CN104959684A - 一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法 - Google Patents

Abstract

一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法，其特征在于：在电火花诱导烧蚀加工过程中，使用电解液替代电火花放电所使用的绝缘性工作介质，并与可（助）燃性气体如氧气形成雾化介质喷入加工区域，加工过程中可以通过调节气体与电解液的比例达到控制雾化介质电导率的目的，以根据加工需求或阶段要求在整个加工过程的不同阶段实现以放电诱导烧蚀加工为主、或放电诱导烧蚀及电解加工、或以电解加工为主的加工方式。从而达到通过烧蚀加工提高加工效率、或兼顾加工效率及表面质量、或以表面去除变质层为主要目的加工。本发明具有在一个完整加工过程中按加工需求实现起始高效加工，最后减少或去除变质层的目的，该加工方式可广泛应用于导电材料的铣削、深型盲孔的加工。

Description

一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法

技术领域

本发明涉及特种加工领域，尤其是一种导电材料的兼具高效率蚀除、低成本、低损耗以及高表面质量等优点的电火花加工方法。具体是一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法。

背景技术

随着科技的进步和工业的发展，新材料、新结构不断出现，特别是在航空航天领域，随着飞行器性能要求的不断提高，钛合金、高温合金、高强度钢及复合材料的使用比例越来越高，并且结构件加工已经呈现出以整体结构、复杂结构、切削加工量大、薄壁件多、加工精度高等特点。比如应用在航空航天方面的整体叶轮、机匣、连接框及舱体等整体大型构件，广泛采用钛合金、高温合金等高性能金属材料整体制造，材料难加工，并且材料去除率高，部分构件去除率甚至超过90%，还有一些薄壁构件，机械加工易发生变形，另外，目前飞机长寿命、高可靠性的要求，也使得零件表面的质量及完整性控制更为严格。

由于材料的难加工性及去除率大等特点，采用传统的金属切削方法加工上述零件已经感到愈来愈困难，且该矛盾必将随着新材料、新结构的不断涌现而更加突出，已经呈现出加工手段严重滞后于新材料、新结构发展的趋势。

电火花加工作为一种特种加工方法，是依靠两极之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀作用对加工材料进行加工。其具有加工精度较高、一致性、稳定性较好等优点，其加工性能不受制于材料的力学性能，且加工中无宏观切削力，适合复杂、薄壁、难加工金属材料的加工。然而，由于其蚀除材料的能量受制于脉冲电源能量的输出，加工效率较低一直是其难以克服的瓶颈问题，并且电火花加工表面存在再铸层，因此不能作为零件的最终加工手段。

放电诱导烧蚀加工是一种无宏观切削力特种加工方法，其在常规电火花加工中引入新的能量——金属燃烧释放的大量化学能，其加工效率是常规电火花加工的十数倍甚至数十倍，特别适合难加工材料、大去除量的零件加工。但是其加工表面具有再铸层及烧蚀层，也不能作为零件的最终加工手段。

电解加工与电火花加工一样也属于非接触加工工艺，不存在机械切削力。在电解加工过程中，电解液在阴极（工具电极）与阳极（工件）之间流动并发生电化学反应，产生的蚀除产物随着电解液的流动而排除。电解加工具有加工范围广，加工效率高，加工表面质量好，工具无损耗的特点。另外，电解加工属于冷态加工，表面不会产生冷作硬化层，热再铸层及表面微裂纹等表面缺陷。但是，电解加工加工精度一般不高，且电解加工的设备庞大，成本高。

由于电火花加工要使用绝缘性介质，而电解加工要使用电解液导电介质，因此在通常情况下，在一个加工过程中，两种方法是不能兼顾进行的，本发明的主要目的是采用氧气对电解液进行雾化，调节各个阶段对工作介质的要求，通过电火花烧蚀加工提高加工效率并通过电解加工去除变质层，在高效率加工前提下，实现加工表面质量高且无表面应力。

发明内容

本发明目的是针对目前难切削加工导电材料放电加工效率低下、能量输入低且单一、加工表面存在变质层与再铸层等表面缺陷的问题，发明一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法，首先通过极间新的高能量输入的放电烧蚀加工为主的高效率蚀除，而后通过调节气体与电解液的比例，进行电解加工为主的表面修整，提高加工表面的质量与完整性。

本发明的技术方案是：

一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法，其特征在于：在电火花诱导烧蚀加工过程中，使用电解液替代电火花放电所使用的绝缘性工作介质，并与可燃性气体或助燃性气体形成雾化介质喷入加工区域，加工过程中通过调节气体与电解液的比例达到控制雾化介质电导率的目的，以根据加工需求或进程在整个加工过程的不同阶段实现以放电诱导烧蚀为主、放电诱导烧蚀及电解加工或以电解加工为主的加工方式，从而达到通过烧蚀加工提高加工效率、兼顾加工效率及表面质量或以表面去除变质层为主要目的的加工。

