CN109746533B - 多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法 - Google Patents

Abstract

一种多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征是将多个相互绝缘的中空铜管电极(10)集束成所需形状，给其中每个中空铜管进电端接入电阻(2)，再整体与脉冲电源连接以产生多通道放电；而后将混合有磨粒(11)的绝缘树脂胶(9)液体流入不同中空铜管之间的间隙里，固化成形获得带磨削作用的多通道放电分立电极(6)。使用该分立电极进行放电雾化烧蚀磨削复合加工，实现同时多点放电分散放电能量并多点诱导烧蚀反应，扩大燃烧范围实现高效蚀除，其次利用分立电极中磨粒(11)的磨削作用，磨除烧蚀表面的氧化层(a)和软化层(b)，露出新基体。本发明能提高烧蚀加工的持续性、效率和表面质量，解决加工效率和质量之间的矛盾。

Description

多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法

技术领域

本发明涉及一种多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，具体地说是能提高电火花加工效率，利用多通道放电来分散放电能量，扩大金属材料的燃烧范围，充分利用金属多点活化产生的烧蚀作用，并辅以磨粒的机械修整作用来去除氧化层a和软化层b，实现加工效率高和表面质量好的一种复合加工方法，其属于高效放电加工，特种加工新技术领域。

背景技术

现代科技发展中，新结构、新材料使用越来越广泛，特别是应用于航空航天领域的难加工材料，如钛合金、高温合金及复合材料等。传统的机械加工方法主要依靠机械切削力去除材料，材料的高性能也使得机械切削变得困难，传统的机械加工方法越来越难以满足现有的加工需求。电火花加工技术利用脉冲电源电能转化为热能去除工件材料，加工过程中工件和电极不接触，无宏观作用力，不受材料强度、硬度限制，可以加工任何硬脆、韧及高熔点的导电材料，且专长于难加工材料、复杂型面工件的加工，是金属切削加工的重要方法。由于蚀除能量受脉冲电源的制约，电火花加工方法与传统机械加工方法相比加工效率比较低：且放电通道蚀除材料形成表面凹坑，使得表面质量也较差。

为提高电火花加工效率和加工表面质量，研究人员进行了很多研究，相继提出气中电火花加工、液中充气电火花加工、喷雾电火花加工等方法。但其本质还是同一时刻产生一个放电通道蚀除工件材料，提高单次放电能量，可以提高加工效率，但放电凹坑变大，表面质量不能保证；提高频率，单次放电时间缩短，放电能量减小，表面质量虽有所提高，但加工效率不能提高，放电加工效率与加工质量存在不可避免的矛盾。如何突破这一限制，实现同一时刻多个放电通道蚀除工件，成为电火花加工研究中急需解决的重要基础问题。黄赛娟对半导体硅电火花多通道放电进行了研究，发现由于半导体硅材料体电阻和接触势垒的存在，在极间介质被击穿之后，只有放电通道处的电压下降到火花维持电压，放电点外的其它点依旧维持一个较高的电势差，从而可以再一次形成放电，呈现多通道放电特性。所以在放电加工中，可以实现加工过程中的多通道放电加工模式，在电源输出功率一定的情况下，多通道放电能实现能量的分散，提高表面加工质量。

高效放电加工方法中，刘志东教授提出放电诱导烧蚀加工方法，利用电火花放电诱导活化作用，使金属处于活化状态，再在加工区域通入可与金属基体发生燃烧反应的气体，利用金属的燃烧氧化反应释放的热量作为蚀除材料的主要能量来源，可以获得很高的加工效率。由于该加工方式本质还是单通道放电加工，在同一时刻两极之间仅有一个放电通道起到诱导活化作用，烧蚀区域范围受到限制，不利于烧蚀加工效率的进一步提升。烧蚀燃烧反应会在加工表面形成氧化层，这些金属氧化物一般不具有导电性和可燃性，其不仅会降低火花放电利用率，而且导致燃烧难以形成，使得烧蚀加工无法持续进行。而利用磨粒的机械磨削作用，在线修整加工表面，去除已烧蚀软化的金属材料，而且可以磨除氧化层，露出新的金属基体，促进烧蚀反应的持续进行，这可以提高烧蚀加工效率和表面质量。

发明内容

本发明的目的是针对电火花加工及烧蚀加工中单通道放电所导致的加工效率和加工表面质量的矛盾，发明了多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法。具体来说利用电火花多通道放电的诱导作用，在加工区域实现同一时刻多个放电点，以此来分散放电能量并扩大烧蚀加工过程中金属燃烧的范围，充分利用材料多点活化产生的烧蚀作用，有利于加工效率提高。磨粒11的机械磨削作用对烧蚀表面起到在线修整作用，去除表面氧化层和已烧蚀软化的金属材料，保证烧蚀反应的持续进行，提高了加工效率和加工表面质量。通入雾化介质C分散氧气B使得氧气B与金属材料均匀可控烧蚀，而且雾化介质C膨胀利于排屑。因此，这种加工方法是一种加工效率高、表面质量好、成本低的加工方法。

