CN110153515B - 微磨料内喷的电火花-电解复合加工装置及加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微磨料内喷的电火花‑电解复合加工装置及其加工，属于微小孔复合加工领域，本发明是结合磨料磨削、电火花熔蚀与电解腐蚀的微磨料内喷的电火花‑电解复合加工方法，其工作液以一定压力从管电极中喷出，磨料不断冲击工件，通过磨削作用去除表面绝缘涂层材料。待金属基体裸露后，管电极不断进给：当端面与工件间的间隙小于电火花放电间隙时，两者在高压脉冲的作用下发生电火花放电，进行高速穿孔；当电极侧壁与孔壁间的间隙大于电火花放电间隙时，两者将在低压脉冲的作用下发生电解蚀除，去除孔壁重铸层。加工过程中持续供给磨料以提高加工效率，实现小孔一次性快速成形加工，操作简单，加工效率高。
Description
技术领域
本发明涉及一种管电极微小孔加工的方法，属于微小孔复合加工领域，具体是一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工装置及加工方法。
背景技术
涡轮作为航空发动机中热负荷和机械负荷最大的部分，承受高温高压燃气的冲击。为延长发动机的使用寿命，提高发动机的性能，涡轮型面上存在大量孔径为0.3~3mm的气膜孔用于冷却散热。而涡轮叶片通常采用高温合金等难加工材料，小孔加工后不允许有重铸层、微裂纹及尖边，因此制造难度极大。
此外，随着航空发动机推重比不断提高，燃气涡轮进口温度也不断提高，单独高温合金材料的承温能力已经不能满足使用需求。目前广泛使用的方法是在涡轮叶片燃气流道表面喷涂0.1~0.2mm陶瓷热障涂层，对提高叶片承温能力有非常直接的效果，并对短时间的超温有很好的缓解作用。
航空发动机制造企业最常使用的方法是管电极电火花制孔：使用中空的管电极作为工具电极，工作液由输液泵驱动从管电极内部喷出。该方法加工成本低，精度好，效率高，但电火花放电时温度较高，孔壁上往往存在重铸层，需要后续加工处理。此外，热障涂层不导电，无法进行单纯的电加工。
目前针对此类问题，采用的方法包括：根据热障涂层对气膜孔的影响值，通过在加工中预先增加孔径的方法，消除热障涂层对气膜孔尺寸的影响，但这对气膜孔孔径的一致性和喷涂的一致性都有很高的要求；另外一种工艺为：在叶片上先涂覆热障涂层，然后采用激光在相应打孔位置上进行加工，但这种加工方式加工成本较高，且激光加工基于工件材料的熔融和气化，加工过程中不可避免产生再铸层，通常还需要后期通过电解加工的方式去除。
综合分析上述加工方法的优缺点，提出了微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法，使用混有微磨料的低浓度盐溶液作为工作液，利用水射流和磨料动能的冲击作用去除不导电的涂层材料，利用电火花放电作用进行快速穿孔，再利用管电极外壁与孔壁之间微弱的电解反应去除孔壁上的重铸层，一次装夹完成所有的加工需求，提高了加工的效率和精度。
2011年9月30日，申请号为201110295353.5的中国专利公布了一种混浆浓度可调的磨料水射流清洗和除锈设备，实现了磨料的持续供给和浓度调节。该专利属于水射流加工，不存在电化学作用，对所使用的水基本无要求，水射流压力较低，流量较大。
2014年9月30日，申请号为201410427280.4的中国专利公布了一种悬浮磨料水射流切割装置，实现了复杂高难度切割。该专利属于水射流加工，仅存在水射流和磨料的物理切割作用，切割压力需要达到10-200Mpa，流量10-20L/min方可进行加工。
