CN110605442B - 助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法 - Google Patents
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Abstract
一种助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法。其特征在于，加工前先通入本发明专用助燃气体浓度可调供气装置提供的混合气体介质；加工时，通过脉冲电源向两极提供击穿混合气体介质所需的极间电压，为极间工件材料熔化、气化提供所需能量；当金属材料形成高温熔融材料后，与混合气体介质中的助燃气体发生剧烈的氧化化学反应，产生巨量化学能为材料高效蚀除引入额外蚀除能量，从而实现在脉冲电源放电能量一定的情况下提高易燃难加工材料的材料去除率。本发明通过专用供气系统装置控制参与氧化反应的助燃气体浓度，避免加工过程中因剧烈燃烧而导致的燃爆现象，从而避免被加工工件的损坏，实现易燃难加工材料的可控、高效加工。
Description
技术领域
本发明涉及一种助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法，是一种基于常规电火花加工的高效加工方法，可以实现对钛及钛合金等难加工、易燃金属的可控、高效加工。
背景技术
随着航空航天、国防等领域的高速发展，越来越多的新型金属材料以及结构特征得到应用，钛合金、镁合金等高活性、难加工材料使用比例越来越高。钛合金由于高强度、低导热性等特点，切削加工时刀具磨损严重，加工效率低下；镁合金是一类化学性质活泼的金属材料，切削加工过程中易发生燃烧，且加工变形和氧化腐蚀现象严重。为克服传统机械加工方法在加工上述高活性难加工金属材料时的缺点，采用电火花加工方法对上述材料进行加工。电火花加工是利用金属和电极间的火花放电所释放的电能和热能来蚀除材料的，属于非接触加工，电火花加工不受制于材料的力学性能，因此可以摆脱传统切削加工对刀具的依赖，适合于难加工材料和复杂型腔的加工。电火花加工属于无切削力加工，在复杂型面、低刚度零件和模具加工等领域具有极其重要的作用。
电火花加工能量来源于脉冲电源，能量输出受制于电源以及对加工精度、质量的要求，使得电火花加工效率明显低于传统的切削加工，这严重影响了电火花加工技术的应用。针对传统电火花加工效率低，电源能量利用率低等制约其发展的瓶颈问题，中国专利申请号201010544351.0公开了一种钛或钛合金电火花诱导可控燃爆蚀除加工方法。该加工方法通过向电火花加工区域间隙性地通入能与钛合金形成燃爆效应的气体，在电火花放电诱导作用下钛及钛合金与通入的气体发生燃烧爆炸反应，从而达到高效蚀除钛及钛合金材料的目的。但当使用纯氧介质作为放电介质时，该加工方法的剧烈燃爆反应会使烧蚀加工的可控性减弱，破坏加工表面甚至烧毁工件，同时该加工方法无法实现在加工过程中持续通入高压气体介质，若持续通入高压用加工气体，则整个燃爆烧蚀加工过程更加不可控，使得被加工工件更加易损坏烧毁，无法实现被加工工件的完整性加工。