本发明的整个加工过程中具有三个加工状态：一种加工状态是气体或气液混合雾化介质下的放电诱导烧蚀为主的加工；第二种是雾化介质下的放电诱导烧蚀及电解加工复合加工；第三种是电解液介质下的电解为主的加工。

所述的雾化介质是具有压力的气体与具有压力的电解液在雾化装置内进行混合形成的直径为0.1-100μm的雾滴，它能保障雾滴进入放电间隙内部参与放电过程。

所述的气体的压力为0.01MPa-9MPa；所述的电解液的工作压力为0.01MPa-9MPa。

所述的雾化介质的导电率范围为10^-5-2mS/cm。

所述的气体从电极内孔通入、从加工区域侧面通入或者从电极内孔和加工区域侧面同时通入。

所述的气体为氧气或其他可（助）燃性气体，或氧气与其他可（助）燃性气体的混合气体。

所述的电解液为NaCl溶液、NaNO₃溶液、NaClO₃溶液、Na₂SO₄溶液或前述溶液的复合电解液。

在加工过程中所使用的工具电极材料为导电材料，它能做振动、旋转或成型运动，通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔加工工艺。

所述的气体间歇性的通入放电区域或连续性通入加工区域，如间歇通入，实现间歇控制的时间为0.01-150秒以内，实现气体间歇性通入的控制途径为通过气流通断控制装置、采用机械方法或电气方法强制使放电区域脱离气体流场。 

本发明的有益效果：

本发明通过改变电火花烧蚀加工的工作介质将电火花烧蚀加工与电解进行复合，将一定压力电解液与气体在雾化装置中进行均匀混合形成雾化介质，改变了电火花加工能量的输入。加工过程中火花放电主要起到诱导引燃作用，而充分利用了被加工材料燃烧释放的巨大化学能，加速了被加工材料的蚀除速度，大大提高了材料蚀除率，降低了成本。另外，氧化燃烧反应是在被加工工件表面进行的，而电极热量被流动的雾化介质带走而基本处于低温状态，电解修整加工阶段电极基本没有损耗，因此在电火花与电解复合放电蚀除加工过程中电极的相对损耗很低，同时加工表面质量可以达到无变质层、再铸层以及表面缺陷。

本发明在加工过程中，可以控制通入气体与电解液的比例来调节加工效率和表面修整之间的比重，以满足不同加工要求与规准零件的加工。

本发明仍然属于无接触加工范畴，属于特种加工，在加工过程中无宏观切削力，特别适合加工去除量大、薄壁、钛合金、高温合金等高性能难加工材料构件的加工制造。

附图说明

图1是本发明加工装置原理示意图。

图2是本发明加工过程示意图。

图2(a)为放电诱导形成高温活化区；图2(b)为大去除量的放电烧蚀加工；图2(c)为表面电解修整加工。

具体实施方式

下面结构附图和实施例对本发明作进一步有说明。

如图1-2所示。

一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法，其所使用的加工装置如图1所示，一个典型的加工过程如图2所示，其实质是在电火花诱导烧蚀加工过程中，使用电解液替代电火花放电所使用的绝缘性工作介质，并与可（助）燃性气体（如氧气）形成雾化介质喷入加工区域，加工过程中通过调节气体与电解液的比例达到控制雾化介质电导率的目的，以根据加工需求或阶段在整个加工过程的不同阶段实现以放电诱导烧蚀为主、或放电诱导烧蚀及电解加工、或以电解加工为主的加工方式。从而达到通过烧蚀加工提高加工效率、或兼顾加工效率及表面质量、或以表面质量及去除变质层为主要目的加工。所述的雾化介质是工作压力为0.01MPa-9MPa的气体与工作压力为0.01MPa-9MPa电解液在雾化装置内进行混合，形成直径为0.1-100μm的雾滴，以满足雾滴能够进入放电间隙内部参与放电过程。雾化介质的导电率应该采用可控方式，可控制的范围为10^-5-2mS/cm。气体可从电极内孔通入或是从加工区域侧面通入或是两者同时通入。所述的气体可为氧气、一氧化碳、乙炔、氯气、氟气或这几种气体的混合气体。电解液可为NaCl溶液、NaNO₃溶液、NaClO₃溶液、Na₂SO₄溶液或前述溶液的复合电解液。在加工过程中所使用的工具电极材料为导电材料。可做振动、旋转运动或成型运动，可通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔加工工艺。气体可以间歇性的通入放电区域，也可以连续性通入加工区域，实现间歇控制的时间为0.01-150秒以内，实现气体间歇性通入的控制途径为通过气流通断控制装置、采用机械方法或电气方法强制使放电区域脱离气体流场。

