CN110756926B - 铣削平面的电火花电解连续加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铣削平面的电火花电解连续加工方法，属于电火花电解加工领域。该工具阴极主要由铜钨合金电火花电极和不锈钢电解电极组合而成。将铜钨合金电火花电极与工件待加工表面初始加工间隙设置为较小的数值，在施加较大电压时，加工间隙内的空气被击穿，产生的电火花快速蚀除钛合金工件表面上的氧化层和大量的金属机体，节省了后续电解加工中去除氧化层所需的时间，随后电解电极通过电解作用进一步高效去除材料，将电火花加工过的凹凸不平的表面电解加工平整光滑。本发明通过电火花和电解连续加工，可高效去除钛合金材料，对提高钛合金加工效率有着重要意义。

Description

铣削平面的电火花电解连续加工方法

技术领域

本发明涉及一种铣削平面的电火花电解连续加工方法，属于电火花电解加工领域。

背景技术

随着科学技术的发展，现代航空、航天、船舶等工业领域中使用了大量高温合金、钛合金等金属材料。比如，GH4169合金分别占了CF6发动机、CY2000发动机和PW4000发动机总重量34%、56%和57%，钛合金占了第四代战斗机F-22所使用材料总量的41%。然而，受这些材料本身一些固有特性的影响，如导热能力差、强度高、硬度大等，在机械加工过程中加工区的温度较高、切削力较大，容易引起刀具的磨损，这给制造技术带来了诸多挑战。

电火花加工原理是基于工具和工件之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除金属工件材料，从而达到对零件的形状、尺寸及表面质量预定的加工要求的方法。由于主要依靠瞬间脉冲放电产生的爆炸性热能去除材料，因而电火花加工后的表面往往较为粗糙，且加工后的表面有热影响区和重铸层。

电解加工采用中空金属管作为电解液喷嘴，以类似铣削的方式，通过控制工具阴极的数控轨迹，形成加工表面。在加工过程中，电流主要从喷嘴内侧壁经电解液射流到达工件表面。电解液冲击到工件表面后四散开形成电解液流膜，与射流液柱尺寸相比，此膜厚度极薄，大部分电流都被束缚在电解液柱下，而电解液流膜处的电流密度迅速下降。因此，电解加工最大特点是定域性高，仅在电解液射流液柱下的一定区域进行了高电流密度加工。因此，将喷嘴装夹于数控机床主轴后，通过数控编程与参数控制可在工件表面完成各种复杂结构的成型加工，受到了国内外研究学者的广泛关注。但是，电解加工时，钛合金表面易形成氧化层，需要消耗一定的电量去除氧化层后才能进行高效的电解加工，降低了加工效率。

考虑到电火花加工和电解加工各自的优势，也有众多研究针对电火花-电解组合或者复合加工。在电火花-电解组合加工中首先采用电火花技术进行加工，待电火花加工完毕后，需要采用其他工具或者设备再进行进行电解加工，利用电化学溶解反应去除重铸层，提高表面质量。但在电火花加工和电解加工之间有一定的时间差，并非连续加工。在时间差内，被电火花加工过的表面可能还会再次形成氧化层，这层氧化层会阻碍后续电解加工的高效进行。此外，电火花加工后，不管是采用其他工具或者设备进行电解加工，必须先进行对刀等操作，需要消耗一定的时间，降低了加工效率。对于电火花-电解复合加工，目前的研究是以电火花去除材料为主，通过电解作用去除电火花加工的重铸层为辅助，其采用的溶液多为超低浓度的盐溶液，无法通过实现高效电解；部分学者尝试采用在加工中同时喷射电火花放电所需的低浓度溶液和电解作用所需的高浓度溶液来实现复合电解加工，但这种方法加工后两种不同浓度的溶液混合在一起，无法重复使用，不利于长期大批量工业生产。

发明内容

本发明目的在于提供一种铣削平面的电火花电解连续加工方法。

一种铣削平面的电火花电解连续加工方法，包括以下过程:

使用电火花电解组合工具，它由电火花电极和电解电极组成；电火花电极为铜钨合金材料；电解电极内部有中空流道；

电火花加工和电解加工按照以下先后顺序交替进行：

首先利用电火花电极在0.1mm的加工间隙下以空气为介质对钛合金工件表面进行电火花加工，快速去除钛合金工件表面的氧化层和大量金属机体材料，节省了后续电解加工中去除氧化层所需的时间；

然后紧随电火花加工之后，利用电解电极喷射电解液至电火花加工之后的表面，进行电解加工，进一步去除材料，将电火花加工之后的凹凸不平的表面加工光滑平整；上述电火花电解和电解电极紧密贴合在一起，保证电火花加工后的表面可以马上被电解加工。