为解决烧蚀加工中存在的上述缺陷，本专利提出助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法。该方法在助燃性气体中混入杂质气体通过调节助燃气体与杂质气体的混合比例来控制易燃金属在烧蚀加工时的燃烧剧烈程度，实现对难加工、易燃金属的可控加工。用该方法进行加工时气体可以持续不间断地通向金属活化区，一方面可以使金属燃烧反应能够连续进行，另一方面气体连续通入可以使金属燃烧产物及时排除加工区域，提高加工表面的质量。对于钛、钛合金、镁合金等难加工、易燃金属材料，用该加工方法进行加工可以大大提高成形精度和加工效率。
发明内容
本发明主要解决电火花加工过程的低效率问题和钛合金等易燃难加工材料燃烧蚀除过程的稳定性问题，实现易燃难加工材料零部件的完整性高效烧蚀加工，并以此为目的发明了一种助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法。该加工方法主要依托于一套助燃气体浓度可调的供气装置系统，该供气装置系统可以为易燃难加工材料的高效稳定烧蚀加工提供可控的混合气体介质，为实现易燃难加工材料的烧蚀加工过程中持续提供气体介质做出保障，避免在放电烧蚀加工过程中出现不可控的燃烧爆炸现象而损坏被加工工件，从而提高整个烧蚀加工过程中的加工效率。
本发明采用下列技术方案：
一种助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法，其特征是：
(1)混合气体产生：采用专用气体浓度可调系统将助燃性气体与杂质气体按照一定的压强比或体积比进行充分混合得到混合气体，将其作为放电烧蚀加工介质。加工时，以助燃性气体与被加工材料发生氧化化学反应为主，以杂质气体为辅控制氧化反应剧烈程度，实现可控、高效的放电烧蚀加工。
(2)工具电极通气：工具电极采用中空式电极，混合气体介质通过中空电极到达放电间隙，进行放电烧蚀加工。工具电极距离工件的加工间隙小于等于0.7mm，始终保持与工件之间发生放电的距离。
(3)放电烧蚀加工：在脉冲电源的作用下，电极与工件间进行常规电火花放电，金属材料被加热至活化状态；活化金属遇到混合气体介质中的助燃性气体即发生剧烈的氧化反应而释放大量的化学能，使金属熔融、气化；在气体冲击力、放电爆炸力综合作用下，将熔融金属、烧蚀产物不断排出加工区域，重复上述加工过程，可以实现对工件的持续加工直到加工结束。
所述的混合气体中的助燃气体为氧气、臭氧、氯气、氟等中的任意一种或其几种的组合；混合气体中的杂质气体可以是空气、氩气、氮气、氦气、二氧化碳等中的任意一种或其儿种的组合。
所述的可控放电烧蚀加工，其放电参数中峰值电流范围为1A-100A，脉宽范围为1μs-800μs。
所述加工过程不需要采用机械运动或间歇进气的方式对燃烧区域进行强迫转移。混合气体介质通过进气系统可以持续通入加工区域，使用的电极既可以是不旋转的成形电极也可以是旋转电极，适用于包括车削、铣削、钻孔和成形加工等在内的多种加工形式。
所述混合气体的混合比例是各组分气体的压强比或体积比，通过调节混合气体中各组分气体的混合比例实现对易燃活性金属的可控蚀除加工。
所述的助燃气体浓度可调的混合气体介质生成装置由杂质气体源、助燃性气体源、机械装置、增压阀、溢流阀、气体压力传感器以及控制单元等元器件组成。
所述的放电烧蚀加工方法，其特征在于所述混合气体中的助燃性气体与杂质气体之间的压强比或体积比范围为0.1∶1-20∶1.
