出口质量。

Description

基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法及装置

技术领域

本发明涉及一种微小孔加工方法及装置，属于特种加工技术领域，具体是基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法及装置。

背景技术

随着航空航天、微细精密机械产品的不断发展，微小孔结构在航空航天、军工、精密仪器仪表等领域的应用日趋广泛，如航空发动机涡轮叶片气膜冷却孔、汽车发动机燃油喷嘴等，微小孔可谓无处不在。与此同时，对微小孔结构的要求也越来越高，如无微裂纹、无再铸层等。微小孔加工是孔加工中最为困难的加工工艺之一。首先，由于孔径极小，所以微小孔大部分为长径比大的深孔。其次，需要加工微小孔的零件材料，一般多为高强度高硬度的难加工材料，如耐热钢、硬质合金、钛合金等。

近年来，微小孔特种加工工艺得到了广泛的应用，如电火花加工、激光加工、超声加工、电射流加工等，均取得了较快的发展，成为难加工材料微小孔加工的主要方法。

2003年12月24日，中国实用新型专利CN2593944Y公开了一种带反向冲液装置的高速电火花小孔加工机床，该机床在原有高速电火花小孔加工机上设一反向冲液装置，消除因漏液所带来的不良效果，提高了孔出口的加工质量和加工效率，但该机床只能进行高速电火花穿孔加工。

2011年5月4日，中国发明专利CN1851060B公开了一种中空零件电铸成型中沟槽的填充方法，该方法的特点在于沟槽的填充分两层进行：第一层选用易溶解的塑料作为低层，第二层采用混合一定比例金属粉的同种塑料，此层作为电导层，具有良好的导电性和机械加工性能。本发明适用于中空零件，尤其是细长通道电铸成形前的沟槽填充和电铸结束后填充物的去除，工艺简单易行，填充和脱模的周期短，该方法所制造的芯模表面光洁度和尺寸精度高，导电性好，脱模后的零件通道内不会残留填充物。

2013年6月5日，中国发明专利CN103128525A公开了一种采用低熔点合金牺牲层的孔加工方法，该方法先在工件预定加工孔的出口位置涂覆低熔点合金层，形成背衬，然后采用管电极电解加工，该方法提高了管电极电解加工工艺稳定性和加工精度。但该方法在工件表面涂覆金属，对于一些表面不能涂覆金属的工件则不适用，且金属层在后续清洗中不易去除。

2014年1月1日，中国发明专利CN103480926A公开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，该方法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，在孔侧壁时主要通过电化学溶解的方式将电火花加工后形成的再铸层去除，实现孔壁的电化学光整加工。但该方法未提及微小孔加工结束时流场问题的解决方法。

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（制造技术与机床，1998，（10）:12～13），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再铸层制孔加工。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（电加工与模具，2010，（2）：33～37），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，提高了制孔效率和质量，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。

发明内容

本发明旨在提高微小孔加工精度和表面质量，提出的一种工艺稳定性好、通用性强、成本低、实现方便的基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法。

本发明特征在于利用低温环境，在工件背面形成冰冻结构，通过冰冻辅助方式保持加工稳定性、改善工作液流场、提高加工精度、改善微小孔加工出口质量。

一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将待加工工件固定在夹具上并置于容器中，将制冰溶液加入容器或注入空心零件中，至少保证待加工工件的制孔出口面被溶液淹没；

步骤2、采用低温实施措施，对加工区域进行降温处理，为整个加工营造低温环境；

步骤3、在低温环境下，至少使得待加工工件的制孔出口面所处部位的溶液被冻结，形成冰层，并和待加工工件自然地冻结在一起且具有连接强度，形成冰冻辅助结构；

步骤4、工作液采用管电极内冲液，即工作液从中空管电极内流入，从管电极和孔侧壁的间隙流出。随后进行电火花、电解、电火花电解复合、电液束微小孔加工。对于电火花微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间电火花放电产生的热量使冰层局部融解，保证孔出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；对于电解微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间从管电极中冲出的溶液的热量使冰层局部融解，保证出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；对于电液束微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间从管电极中冲出的溶液的热量使冰层局部融解，从而保证出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；对于电火花电解复合加工，在孔刚穿通的瞬间电火花放电产生的热量使冰层局部融解，加工中同步实现电火花高速穿孔，以及电解加工。通过冰冻作用减小电火花热影响层和电解非加工面杂散腐蚀层，同时通过冰层保证穿透瞬间的电解液流场稳定，从而提高加工稳定性和加工质量；

步骤5、加工结束后，提高加工环境温度，待冰冻结构融化取出被加工工件。

本发明还提供了一种实现所述的基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法的装置，其特征在于：该装置包括制冰系统；该制冷系统包括容器、工件夹具，该工件夹具将工件安装于容器内，且使工件底部与容器底部预留制冰空间的夹具；

该制冷系统还包括用于使制冰溶液冻结成冰的制冰部件。

所述的工作液温度控制系统，可以连续的调节加工时管电极中冲出的工作液的温度，工作液的温度一方面可以控制孔穿通时，出口处冰融化凹坑的大小；另一方面可以控制打孔过程中电火花加工，电解反应的速度。