本发明的具体加工过程如下：

第一、通入气体量大于电解液量，此阶段为放电烧蚀诱导阶段。工件与工具电极分别接脉冲电源正、负极。同时通入气体与电解液并在雾化装置内充分混合形成均匀雾化介质，雾化介质电导率较低，并通过电极喷射进入加工区域。雾化介质中的气泡首先被击穿并形成放电通道，在放电通道的高温高压作用下，使放电点材料达到燃点温度并被活化，形成表面高温活化区，如图2(a)。

第二、维持气体通入量，此阶段以电火花放电诱导烧蚀为主。此时气体与活化区的活化金属发生剧烈的氧化燃烧反应，释放大量的热能。这些热量又直接作用于周围基体金属材料，理论与试验表明，燃烧所释放的能量远远大于同等体积下金属材料达到熔融态所需要的能量，因此，可以使成倍于燃烧材料的周围基体材料达到熔融活化态。由于电解液存在，阻止了氧气泡过量进入放电区域，防止了放电点过度氧化而导致烧伤或形成大深度的变质层。氧化燃烧产物和熔融金属在放电爆炸力、放电通道压力、介质流冲刷作用下被排除加工区域。因此，材料氧化燃烧化学能的输入大大提高了材料蚀除能量，加工效率也因此远远高于常规电火花加工。该阶段为大去除量的蚀除阶段。另外，在该阶段可以通过调节气体、电解液的比例来控制氧化燃烧程度，获得不同的加工效率与加工表面质量，以满足不同的加要求，如图2(b)。

第三、通入气体量小于电解液量，此阶段以电解加工为主。加工区域气泡变少，几乎完全被导电的电解液包裹，雾化介质电导率升高，很难达到火花放电条件。在电解液的作用下，阳极（工件）发生溶解反应，将上阶段加工表面的变质层、再铸层及表面缺陷进行去除与修整。该阶段为表面修整阶段，如图2(c)。

蚀除阶段与修整阶段的加工比重可以通过气体间歇控制装置控制气体通入量进行调节。粗加工或加工要求低的情况下，可以增大氧气通入的量，以电火花放电诱导烧蚀加工为主提高加工效率；兼顾加工效率及表面质量的情况下，可以通过数据库选择合适的氧气、电解液比例，以放电诱导烧蚀及电解加工复合加工；加工质量和精度要求高的精加工情况下，减小氧气通入的量，以电解加工为主提高表面质量去除变质层。通过蚀除阶段与修整阶段的循环重复进行，达到被加工工件高效加工或兼具高效、高质量加工或高质量加工的要求。

Claims (10)

1.一种导电率可调的雾化介质电火花放电烧蚀与电解复合加工方法，其特征在于：在电火花诱导烧蚀加工过程中，使用电解液替代电火花放电所使用的绝缘性工作介质，并与可燃性气体或助燃性气体形成雾化介质喷入加工区域，加工过程中通过调节气体与电解液的比例达到控制雾化介质电导率的目的，以根据加工需求或进程在整个加工过程的不同阶段实现以放电诱导烧蚀为主、放电诱导烧蚀及电解加工或以电解加工为主的加工方式，从而达到通过烧蚀加工提高加工效率、兼顾加工效率及表面质量或以表面去除变质层为主要目的的加工。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是整个加工过程中具有三个加工状态：一种加工状态是气体或气液混合雾化介质下的放电诱导烧蚀为主的加工；第二种是雾化介质下的放电诱导烧蚀及电解加工复合加工；第三种是电解液介质下的电解为主的加工。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的雾化介质是具有压力的气体与具有压力的电解液在雾化装置内进行混合形成的直径为0.1-100μm的雾滴，它能保障雾滴进入放电间隙内部参与放电过程。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征是所述的气体的压力为0.01MPa-9MPa；所述的电解液的工作压力为0.01MPa-9MPa。

5.根据权利要求1或3所述的方法，其特征是所述的雾化介质的导电率范围为10^-5-2 mS/cm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的气体从电极内孔通入、从加工区域侧面通入或者从电极内孔和加工区域侧面同时通入。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的气体为氧气或其他可（助）燃性气体，或氧气与其他可（助）燃性气体的混合气体。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的电解液为NaCl溶液、NaNO₃溶液、NaClO₃溶液、Na₂SO₄溶液或前述溶液的复合电解液。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征是在加工过程中所使用的工具电极材料为导电材料，它能做振动、旋转或成型运动，通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔加工工艺。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的气体间歇性的通入放电区域或连续性通入加工区域，如间歇通入，实现间歇控制的时间为0.01-150秒以内，实现气体间歇性通入的控制途径为通过气流通断控制装置、采用机械方法或电气方法强制使放电区域脱离气体流场。