所述的放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的混合气体介质，其通入极间压强为0.1-5MPa。
所述的加工材料为能够与氧气等助燃性气体发生剧烈氧化反应的钛及钛合金、铝合金、镁合金、钛基复合材料等难加工易燃金属。
所述易燃难加工材料的放电烧蚀加工方法在向电火花加工极间内部通入混合介质气体的同时，为了强化烧蚀加工效果，可以将被加工工件完全浸没在工作液中以压迫极间气体介质，促进烧蚀产物的快速排出，所述工作液为水基工作液。
本发明具有如下有益效果：
(1)加工过程中通向金属活化区的助燃气体是浓度可调的混合气体，通过在助燃性气体中混入杂质气体，可以防止钛合金燃烧蚀除时出现不可控的燃爆现象。采用该方法进行加工时可以在保证易燃难加工材料高效加工的同时，实现零部件的可控性燃烧蚀除，提高零部件的成形精度。
(2)在放电烧蚀过程中，助燃气体持续向活化区不断地扩散是烧蚀持续进行以及基体材料快速燃烧的动力，当使用含有杂质气体的混合气体介质时，加工过程中杂质气体随助燃气体一起向反应面扩散，当二者到达反应面，助燃气体首先与放电区域的熔融材料发生氧化反应而被消耗掉，杂质气体因不参与氧化反应而残留在反应面附近，在氧气介质流与反应面之间形成一个阻碍层，阻碍后续的助燃气体介质继续参与氧化反应，从而实现整个放电烧蚀加工过程的稳定性，避免工件的燃爆现象而损坏工件。
(3)本加工方法中浓度可调的混合气体由单片机控制的混气系统自动生成，可以实现加工与混气同时进行，减少混气时间，提高加工效率；另外利用空气作为杂质气体进行混合时，可以降低用气成本，提高该加工方法的经济性。
(4)由于采用了低浓度的助燃气体介质，实现了易燃难加工材料的可控、稳定高效的加工，所以整个加工过程中不发生燃爆现象及火灾等危险隐患问题，是一种低成本、安全、绿色无污染的加工方法。
附图说明
图1为本发明实验时的加工参数。
图2为本发明中获得浓度可调混合气体的进气系统示意图。
图3为本发明的加工过程示意图，其中图3(a)是火花放电诱导金属表面熔化阶段；图3(b)是熔融区域氧化反应放热蚀除材料阶段。
图4为本发明中的杂质气体作用原理图。
图5为钛合金在纯氧中局部爆炸后工件图片。
图6放电烧蚀加工的材料去除率对比图。
图7放电烧蚀加工实物对比图。
图2中的各元件分别为：
1-助燃性气体储气瓶；2，6，10-电磁阀；3-单向阀；4-杂质气体储气瓶；5，9-增压阀；7，11-气体压力计；8-气体混合瓶；12-混合气体储气瓶；13-气体溢流阀；14-电极；15-易燃难加工材料工件。
请参照图3，上述助燃气体浓度可调的易燃难加工材料放电烧蚀加工方法从微观上可以分为两个阶段：
一、电火花高温引燃阶段(图3(a))：在图1电参数下，电极与工件间首先进行电火花放电，在电火花的高温引燃作用下，钛合金表面金属熔融或气化。
二、钛合金可控烧蚀阶段(图3(b))：引燃点处的钛合金与混气介质中的助燃性气体接触后立即发生剧烈的氧化反应，释放巨量化学能，使加工区域的金属瞬间熔融或气化，同时混气介质中的杂质气体可以实现钛合金在燃烧时不出现燃爆现象，从而实现钛合金的可控、高效蚀除。暴露出的下层金属继续重复上述过程，直至加工结束。
在上述加工方法中，气体浓度可调的进气系统由单片机进行控制，气体浓度控制范围广，且简单可调，增加了钛合金加工时的可控性。
钛合金在纯氧中燃烧时会发生不可控的燃爆反应，使工件的燃烧蚀除不可控，甚至将工件烧毁。在上述加工方法中通过在氧气中混入杂质气体后，杂质气体将会在钛合金燃烧蚀除时起到控制反应剧烈程度，使烧蚀加工可控进行，提高工件的表面质量和成形精度。