2015年4月30日，申请号为201510213275.8的中国专利公布了一种微小孔电火花-电解可控复合加工方法及振动系统，使用超低浓度盐溶液作为工作液，通过振动模式的优化实现电火花和电解加工的可控复合，提高加工效率并获得较好的孔质量，该方法属于纯电加工，无法加工表面覆有绝缘层的工件。
2015年5月26日，申请号为201510276386.3的中国专利公布了一种带热障涂层金属零件的磨料水射流-电火花复合制孔方法及装置，在同一台加工设施上分别进行磨料水射流加工以及电火花小孔加工。该方法使用去离子水或超纯水作为工作液，属于磨料流加工和电火花加工的组合加工，磨料仅在加工第一阶段起到了磨削工件表面绝缘层的作用；加工过程中仅存在电火花加工，孔壁重铸层得不到有效去除；直接通过输液泵输送含磨料的液体，对泵的损害也非常大。
2015年11月6日，申请号为201510747707.3的中国专利公布了一种降低管电极电解加工电极振幅的办法，通过在电解加工的电解液中添加氧化铝磨料和分散剂形成氧化铝磨料的电解液悬浮液，增大了电解液在管电极中流动时的阻尼，降低了管电极电解加工时的振幅。该方法属于电解加工，所用磨料目数极小，仅起降低管电极振幅的作用，其冲击力不足以去除绝缘涂层。
2017年6月6日，申请号为201710417436.4的中国专利公布了一种磨料浓度可控的精密微细磨料水射流系统，提高了磨料水射流的加工效率，该方法属于水射流加工的系统设计，实现了前混式磨料水射流加工中对磨料浓度的控制，不存在电加工的作用。
2017年8月24日，申请号为201710733206.9的中国专利公布了一种振动辅助磨料流动光整加工方法，将振动电解抛光和磨料流光整加工方法进行有效复合，通过电解的钝化作用和磨料流动的微磨作用，实现工件表面的抛光效果。该方法使用成型模具进行电解光整加工，其加工目的、以及加工机理都与本设计存在很大差异。
2017年11月13日，申请号为201711115032.6的中国专利公布了一种磨料浮动式电化学机械抛光加工方法及其装置。通过控制电解液压力的方式，既控制了电解蚀除效率，又控制了机械磨削力，实现了磨削力自适应电解蚀除效率的目的，但该方法用于电解抛光，加工过程中不存在电火花放电，磨料仅用于去除电解反应中的钝化层。
2017年11月17日，申请号为201711142416.7的中国专利公布了一种金属构件表面热障涂层，通过在管电极表面增加磨料，借助管电极高速旋转时磨料产生的磨削力去除电解加工未去除的阳极和金属和生成的钝化层，促使电解加工高速进行。但该方法属于电解线切割，工具电极不会发生损耗，因此磨料被固定在管电极外壁上。
2017年11月17日，申请号为201711142416.7的中国专利公布了一种管电极磨粒辅助多槽电解切割加工装置与方法，通过在管电极表面增加磨料，借助管电极高速旋转时磨料产生的磨削力去除电解加工未去除的阳极和金属和生成的钝化层，促使电解加工高速进行。但该方法属于电解线切割，工具电极不会发生损耗，因此磨料被固定在管电极外壁上。
2018年9月26日，申请号为201811118709.6的中国专利公布了一种金属构件表面热障涂层的去除方法及装置，通过磨料水射流冲蚀的方法去除金属构件表面的热障涂层。该方法本质上属于单纯的磨粒水射流加工；虽然使用氯化钠溶液作为中性盐溶液，但仅利用盐溶液的导电性进行加工状态监测，依据通电与否判断热障涂层是否被去除，整个加工过程中不存在电火花或者电解加工作用，该方法仅能实现热障涂层的去除，不能加工出完整孔型。
此外，题为《难加工材料电化学磨料射流复合加工机理及实验研究》、《磨料电化学射流加工过程数值模拟及实验研究》和《磨料电化学射流加工的材料去除模型研究》中提到的磨料电化学射流加工方法，由电化学射流和磨料射流耦合而成。工具电极与工件之间不存在电火花放电效果，只存在电解反应和磨料切削反应之间的相互作用，加工对象多为微细结构，加工效率较低。
发明内容