本发明采的技术方案是：

第一步：分立电极6的制作。将单个中空铜管电极10绝缘后，采用多根铜管集束固定，分别给每根铜管进电，进电端接入电阻2后与脉冲电源连接，组合成能进行多通道放电的电极。其次在集束的电极上固结磨粒11，采用的方法是将绝缘树脂胶9混合磨粒11灌入电极，流入不同铜管之间的缝隙中，固化成形后形成具有磨削作用的多通道放电分立电极6。该分立电极可以实现多通道放电和磨粒磨削作用。

第二步：将带有磨粒11的分立电极6作为加工电极与脉冲电源相连，工件3与分立电极6之间保持一定的相对速度，采用工件3旋转，分立电极6固定不动的立车削工艺。

第三步：水A和氧气B的雾化介质C由中空铜管内部通入加工区域，在脉冲电源的作用下，分立电极与工件之间产生火花放电，其中部分工件材料被电火花蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近区域材料由于温度较高，形成活化区。分立电极的多通道放电使工件表面多点达到燃点温度以上而处于活化状态，同一时刻工件表面形成多个活化区。

第四步：持续通入的雾化介质中的氧气与活化区处于活化状态的金属材料发生剧烈燃烧反应，生成烧蚀产物并释放出大量的热量，并且使成倍于已燃烧金属材料体积的基体材料加热至熔融状态，雾化介质中的液态成分受热膨胀，体积迅速增大，由于雾化介质阻力相对液态介质小得多，膨胀的气体携带蚀除产物及熔融状态的基体材料喷射离开放电间隙。

第五步：固结在分立电极上露出的磨粒11，刮除附着在工件表面的氧化层a以及受热的软化层b，露出新的加工表面基体，提高烧蚀加工的可持续性和放电利用率。磨粒11本身不导电，不参与烧蚀反应，其作用是起到磨削修整作用，提高烧蚀加工效率及加工表面质量。整个加工处于第三步到第五步的往复循环状态，直至加工结束。

所述的产生多通道放电的原理是采用多个中空铜管电极10，将其相互绝缘开来并集束到一起，分别接入电阻2，电阻大小在5～8Ω，同一个脉冲电源给电极同时进电，利用电阻 2的分压作用，使得每个电极与工件3之间达到放电所需要的高压，当达到放电间隙时实现多通道放电。

所述的分立电极6包括由多根相互绝缘的石墨中空电极集束而成。

所述的复合加工过程中，工件与分立电极之间保持一定的相对速度，其形式采用的是工件旋转，分立电极保持不动，加工形式采用立车工艺，其相对运动速度保持在0.1m/s～ 10m/s。

所述的工艺包括分立电极固定不动，工件平移的立铣削工艺。

所述的复合加工采用的雾化介质中的液体为水，助燃气体为能与金属发生燃烧反应的氧气、氯气、氮气、乙炔和氟气中的一种或其组合。雾化介质从中空铜管电极10内孔通向加工区域，单个中空铜管电极10为单一通孔或者群孔，铜管电极直径及内孔根据需要选用。

所述的雾化介质的发生装置时刻保持进入加工区域的介质为雾化介质，且具有调节功能以控制进入加工区域内气泡或液滴的大小，气体的工作压力为0.01～9MPa。

所述的磨粒固结方法为将混有磨粒11的绝缘树脂胶9液体灌入电极，流入铜管电极之间的缝隙中，待其固化成形获得所需的分立电极6。

所述的磨粒固结方法包括电镀、烧结。

所述的固结到分立电极上的磨粒11为碳化硅、氧化铝、金刚石、立方氮化硼中的一种。

所述的复合加工用于加工具有导电性且能与助燃气体发生氧化反应的金属工件。

本发明的有益效果：

本发明适用于放电烧蚀加工高效蚀除的特点，利用电火花多通道放电的诱导作用，扩大烧蚀过程中金属燃烧的范围，实现高效蚀除，进一步提高烧蚀加工效率。

本发明利用磨粒11的机械磨削作用在线修整烧蚀表面，去除烧蚀氧化层a和软化层b 露出新的金属基体，促进烧蚀反应的持续进行。有利于提高加工效率和加工表面质量，并实现稳定的加工过程。