在上述在放电烧蚀过程中，杂质气体在整个放电烧蚀加工过程中所起到的作用，可以参照图4来理解。在烧蚀加工过程中，助燃气体持续向活化区不断地扩散是烧蚀持续进行以及基体材料快速燃烧的动力，当使用含有杂质气体的混合气体介质时，加工过程中杂质气体随助燃气体一起向反应面扩散，当二者达到反应面，助燃气体首先与放电区域的熔融材料发生氧化反应而被消耗掉，杂质气体因不参与氧化反应而残留在反应面附近，在氧气介质流与反应面之间形成一个阻碍层，阻碍后续的助燃气体介质继续参与氧化反应，从而实现整个放电烧蚀加工过程的稳定性，避免工件的燃爆现象而损坏工件。
具体实施方式
在上述加工方法中，助燃气体浓度可调的混合气体生成装置供气系统如图2所示，混气过程如下：
图2中的进气系统由两部分组成，第一部分为浓度可调的混合气体生成装置由1-8组成，第二部分为混合气体进气加工装置由9-16所组成。混气装置在生成混合气体时，首先通过电磁阀2从杂质气体储气瓶4中向气体混合瓶8通入1MPa的氩气，当压力计7的示数为1MPa时接口3处的1号压力传感器向单片机发送信号使单片机响应关闭接口1处的电磁阀2，氩气停止输入。同时，单片机控制打开接口2处的电磁阀6，使得助燃气体储气瓶1瓶内的氧气依次通过增压阀5、电磁阀6和防止气体倒流的单向阀3进入到气体混合瓶8内，并持续通入5MPa的氧气；当压力计7的示数为6MPa时接口3处的压力传感器再次向单片机发出信号使得单片机响应关闭接口2处的电磁阀6，此时气体混合瓶8内即为氧气与氩气压强比为5∶1的混合气体介质。再者，在单片机的控制下打开接口4处的电磁阀10，将气体混合瓶8中混合气体介质开通过增压阀9和电磁阀10进入到混合气体储气瓶12中，在气体混合瓶8持续向混合气体储气瓶12中灌输混合气体介质时，当二者之间的压力达到平衡时即两者都是3MPa时，气体混合瓶8内的混合气体介质不在向混合气体储气瓶12内灌输。因此，当接口5处的气体压力传感器检测到此时压力为3MPa时，会向单片机控制中心发送气压平衡信号，然后单片机向增压阀9发出工作命令，通过增压阀9将气体混合瓶8内的混合气体介质尽可能输入混合气体储气瓶12内，当接口5处的气体压力传感器检测到6MPa时，向单片机控制中心发送停止增压阀9工作的命令，直到此时整个助燃气体浓度可调的混合气体介质生成装置系统完成一次混气过程。
在混合气体进气加工装置部分，当接口4的电磁阀10打开后混合气体会通过增压阀9和电磁阀10进入混合气体储气瓶12中，当压力计11处的气体压力达到设定值时接口5处2号压力传感器向单片机发出信号，单片机控制关闭电磁阀10打开电磁阀14，混合气体储气瓶12中的气体经气体溢流阀13后将以0.3MPa的恒定压力通过中空电极15通向加工区域对钛合金进行持续的放电烧蚀成形加工。在进行混合气体介质放电烧蚀加工的同时，混合气体生成装置部分将重复上述工作环节开始第二次混气，实现混气与加工同时进行，不断重复上述过程直至加工结束。
当助燃气体储气瓶1内的气体压力低于6Mpa时，此时单片机会控制增压阀5进行工作，将助燃气体瓶1内的氧气源尽可能的输入气体混合瓶8内，以提高助燃气体储气瓶1内的氧气利用率。
实施案例一
下面以放电烧蚀成形加工为实例对本发明作进一步的说明。
本发明用于放电烧蚀成形加工具体实施方式中的助燃气体浓度可调的混合气体介质生成装置系统示意图如图2所示。
工件材料选用钛合金TC4进行电火花烧蚀成形加工，加工的具体参数如图1所示。
在本实例中助燃性气体为氧气，杂质气体为氩气。
本发明气体浓度可调的钛合金放电烧蚀加工方法，具体步骤如下：
首先是放电烧蚀加工用的混合气体产生，参照图2上述助燃气体浓度可调的混合气体生成装置系统将的混合气体生成过程，将氧气与氩气按照5∶1的体积比进行充分混合得到混合气体，将其作为放电烧蚀加工介质。加工时，以氧气与钛合金发生氧化化学反应为主，以氩气为辅控制氧化反应剧烈程度，实现可控、高效的放电烧蚀加工。
然后是将氧气与氩气经过混合气体装置系统混合好的混合气体介质通过中空成型工具电极(边长5×5mm)，通入极间放电间隙，进行放电烧蚀加工。工具电极距离工件的加工间隙小于等于0.7mm，始终保持在与工件之间发生放电的距离。