本发明通过在电火花-电化学复合加工方法的电解液中添加合适的磨料形成悬浮液，在液压泵驱动下以高压状态从管电极中喷射出，不断冲蚀工件表面，在加工初期对绝缘涂层起到机械磨削和去除的效果。加工过程中通过调节节流阀改变工作液中磨料浓度，控制机械磨削和电加工对材料的去除比例，实现从初期偏机械加工到中后期偏电加工的转换过程，解决了现有技术中带绝缘涂层的零件上的微小孔无法进行纯电加工的问题。
本发明是这样实现的：
一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工装置，所述的装置包括增压系统、供料系统、工具电极系统、控制系统、辅助系统；所述的增压系统、供料系统、工具电极系统依次连接构成加工系统；所述的增压系统依次包括存放电解液的电解液槽、过滤器、液压泵、蓄能器、压力表、高压减压阀；所述的高压减压阀后通过节流阀后分别连接磨料罐、管电极，所述的磨料罐构成供料系统，所述的管电极构成工具电极系统；所述的管电极下端正对工件；所述的管电极与辅助系统连接。本发明的电解液在磨料中的浓度由高压减压阀和节流阀共同控制，混合液中磨料浓度大小由进入磨料罐中的电解液的压力和流量所决定，可根据加工的情况在加工过程中随时调整。工作液的压力范围为1Mpa-50Mpa。利用本发明装置的加工方法是结合磨料磨削、电火花熔蚀与电解腐蚀的微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法，加工过程中工作液（电解液）以一定压力从管电极中喷出，磨料不断冲击工件，通过磨削作用去除表面绝缘涂层材料。待金属基体裸露后，管电极不断进给：当端面与工件间的间隙小于电火花放电间隙时，两者在高压脉冲的作用下发生电火花放电，进行高速穿孔；当电极侧壁与孔壁间的间隙大于电火花放电间隙时，两者将在低压脉冲的作用下发生电解蚀除，去除孔壁重铸层。
进一步，在所述的磨料罐下游、管电极之间依次设置有压力表、截止阀；所述的电解液槽上端还还设置有溢流阀，所述的溢流阀另一端连接于蓄能器、压力表之间。
进一步，所述的辅助系统依次包括气源、气压泵；气压泵从气源中抽取气体，依次通过第一单向阀、第二单向阀、第三单向阀输送至管电极外壁。
进一步，所述的工件通过夹具装夹在工作台上，所述的工作台下端设置底座；所述的底座下端设置废液槽。工件被夹具装夹在工作台上，由被安装在机床运动头上的管电极进行孔的定位，在整个安装过程中管电极和工件只进行竖直方向的进给运动，即孔在一个工步内加工成型。
进一步，所述的控制系统包括电源、控制中心，所述的控制中心连接于管电极，所述的电源连接于底座；所述的电源为直流脉冲电压，由高低压复合电源提供。
进一步，所述的管电极为中空管电极、普通管电极、螺纹管电极、开槽管电极中的一种或几种组合。
本发明还公开了一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法，其特征在于，所述的方法步骤如下：
步骤一、打开液压泵，电解液槽中工作液，即低浓度盐溶液被加压后，从液压泵里冲出的高压电解液一部分流向磨料罐的顶部，促使磨料从磨料罐底部流出，与另一部分直接从磨料罐底部流过的电解液混合，形成带磨粒的电解液；
步骤二、带微磨料的电解液通过管电极，从下端出口冲出，冲击工件表面，磨料与工件表面产生摩擦磨损，造成冲蚀作用，去除工件表面的非导电涂层；
步骤三、工件表面非导电涂层去除后，电极丝继续进给，当管电极端面与工件之间距离小于电火花加工的放电间隙时，超低浓度中性盐溶液在高压脉冲的作用下，在管电极的端面上发生电火花放电，工件材料由电火花熔融蚀除，实现轴向进给高速穿孔加工；这一过程中，磨粒的冲蚀作用能够去除管电极电火花加工过程中孔心处生成的中心柱，从而稳定和优化加工过程中的电场和流场。