上述铣削平面的电火花电解连续加工方法中电火花加工和电解加工按照顺序先后进行。

本发明中采用铜钨合金材料作为电火花加工的材料，可以抗电腐蚀，减少电火花电极的损耗。

采用空气为绝缘介质，避免了常规电火花电解复合加工时电火花放电所需的低浓度溶液和电解作用所需的高浓度溶液在加工区域因相互混合而无法重复使用的问题。例如，现有电火花电解复合技术中电火花放电所需的低浓度溶液和电解作用所需的高浓度溶液在加工区域会相互混合，无法循环利用，需要频繁更换电解液，增加了加工成本降低了效率。本发明中采用空气作为电火花加工的绝缘介质，可以保证电解加工时的电解液的浓度基本不变，加工后的电解液通过过滤系统循环利用，降低加工成本。

通过电火花和电解连续加工，保证了电火花加工后被去除氧化层的表面可以立刻被电解作用进一步高效去除材料，避免电火花加工过后的表面在空气中停留过长时间后再次生成氧化层。若先对工件进行电火花加工去除氧化层，再更换机床或刀具进行电解加工进一步去除材料，在转移工件的过程中，工件表面会暴露在空气中重新形成氧化层，重新生成的氧化层会阻碍后续电解加工的进行，使得前期进行的电火花加工去除氧化层的工序失去意义。另外，更换机床加工或刀具需要重新装夹定位和对刀，增加了加工工序，延长加工周期，从而降低加工效率，同时会产生定位误差。

实现铣削平面的电火花电解连续加工方法，其特征在于：上述电解电极的外形为长方体并在一侧底部角落设置矩形切口，所述的电解电极内部的中空流道通过电解电极上方的连接盖与电解液进液管相连；上述电火花电极安装于上述电解电极的矩形切口处，其整体为实心长方体结构。

本发明中将电火花电解和电解电极紧密贴合在一起，是为了实现电火花和电解连续加工的目的，保证电火花加工后的表面可以马上被电解加工。

将铜钨合金电火花电极与电解加工电极用螺栓连接，是为了方便更换电火花电极，易于更改电极尺寸，从而改变电火花电解加工占比，以适应不同的加工需求。

本发明具有如下优点：

1、电解电极的前刀面安装铜钨合金电火花电极，通过电火花放电作用可以快速去除工件表面氧化层和大量钛合金机体材料；随后，电解电极对电火花加工过的表面进行电解加工，材料进一步被大量快速去除，电火花加工过的凹凸不平的表面被电解加工光滑且平整；通过以上电火花和电解连续加工，加工效率大大提高。

2、前刀面采用大宽度的铜钨合金电火花电极与电解电极用螺栓连接，易于拆卸和更换；通过更换不同厚度和长度的铜钨合金电火花电极可以控制工件表面每个点被电火花加工的时间和强度，从而使其适用于不同难加工材料的电火花电解连续加工；此外，还可以根据具体生产要求自由调整铜钨合金电火花电极的尺寸，从而调整电火花加工和电解加工的占比以适应不同工件的加工需求。

3、采用空气作为电火花加工的绝缘介质，不会改变电解液的浓度，有利于电解液的回收和循环利用，降低生产成本，提高了生产效率。

附图说明

图1是电火花电解连续加工示意图；

图2是电解加工和电火花电解连续加工对比示意图；

图3是现有电火花电解复合加工和电火花电解连续加工对比示意图；

图4是电解电极和上述加工工具结构横截面剖视图；

图5是铣削平面的电火花电解连续加工方法过程示意图；

其中标号名称：1.电解液进液管，2.内六角螺钉，3.连接盖，4.电解电极，5.工件，6.电火花电极，7.普通电解电极，8.电解液射流方向，9.刀具进给方向，10.氧化层,11.现有电火花电解复合电极，12.去离子水射流方向。

具体实施方式

图1所示的电火花电解连续加工示意图中，电解液槽的管道通过电解液进液管1、连接盖3与刀具相连，连接盖3、电解电极4与铜钨合金电火花电极6采用内六角螺钉2连接。铜钨合金电火花电极6的一面为前刀面，保证水平进给时铜钨合金电火花电极6先对工件待加工表面进行电火花加工。