所述的冰层厚度从0.1～100mm；所述的制冰溶液为水、酒精、NaCl溶液、NaNO₃溶液、NaClO₃溶液、乳化液、水基工作液中的一种或几种组合；所述的用于加工的工作液与用于制造冰冻结构的溶液可相同也可不同；所述的制冰溶液浓度为0.05%～20%；所述的低温温度范围为-50～0℃；所述的低温实施措施包括液氮制冷、半导体制冷、空气压缩制冷等；该方法可用于加工平面结构、复杂曲面结构、中空零件、细长通道零件及实心零件等；

本发明的有益效果在于：

1、在孔的出口区涂覆上一层冰，可在孔部分穿通的瞬间，通过冰层的背衬，使得工作液的流向不发生改变，稳定工作液流场，从而保证出口处充足的工作液供应，提高了孔的加工精度。同时电火花加工时局部热量使冰层局部融解，形成微小凹坑结构，有助于在小孔穿透的瞬间，工具电极的进一步进给，而不发生工具电极和背衬冰层的干涉，使加工继续顺利进行。同时从喷嘴中持续不断的喷出液氮，对工件和冰块可进行持续冷却，因为冷却而使冰块因受热而溶解的凹坑区域不会太大，从而保证工件上其他区域和冰块保持良好的接触。

2、在孔的出口区涂覆一层冰不会对工件基体造成损伤。由于冰融化后成水，不会粘结在工件表面，更容易在加工后去除，后期工序简单，节省时间，加工后的去除物是冰水混合物对环境污染小。由于水的流动性好，可以填充到任意复杂的型面、型腔、中空零件、细长通道中，提高了工件上微小孔的可加工范围，例如现代先进的航空发动机普遍采用涡轮叶片型腔的填充。加工时管电极中冲出的工作液温度可调，工作液的温度一方面可以控制孔穿通时，出口处冰融化凹坑的大小；另一方面可以控制打孔过程中电火花加工，电解反应的速度。

3、相较于常温加工，本发明采用的低温环境对电火花加工和电解加工均有许多优点。例如，对于电火花放电作用来说，由于电火花加工是利用电、热能量进行加工的，通过给被加工材料施加低温环境，有望在加工中控制局部熔化、气化，减少周围热效应的产生，进而可以减少再铸层的厚度，提高工件的加工精度和表面质量。对于电解加工来说，其是一种利用电化学阳极溶解原理进行材料去除的，在低温环境下，溶液活性减弱，可以减少低温非加工区材料的杂散腐蚀，从而提高工件的加工质量。

4、本发明工作液采用管电极内冲液，即工作液从中空管电极内流入，从管电极和孔侧壁的间隙流出。随后进行电火花、电解、电液束和电火花电解复合微小孔加工。对于电火花微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间电火花放电产生的热量使冰层局部融解，保证孔出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；对于电解微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间从管电极中冲出的溶液的热量使冰层局部融解，保证出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；对于电液束微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间从管电极中冲出的溶液的热量使冰层局部融解，从而保证出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；对于电火花电解复合加工，在孔刚穿通的瞬间电火花放电产生的热量使冰层局部融解，加工中实现了同一小孔在不同区域的同步复合加工，即在端面是主要通过电火花放电加工，实现工件高效穿孔，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的再铸层去除，提高孔壁加工质量。通过冰冻作用减小电火花热影响层和电解非加工面杂散腐蚀层，同时通过冰层保证穿透瞬间的电解液流场稳定，从而提高加工稳定性和加工质量。

附图说明

图1是本发明一种专用装置示意图；

图2是本发明加工原理示意图；

图3是本发明微小孔加工过程示意图；

图4是本发明加工效果改善示意图；

图中标号名称：1.工作台，2.立柱，3.伺服进给系统，4. 加热装置，5.计量泵，6.工作液槽，7.精过滤器，8.粗过滤器，9. 温度控制器，10.容器，11.工件，12.冰，13. 冰层，14.液氮，15.喷嘴，16.管电极，17.工作液

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为本发明一种专用装置示意图。工作台1、立柱2、伺服进给系统3、工件11、容器10、工件11、冰12、喷嘴15、管电极16组成了基于低温环境的冰冻辅助微小孔电火花电解复合加工工作平台，由工作液槽6、计量泵5、精过滤器7、粗过滤器8以及管道组成了基于低温环境的冰冻辅助微小孔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，工作液17、加热装置4、温度控制器9组成了基于低温环境的冰冻辅助微小孔电火花电解复合加工工作液温度控制装置。工件11安装在夹具上，伺服进给系统3带动工具电极16向加工区域进给进行工件加工，从而实现微小孔低温环境冰冻辅助加工，可有效的保证加工稳定性，提高加工精度和表面质量。