步骤四、管电极进入金属孔坯后，电极丝侧壁加工间隙逐渐超出电火花放电间隙的临界值，电火花加工停止，管电极侧壁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，使重铸层被电化学溶蚀，实现孔壁的无重铸层加工；这一过程中，电解液中的磨粒不断研磨孔壁，辅助进行重铸层的物理去除；同时磨粒的研磨作用能够去除电解加工中生成的钝化膜，提高了电解加工的加工效率。
步骤五、工件加工穿透后，管电极略微回退，此时电解液不断从小孔出口处流失，无法进行持续的电化学反应，利用电解液中的磨料对工件出口处进行不断冲蚀，以实现出口处的扩孔加工。
进一步，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，浓度为0.05%-0.5%；所加磨料为石榴石或者刚玉，所述的石榴石粒度为50-120μm，所述的刚玉粒度为5-15μm；所述的磨料浓度为90-120g/L。在整个加工过程中持续供给磨料，但磨料在不同加工阶段作用不同：1）初期磨料起物理磨削作用，去除工件表面的非导电涂层；2）端面电火花加工阶段，磨料冲击工件，能够去除管电极加工过程中生成的中心柱，稳定和优化了加工过程中的电场和流场；3）电解加工阶段磨料流经电解加工区域，与工件被加工表面进行接触，起到研磨作用，去除了表面钝化层，提高了加工速率；同时，研磨作用也消除了工件被加工表面的流痕，提高了工件的加工精度；4）工件被击穿后，利用磨粒的冲蚀作用，对小孔出口处进行扩孔。
本发明与现有技术相比的有益效果在于：
1）本发明的微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法，将磨料对工件的物理磨削方法与管电极对工件的电加工方法相结合，实现了对带绝缘涂层工件的加工，扩大了管电极小孔加工的应用范围；
2）本发明能够在一台机床上，一次工件装夹中即可完成对绝缘层的磨削，金属机体的电火花穿孔和孔壁重铸层的电解去除；工艺集成化程度高，减少了机床数量、操作人员数和占地面积；不需要重复定位，保证了各孔的相互位置精度，减少了夹具数量和装夹工件的辅助时间，提高了孔的加工效率，具有较强的工业实用性；
3）磨料罐中磨料是通过电解液分流带出的，使得在加工过程中可以通过简单调节节流阀改变流入磨料罐中电解液流量来控制磨料的浓度，从而控制机械加工和电加工的比例，调整加工参数使之能够适合不同材料和厚度的涂层的加工需求；
4）电化学加工的效率较高，但在微米级时表面质量较差，尤其在加工一些易钝化的难加工材料时，电解加工效率非常低；磨料射流加工表面质量较好，但是在低压时加工效率不高；在磨料流内喷的电火花-电解复合加工过程中，磨料随电解液自下往上由侧壁流出，流经电解加工区域时，磨料与工件被加工表面进行接触，起到研磨作用，去除了表面钝化层，提高了加工速率；同时，研磨作用也消除了工件被加工表面的流痕，提高了工件被加工表面的粗糙度和加工精度。
附图说明
图1为本发明一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工装置的示意图；
图2为一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法在加工过程中的四种加工状态示意图；