最后是整个加工方法的最为关键步骤即放电烧蚀加工，在脉冲电源的作用下，电极与工件间进行常规电火花放电，金属材料被加热至熔化状态；熔化金属遇到混合气体介质中的氧气后便会发生剧烈的氧化反应而释放大量的化学能，使金属材料进一步蚀除；在高压气体冲击力、放电爆炸力及氧化动力等综合作用下，将熔融金属、烧蚀产物不断排出加工区域，实现对工件的持续加工，直至加工结束。
在整个加工过程中，混合气体的生成控制过程采用图2混合气体生成系统控制步骤，持续提供混合气体介质直至整个零部件加工完成为止。
最终加工效果如图5和图6所示。
实施例案例二
本例中选用氮气为杂质气体，选用氧气为助燃气体，其中氮气的提供源为空气，在空气中氮气的占比为78％，所以在钛合金烧蚀加工过程中，空气可以提供丰富的氮气杂质气体源。在空气中氮气占绝大部分外，氧气的占比为21％，所以利用本发明的混合气体介质生成装置系统进行混合时，需要考虑空气介质中的氧气含量。在本案例中假设混合气体中氮气与氧气的压强之比为1∶5，空气中氮气与氧气的体积百分数分别为78％与21％，根据以上数据进行推导，从而得到相关的公式，下面为具体的推导过程。
假设x为混合气体中氮气的压强，y为混入的空气的压强，通入的纯氧的压强为P1，氮气的压强为P2，那么混合气体中氧气的压强为5x。
在恒温时，混合气体的总压等于个组分的气体分压之和：
P总＝∑Pi (1)
同理混合气体的总体积为：
V总＝∑Vi (2)
在相同温度下，组分气体单独占有混合气体的总体积时所呈现的压力称为组分气体的分压；组分气体具有和混合气体相同压力时所占的体积称为组分气体的分体积。根据以上定义和理想气体状态方程：
PV＝nRT (3)
有下列关系：
PiV总＝ni RT (4)
P总Vi＝ni RT (5)
混合气体的状态方程为
P总V总＝n总 RT (6)
由公式(4)、(5)除以(6)可得：
因此可得混合气体中各组分分压计算公式：
Pi＝Pyi (8)
Pi：混合气体组分分压；P：混合气体的压强；yi：组分的摩尔分数；
根据公式(7)，气体物质的量之比等于其体积之比。因此可以得到氧气的分压为0.21y，氮气的分压为0.78y。
根据以上分析可以列出下列方程：
氧气：P1＝5x-0.21y (9)
氮气：P2＝x-0.78y (10)
当混气介质中氮气为1MPa，氧气为5MPa时，利用空气进行混合时所需要的氧气也空气的比值根据下列公式计算可得：
1＝0.78y (11)
P1＝5-0.21y (12)
空气与氧气的比值为1.28∶4.73
根据以上氮气与氧气的使用量进行推导可知，在实际混气过程中通入空气压强为1.28MPa时，即实际通入1Mpa的氮气，那么实际需要通入的氧气为4.73MPa。为此，采用的加工参数如下表所示，
本发明气体浓度可调的钛合金放电烧蚀加工方法，具体步骤如下：
首先是放电烧蚀加工用的混合气体产生，参照图2上述助燃气体浓度可调的混合气体生成装置系统将的混合气体生成过程，将氧气与空气按照4.73∶1.28的体积比进行充分混合得到混合气体，将其作为放电烧蚀加工介质。加工时，以氧气与钛合金发生氧化化学反应为主，以氮气为辅控制氧化反应剧烈程度，实现可控、高效的放电烧蚀加工。
然后是将氧气与空气经过混合气体装置系统混合好的混合气体介质通过中空成型工具电极(边长5×5mm)，通入极间放电间隙，进行放电烧蚀加工。工具电极距离工件的加工间隙小于等于0.7mm，始终保持在与工件之间发生放电的距离。
最后是整个加工方法的最为关键步骤即放电烧蚀加工，在脉冲电源的作用下，电极与工件间进行常规电火花放电，金属材料被加热至熔化状态；熔化金属遇到混合气体介质中的氧气后便会发生剧烈的氧化反应而释放大量的化学能，使金属材料进一步蚀除；在高压气体冲击力、放电爆炸力及氧化动力等综合作用下，将熔融金属、烧蚀产物不断排出加工区域，实现对工件的持续加工，直至加工结束。