图2是本发明的加工原理图。工作液17经管电极16内部高速流入加工区域，对于电火花穿孔加工，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，在工作液17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；对于电解穿孔加工，在工件端面发生电化学阳极蚀除作用，产生大量电蚀产物，在工作液17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。在孔部分穿通的瞬间，通过冰层的背衬，使得工作液的流向不发生改变，稳定工作液流场，从而保证出口处充足的工作液供应。同时电火花加工时局部热量使冰层局部融解，有助于工具电极的进一步进给，而不发生干涉，使加工继续顺利进行。同时从喷嘴15中持续不断的喷出液氮14，对工件和冰块进行持续快速的冷却，因为冷却而使冰块因受热而溶解的凹坑不会太大，从而保证工件上未加工孔的位置和冰块保持良好的接触。因此，采用该方法可以满足型面上孔型和表面质量的要求，并且极大的提高了打孔效率。

图3微小孔加工过程示意图。加工初期工作液由工具电极内部注加工区域，经加工间隙流出，低温加工环境改善了加工效果，随着加工的进行，当工件被击穿瞬间，工作液大部分由工具电极内部直接冲击到工件背部冰冻结构，并在其表面形成一个凹坑，凹坑的形成有利于工件的继续进给，随着工具电极的深入，工作液冲向冰冻结构后被反流回侧面及加工间隙，从而保证了出口处充足的工作液供应，实现了孔出口的充分加工，从而解决孔出口加工不完全现象。

图4是采用本发明加工效果改善示意图。非低温环境下无冰冻辅助加工所获得的小孔18，其锥度较为明显，孔出口处由于缺液导致加工不完全，形成收缩角度并有锐边存在。采用基于低温环境下的冰冻辅助加工方法所获得的小孔19，锥度得到了明显的改善，孔型精度较孔18更高，孔出口处加工不完全现象得到了解决。

结合图1至图4，本发明所述的基于低温环境的冰冻辅助微小孔电火花电解复合加工方法为：加热装置4和温度控制装置9可以调节工作液的温度，工作液17通过机床伺服进给系统3，经管电极16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。在孔部分穿通的瞬间，通过冰层的背衬，使得工作液的流向不发生改变，稳定工作液流场，从而保证出口处充足的工作液供应。同时电火花加工时局部热量使冰层局部融解，有助于工具电极的进一步进给，而不发生干涉，使加工继续顺利进行。同时从喷嘴15中持续不断的喷出液氮14，对工件和冰块进行持续快速的冷却，因为冷却而使冰块因受热而溶解的凹坑不会太大，从而保证工件上未加工孔的位置和冰块保持良好的接触。满足了航空发动机对孔的质量要求，且极大地提高了打孔效率。

Claims (9)

1. 一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于包括以下过程：

步骤1、将待加工工件固定在夹具上并置于容器中，将制冰溶液加入容器或注入空心零件中，至少保证待加工工件的制孔出口面被溶液淹没；

步骤2、采用低温实施措施，对加工区域进行降温处理，为整个加工营造低温环境；

步骤3、在低温环境下，至少使得待加工工件的制孔出口面所处部位的溶液被冻结，形成冰层，并和待加工工件自然地冻结在一起且具有连接强度，形成冰冻辅助结构；

步骤4、工作液采用管电极内冲液，即工作液从中空管电极内流入，从管电极和孔侧壁的间隙流出；随后进行电火花、电解、电火花电解复合、电液束微小孔加工； 

对于电火花微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间电火花放电产生的热量使冰层局部融解，保证孔出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；

对于电解微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间从管电极中冲出的溶液的热量使冰层局部融解，保证出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；

对于电液束微小孔加工，在孔刚穿通的瞬间从管电极中冲出的溶液的热量使冰层局部融解，从而保证出口处充足的工作液供应，使加工顺利进行，从而改善孔出口质量；

对于电火花电解复合加工，在孔刚穿通的瞬间电火花放电产生的热量使冰层局部融解，加工中同步实现电火花高速穿孔，以及电解加工；通过冰冻作用减小电火花热影响层和电解非加工面杂散腐蚀层，同时通过冰层保证穿透瞬间的电解液流场稳定，从而提高加工稳定性和加工质量；

步骤5、加工结束后，提高加工环境温度，待冰冻结构融化取出被加工工件。

2.根据权利要求1中所述的一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于：上述工作液的温度可调以通过工作液温度控制制孔出口面所处部位冰层融化范围。

3.根据权利要求1所述的一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于：上述制冰溶液与制孔工作液成分相同。

4.根据权利要求1所述的一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于：所述的低温温度范围为-50～0℃。

5.根据权利要求1所述的一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于：所述的冰层厚度从0.1～100mm。

6.根据权利要求1所述的一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于：所述的低温实施措施包括液氮制冷、半导体制冷、空气压缩制冷。

7.根据权利要求1所述的一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法，其特征在于：该方法可用于加工平面结构、复杂曲面结构、中空零件、实心零件。

8.一种实现权利要求1所述的基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法的装置，其特征在于：该装置包括制冰系统；该制冷系统包括容器（10）、工件夹具，该工件夹具将工件（11）安装于容器（10）内，且使工件底部与容器底部预留制冰空间的夹具；该制冷系统还包括用于使制冰溶液冻结成冰的制冰部件。

9.根据权利要求8所述的制冰装置，其特征在于：该装置还包括工作液温度控制系统。