其中，1-电解液槽，2-过滤器，3-液压泵，4-溢流阀，5-蓄能器，6-压力表，7-高压减压阀，8-气源，9-气压泵，10-节流阀，11-磨料罐，12-压力表，13-截止阀，14-第一单向阀，15-第二单向阀，16-管电极，17-第三单向阀，18-废液槽，19-工作台，20-工件，21-底座，22-电源，23-控制中心。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚，明确，以下列举实例对本发明进一步详细说明。应当指出此处所描述的具体实施仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1所示，为本发明微磨料内喷的电火花-电解复合加工装置示意图，整体装置包括增压系统，供料系统，工具电极系统、控制系统和和辅助系统。增压系统、供料系统、工具电极系统依次连接构成加工系统。增压系统依次包括存放电解液的电解液槽1、过滤器2、液压泵3、蓄能器5、压力表6、高压减压阀7；所述的高压减压阀7后通过节流阀10后分别连接磨料罐11、管电极16，所述的磨料罐11构成供料系统，供料系统中的磨料为石榴石或者刚玉；管电极16构成工具电极系统，管电极16下端正对工件20；所述的管电极16与辅助系统连接。
增压系统，供料系统和工具电极系统协作完成整体加工过程。控制系统包括电源22、控制中心23。存放在电解液槽1中的电解液，经过滤器2过滤，由液压泵3增压，经节流阀10控制，一部分流向磨料罐11顶部，促使浆体从磨料罐底部流出，与另一部分高压电解液混合，从管电极16中流出，冲击工作台19上的工件20，完成加工流程，工作废液则被收集到专门的废液槽18中进行后续处理。此外，辅助系统中，气泵9从气源8中抽取气体，通过第一单向阀14、第二单向阀15、第三单向阀17的输送，将一定压强的气体均匀地在管电极外壁形成一圈喷射在工件上，排开对从孔中喷出的电解废液和加工中多余的工作液，从而对孔口的杂散腐蚀起到一定的抑制作用。
磨料罐11中所添磨料为石榴石，粒度为50-120μm，磨料浓度为90-120g/L；或磨料使用刚玉，粒度为5-15μm，磨料浓度同样为90-120g/L；磨料类型包括微刃型磨料和无微刃型磨料。所述管电极16为普通管电极、螺纹管电极、开槽管电极或其中任意几种电极组成的组合电极单元。电源22为直流脉冲电压，由高低压复合电源提供。电解液槽1中工作液（电解液），即超低浓度中性盐溶液为NaCl，NaNO3，NaClO3中的一种或几种组合，浓度为0.05%-0.3%，工作液的压力范围为1Mpa-50Mpa。
图2为加工方法在加工过程中的三种加工状态示意图，由管电极16与工件20相对位置所决定的三种加工状态。分别对应不同的加工原理和加工目的：
其中，（a）为管电极16刚接触工件，对表面热障涂层进行加工。由于涂层不导电，所以此时是工作液中的磨料对工件进行物理去除，电解液中混入磨料浆体形成高速混合射流，相当于一个液体砂轮，具有很高的冲蚀能力。磨料颗粒冲击工件表面时，工件表面处于压缩状态，内部处于拉伸状态，使得工件表面产生微裂纹，材料去除形式为微裂纹去除。随着表面微裂纹的产生，磨料水充满微裂纹，磨料颗粒对微裂纹产生微切削作用。同时由于水楔作用，裂纹不断扩展，从而达到不断去除材料的作用。
（b）为热障涂层被磨穿，管电极与端面发生电火花加工过程时的示意图；此时管电极端面与工件间距离小于电火花加工的放电间隙，电火花现象发生在管电极的前端整个极间间隙中，此时工件材料主要由电火花熔融蚀除，磨料磨削作用和电化学溶解作用则相对较弱。依靠管电极端面的电火花效应，微小孔被迅速穿透，获得较高的加工效率。
（c）为管电极部分进入金属材料层中，此时，管电极端面上仍进行着电火花放电加工的过程。但管电极与工件的侧面间隙中，由于材料不断被去除，加工间隙不断增加至超过电火花放电间隙的临界值，因此加工方式逐渐由电火花和电解加工同时存在过渡到纯电解加工。通过电化学溶解作用，电火花加工生成的重铸层被有效地去除。同时，磨料与孔壁表面进行接触，起到研磨作用，去除了表面钝化层，提高了电解加工的速度。另外，磨料的研磨作用也消除了孔壁的流痕，提高了孔壁的粗糙度和加工精度。