本发明方法简便易行，使用范围广，可适用于各种形式放电诱导烧蚀复合加工。

本发明采用高速流动的雾化介质C通向加工区域，分散氧气B使得氧气B与金属材料均匀可控烧蚀，也利于排屑。由于采用了水A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，这是一种加工效率高、表面质量好、成本低、安全无污染的加工方法。

附图说明

图1是本发明实施例的加工原理示意图。

图2(a)为本发明多通道放电诱导烧蚀加工微观过程中的多通道引燃阶段示意图；图 2(b)为高效蚀除阶段示意图；图2(c)为爆炸排出产物阶段示意图。

图3是磨粒在线磨除修整机理示意图。

图4(a)为实施例中所采用的分立电极的三维模型；图4(b)为分立电极的截面端面；图4(c)为单个铜管电极固定套筒12。

图5是加工工件在电子显微镜下观察的表面磨削痕迹。

图6是加工工件表面磨削SEM形貌图。

表1是本发明实施例的试验加工参数

表1 加工实验参数

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法具体来说利用电火花多通道放电的诱导作用，在加工区域实现同一时刻多个放电点，以此来分散放电能量，并扩大加工过程中金属燃烧的范围，充分利用材料多点活化产生的烧蚀作用，有利于提高加工效率。磨粒11的机械磨削作用对烧蚀表面起到在线修整作用，去除表面氧化层a和已烧蚀软化的软化层b，促进烧蚀反应的持续进行，提高了加工效率和加工表面质量。通入雾化介质C分散氧气B使得氧气B与金属材料均匀可控烧蚀，而且气流冲刷力利于排屑。整个加工工程中是多通道烧蚀和机械磨削交替着进行，直到加工结束。

本发明用于多通道放电诱导烧蚀磨削复合加工的分立电极6结构如图4所示，多根相互绝缘的中空铜管电极10集束在一起，灌入的用绝缘树脂胶9混合好的磨粒11液体流入单个中空铜管之间的缝隙之中，待其固化后获得圆柱形状分立电极6。实验加工系统如图1所示，实施例中以Cr12模具钢为工件3，实行工件3旋转，分立电极6固定不动的加工方式，通入的雾化介质C为氧气B和水A的混合物，压力控制在0.2MPa，工件3转速200r/min。试验加工参数如表1所示。

本发明多通道放电诱导雾化烧蚀磨削复合加工方法，其包括如下步骤：

第一步：构建实验加工系统。实验加工系统如图1所示，电极夹具7夹持分立电极6与雾化喷头1连接，分立电极6固定不动，直流电机5带动工件夹具4使得工件3旋转。分立电极6进电端每根单个中空铜管电极10接入电阻2，整体接脉冲电源负极，工件3接脉冲电源正极，电阻2的大小控制在5～8Ω。图中仅画出三路示意，分立电极6中共有7路。氧气B和水A组成的雾化介质C通过密封水管8进入加工区域，电火花诱导活化金属基体，分散的氧气B与金属材料发生燃烧氧化反应。

第二步：多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工。该加工方法从微观看有四个过程：

1、如图2(a)所示，分立电极通入雾化介质C，在脉冲电源的作用下，诱导烧蚀分立电极与工件3之间产生多点火花放电，其中工件3上少量的材料被电火花蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近区域金属材料由于温度较高，形成高温活化区域，工件3表面材料多点达到燃点温度而处于活化状态，达到多通道放电引燃的目的。

2、如图2(b)所示，持续通入的雾化介质C中的氧气B与活化区处于活化状态的金属材料发生剧烈燃烧反应，生成烧蚀产物并释放出大量的热量，进一步加热及熔化工件3材料并不断传递给基体，活化区域扩大，使成倍于已燃烧金属材料体积的基体材料加热至熔融状态，在加工区域形成多通道均匀烧蚀的高效蚀除。

3、如图2(c)所示，蚀除的灼热产物与放电间隙之间的氧气B充分燃烧释放出大量的热，雾化介质C中的液态物质受热膨胀，体积迅速增大，由于雾化介质C阻力相对液态介质小得多，膨胀的气体携带蚀除产物喷射离开放电间隙。

4、如图3所示，固结在分立电极6上出露的磨粒11，刮除附着在工件3表面的氧化层a，露出新的加工表面基体，提高烧蚀加工的可持续性和放电利用率；并且接触到表面软化层 b，磨粒11的在线磨削修整作用将已加工表面的软化基体部分刮除。磨粒11本身不导电，不参与烧蚀反应，其作用是起到磨削修整作用，提高烧蚀加工效率及加工表面质量。重复上述过程直至加工完成。固结在分立电极6上的磨粒11的磨削作用如图5和图6所示。