在整个加工过程中，混合气体的生成控制过程采用图2混合气体生成系统控制步骤，持续提供混合气体介质直至整个零部件加工完成为止。
最后以空气中的氮气为杂质气体进行加工所获得的材料去除率：15.6mm3/min，是相同放电加工参数下的常规冲水电火花加工效率的近3倍。
Claims (10)
1.一种助燃气体浓度可调的易燃难加工材料可控放电烧蚀加工方法，其特征是：
(1)混合气体产生：采用助燃气体浓度可调系统将助燃气体与杂质气体按照一定的压强比或体积比进行充分混合得到混合气体，将其作为放电烧蚀加工介质；加工时，以助燃气体与易燃难加工材料发生氧化化学反应为主，以杂质气体为辅控制氧化化学反应剧烈程度，实现易燃难加工材料可控的、高效的放电烧蚀加工；
(2)工具电极通气：工具电极采用中空式成形电极或管状电极，混合气体通过工具电极到达放电间隙，进行放电烧蚀加工；工具电极距离易燃难加工材料的加工间隙小于等于0.7mm，始终保持与易燃难加工材料之间发生放电的距离；
(3)放电烧蚀加工：在脉冲电源的作用下，电极与易燃难加工材料之间进行电火花放电烧蚀加工，易燃难加工材料被加热至熔融状态；熔融状态的易燃难加工材料遇到混合气体中的助燃气体发生剧烈的氧化化学反应而释放大量的化学能，使得大量易燃难加工材料熔化；在气体冲击力、放电爆炸力及燃烧动力的综合作用下，将熔融状态的易燃难加工材料、烧蚀产物不断排出加工区域，实现对易燃难加工材料的持续加工。
2.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述混合气体中的助燃气体与杂质气体之间的压强比或体积比范围为0.1∶1-20∶1。
3.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的混合气体，其通入极间的压强为0.1-5MPa。
4.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的放电烧蚀加工，其放电参数中峰值电流范围为1A-100A，脉宽范围为20μs-800μs。
5.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的混合气体中的助燃气体为氧气、臭氧、氯气、氟中的任意一种或几种的组合；混合气体中的杂质气体是空气、氩气、氮气、氦气、二氧化碳中的任意一种或几种的组合。
6.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的易燃难加工材料为能够与助燃气体发生剧烈氧化化学反应的难加工易燃金属。
7.根据权利要求6所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的难加工易燃金属为钛及钛合金、铝合金、镁合金、钛基复合材料。
8.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于所述的助燃气体浓度可调系统由助燃气体源、杂质气体源、机械装置、增压阀、溢流阀、气体压力传感器、以及控制单元组成。
9.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于：在向极间内部通入混合气体的同时，为了强化放电烧蚀加工效果，可以将易燃难加工材料完全浸没在工作液中以压迫极间混合气体，促进烧蚀产物的快速排出，所述工作液为水基工作液。
10.根据权利要求1所述的可控放电烧蚀加工方法，其特征在于：加工时不需要采用机械运动和间歇进气的方式对燃烧区域进行强迫转移，混合气体通过进气系统可以持续通入加工区域，使用的工具电极既可以是不旋转的成形工具电极也可以是旋转的工具电极，适用于车削、铣削、钻孔和成形加工多种加工形式。
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