（d）为工件穿透，管电极略微回退的状态，此时电解液不断从小孔出口处流失，无法进行持续的电化学反应。利用电解液中的磨料对工件出口处进行冲蚀，以实现扩孔加工。
在整个加工过程中，气泵在管电极外圈进行供气，吹开多余的工作液和加工废液，一方面促进了加工废液的排出，提高了反应的进行速率，另一方面排开多余的工作液避免其在工件表面发生电解反应，一定程度上抑制了孔口的杂散腐蚀。
需要说明的是，由于加工材料的不同，热障涂层的材料和厚度都有所不同，此时可以通过调节节流阀9控制进入磨料罐的电解液流量，从而改变工作液中磨料的含量，获得不同的磨料浆体的比例，获得最佳的加工效率。此外，加工无热障涂层的工件时仅需进行电火花-电解复合加工即可，此时可关闭磨料罐上方节流阀，使得电解液仅从磨料罐下部流过，进行无磨料的电火花-电解复合加工。需要说明的是，本发明中电解加工后的废液被排入废液槽中，未进行后续处理。
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，还可以做出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。
Claims (2)
1.一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法，其特征在于，
加工装置包括增压系统、供料系统、工具电极系统、控制系统、辅助系统；所述的增压系统、供料系统、工具电极系统依次连接构成加工系统；所述的增压系统依次包括存放电解液的电解液槽（1）、过滤器（2）、液压泵（3）、蓄能器（5）、压力表（6）、高压减压阀（7）；所述的高压减压阀（7）后通过节流阀（10）后分别连接磨料罐（11）、管电极（16），所述的磨料罐（11）构成供料系统，所述的管电极（16）构成工具电极系统；所述的管电极（16）下端正对工件（20）；所述的管电极（16）与辅助系统连接；
所述的加工方法步骤如下：
步骤一、打开液压泵（3），电解液槽（1）中电解液，即超低浓度中性盐溶液被加压后，从液压泵（3）里冲出的电解液一部分流向磨料罐（11）的顶部，促使磨料从磨料罐底部流出，与另一部分直接从磨料罐底部流过的电解液混合，形成带磨粒的电解液；在整个加工过程中持续供给磨料；
步骤二、带微磨料的电解液通过管电极（16），从下端出口冲出，冲击工件（20）表面，磨料与工件表面产生摩擦磨损，造成冲蚀作用，去除工件表面的非导电涂层；
步骤三、工件（20）表面非导电涂层去除后，管电极继续进给，当管电极（16）端面与工件之间距离小于电火花加工的放电间隙时，超低浓度中性盐溶液在高压脉冲的作用下，在管电极的端面上发生电火花放电，工件材料由电火花熔融蚀除，实现轴向进给高速穿孔加工；
步骤四、管电极进入金属孔坯后，管电极侧壁加工间隙逐渐超出电火花放电间隙的临界值，电火花加工停止，管电极侧壁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，使重铸层被电化学溶蚀，实现孔壁的无重铸层加工；
步骤五、工件加工穿透后，管电极略微回退，此时电解液不断从小孔出口处流失，无法进行持续的电化学反应，利用电解液中的磨料对工件出口处进行不断冲蚀，以实现出口处的扩孔加工。
2.根据权利要求1所述的一种微磨料内喷的电火花-电解复合加工方法，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，浓度为0.05%-0.5%；所加磨料为石榴石或者刚玉，所述的石榴石粒度为50-120μm，所述的刚玉粒度为5-15μm；所述的磨料浓度为90-120g/L。
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