本发明针对电火花加工及烧蚀加工中单通道放电所导致的加工效率和加工表面质量的矛盾，利用电火花多通道放电的诱导作用，在加工区域实现同一时刻多点放电，以此来分散放电能量，并扩大加工过程中金属燃烧的范围，提高加工效率。磨粒11的机械磨削作用对烧蚀表面起到在线修整作用，去除表面氧化层和已烧蚀软化的金属材料，促进烧蚀反应的持续进行，提高了加工效率和加工表面质量。

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。并且本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征在于：使用自制的分立电极(6)进行放电雾化烧蚀磨削复合加工，打破电火花加工在同一时刻只有一个放电通道的限制，在加工区域实现同时多点放电，以此分散放电能量并诱导雾化介质中的氧气(B)与多个放电点的工件(3)材料形成烧蚀反应，扩大加工区域金属燃烧范围，实现高效蚀除；其次利用分立电极(6)中磨粒(11)的磨削作用，对烧蚀加工表面的氧化层(a)和软化层(b)进行有效地在线磨除，露出新的加工基体；多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法整个过程分为多通道放电诱导引燃、金属均匀烧蚀高效蚀除、间隙氧气充分燃烧爆炸排出产物、磨粒的磨削修整；具体包括以下步骤：

第一步：分立电极(6)的制作，将单个中空铜管电极(10)绝缘后，采用多根铜管集束固定，分别给每根铜管进电，进电端接入电阻(2)后与脉冲电源连接，组合成能进行多通道放电的电极，其次在集束的电极上固结磨粒(11)，采用的方法是将绝缘树脂胶(9)混合磨粒(11)灌入电极，流入不同铜管之间的缝隙中，固化成形后形成具有磨削作用的多通道放电分立电极(6)，该分立电极能够实现多通道放电和磨粒磨削作用；

第二步：将带有磨粒(11)的分立电极(6)作为加工电极与脉冲电源相连，工件(3)与分立电极(6)之间保持一定的相对速度，采用工件(3)旋转，分立电极(6)固定不动的立车削工艺；

第三步：水(A)和氧气(B)混合的雾化介质(C)由分立电极内部通入加工区域，在脉冲电源的作用下，分立电极与工件之间产生火花放电，其中部分工件材料被电火花蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近区域材料由于温度较高，形成活化区，分立电极的多通道放电使工件表面多点达到燃点温度以上而处于活化状态，同一时刻工件表面形成多个活化区；

第四步：持续通入的雾化介质中的氧气与活化区处于活化状态的金属材料发生剧烈燃烧反应，生成烧蚀产物并释放出大量的热量，并且使成倍于已燃烧金属材料体积的基体材料加热至熔融状态，雾化介质中的液态成分受热膨胀，体积迅速增大，由于雾化介质阻力相对液态介质小得多，膨胀的气体携带蚀除产物及熔融状态的基体材料喷射离开放电间隙；

第五步：固结在分立电极上露出的磨粒(11)，刮除附着在工件表面的氧化层(a)以及受热的软化层(b)，露出新的加工表面基体，提高烧蚀加工的可持续性和放电利用率，磨粒(11)本身不导电，不参与烧蚀反应，其作用是起到磨削修整作用，提高烧蚀加工效率及加工表面质量，整个加工处于第三步到第五步的往复循环状态，直至加工结束。

2.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征是产生多通道放电的原理是采用多个中空铜管电极(10)，将其相互绝缘开来并集束到一起，分别接入电阻(2)，使用的电阻大小在5～8Ω，同一个脉冲电源给电极同时进电，利用电阻的分压作用，使得每个电极与工件之间达到放电所需要的高压，当达到放电间隙时实现多通道放电。

3.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其所述的分立电极(6)包括由多根相互绝缘的石墨中空电极集束而成。

4.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征是加工过程中，工件与分立电极之间一定的相对速度保持在0.1m/s～10m/s。

5.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征是雾化介质从中空铜管电极内孔通向加工区域，单个中空铜管电极为单一通孔或者群孔，铜管电极直径及内孔根据需要选用。

6.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征是雾化介质的发生装置时刻保持进入加工区域的介质为雾化介质，且具有调节功能以控制进入加工区域内气泡或液滴的大小，氧气的工作压力为0.01～9MPa。

7.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其磨粒的固结方法包括电镀、烧结，固结到分立电极上的磨粒为碳化硅、氧化铝、金刚石、立方氮化硼中的一种。

8.根据权利要求1所述的多通道放电雾化烧蚀磨削复合加工方法，其特征是用于加工具有导电性且能与氧气发生氧化反应的金属工件。

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