图2所示为电解加工和电火花电解连续加工对比示意图。从图2（a）中可以看出，当加工工具水平移动时普通电解电极7与工件待加工表面之间有较大初始加工间隙h ₁ ，以保证加工产物可以快速排出。加工过程中刀具水平移动，必须先消耗一定电量去除钛合金工件5表面的氧化层10而后才能发生的钛合金材料去除。为了保证氧化层10被完全去除，刀具在工件5待加工表面每个位置处必须停留足够长的时间，这就导致刀具移动速度降低，从而加工效率降低。当采用电火花电解连续加工时，如图2（b）所示，铜钨合金电火花电极6与工件5待加工表面初始加工间隙较小h ₂ ，在施加较大电压时会产生电火花，电火花可以快速去除钛合金工件5表面的氧化层10并大量去除钛合金工件5机体材料。随后，电解电极4内腔中射流出的电解液覆盖被电火花加工过的表面，通过电解作用进一步高效去除材料，电火花加工过的凹凸不平的表面被电解加工为平整而光滑的表面。其中加工工具尺寸、加工间隙、极间电压等参数均可根据实际加工需求自由调整，保证了该发明的通用性。

图3所示为现有电火花电解复合加工和电火花电解连续加工对比示意图。图（a）所示为现有电火花电解复合加工打孔工序示意图。从图（a）可以看出，现有电火花电解复合电极11由内外两层喷管嵌套，去离子水作为电火花加工的介质由内喷管喷射而出，在管电极端面产生电火花高速去除工件5表面材料；低浓度电解液由外喷管喷射而出，在加工间隙产生电化学作用，实现孔壁上重铸层的微量去除，两种加工过程同时发生。然而，在这种加工方式中，电解加工中所需的电解液和电火花加工中所需的去离子水在喷射至加工区域之后会混合在一起，无法循环利用，需要频繁更换新的电解液，增加了该加工方法的成本，降低了效率。最后，由于电极结构的限制，电火花电极损耗后难以更换，只能采用新的刀具继续加工。当采用电火花电解连续加工时，如图3（b）所示，铜钨合金电火花电极6与待加工工件5表面首先通过电火花击穿空气，快速去除工件5表面的氧化层10和部分机体材料，随后电解电极4内腔中射流出的电解液覆盖被电火花加工过的表面，通过电解作用在去除电火花加工产生的重铸层，进一步高效去除材料并平整工件表面；其次，由于铜钨合金电火花电极6与工件5待加工表面之间采用空气作为电火花加工的介质，不会影响电解液的浓度，使得随后的电解加工的电解液可以通过过滤系统循环利用，降低了加工成本，提高了加工效率；最后，由于铜钨合金电火花电极6和管电极4的尺寸可根据具体生产要求自由调整，电火花加工和电解加工的占比可以随之调整以适应不同的加工需求；同时，铜钨合金电火花电极6和管电极4使用螺栓连接，电火花电极易于更换，降低了加工成本。

图4所示的电解电极7和上述工具阴极结构横截面剖视图中，与普通电解电极7的结构相比，在保证电解电极4流道形状和尺寸不变的情况下，上述加工工具的前刀面尺寸更大，增大了电火花放电区域，从而可以更快地去除钛合金工件5表面的氧化层10和大量金属机体材料；同时，铜钨合金电火花电极6和电解电极4侧壁通过螺栓连接，易于更换。

图5所示的铣削平面的电火花电解连续加工过程示意图中，当上述加工工具水平移动时，铜钨合金电火花电极6率先与工件5产生电火花，去除钛合金工件5表面的氧化层10和大量金属机体材料，紧随其后的电解电极4喷液电解液到钛合金工件5表面，进行电解加工，通过电解作用进一步高效去除材料，将电火花加工过的凹凸不平的加工表面电解加工为光滑平整的表面。

Claims (2)

1.一种铣削平面的电火花电解连续加工方法，包括以下过程:

使用电火花电解组合工具，它由电火花电极（6）和电解电极（4）组成；电火花电极（6）为铜钨合金材料；电解电极（4）内部有中空流道；

电火花加工和电解加工按照以下先后顺序交替进行：

首先利用电火花电极（6）在0.1mm的加工间隙下以空气为介质对钛合金工件（5）表面进行电火花加工，快速去除钛合金工件（5）表面的氧化层（10）和大量金属机体材料，节省了后续电解加工中去除氧化层所需的时间；

然后紧随电火花加工之后，利用电解电极（4）喷射电解液至电火花加工之后的表面，进行电解加工，进一步去除材料，将电火花加工之后的凹凸不平的表面加工光滑平整；上述电火花电解和电解电极紧密贴合在一起，保证电火花加工后的表面可以马上被电解加工。

2.根据权利要求1所述的铣削平面的电火花电解连续加工方法，其特征在于：

上述电解电极（4）的外形为长方体并在一侧底部角落设置矩形切口，所述的电解电极（4）内部的中空流道通过电解电极（4）上方的连接盖（3）与电解液进液管（1）相连；

上述电火花电极（6）安装于上述电解电极（4）的矩形切口处，其整体为实心长方体结构。

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