CN111347112A - 一种导体材料的钻孔装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及工件钻孔的技术领域，具体涉及一种导体材料的钻孔装置及其方法。本发明的目的是要解决现有电火花钻孔技术加工得到的孔内壁表面有重铸层而导致质量不高的问题。为达到本发明的目的，本发明采用的技术方案是将电火花钻孔加工和电解加工结合在一起，在一次加工过程中，能够去除电火花钻孔后孔内壁表面上的凹坑和重铸层，提高钻孔后工件的表面质量。

Description

一种导体材料的钻孔装置及其方法

技术领域：

本发明涉及工件钻孔技术领域，具体涉及一种导体材料的钻孔装置及其方法。

背景技术：

现代航空燃气涡轮发动机涡轮需要在高温下工作，为确保涡轮叶片能在高温环境下长时间服役，就需要借助冷却技术。高推重比航空发动机普遍采用气膜冷却技术。气膜冷却作为一种有效的冷却手段，广泛应用于航空发动机的涡轮叶片上，有效促进了航空燃气轮机性能和效率的提高。

气膜冷却技术是在发动机热端部件上设计大量的小孔，孔径约0.1～0.8mm、孔深约3mm以上，利用部件内部释放的冷空气，通过微小孔的对流，在部件表面形成薄层冷气膜，达到隔离高温燃气流的目的，从而保护了部件。气膜冷却孔的特点是孔径小、数量多、深径比高、加工难度大、成形精度要求高，其加工精度直接影响发动机效能。

电火花钻孔技术被国内外广泛应用于气膜孔的加工，是目前较为成熟的一种气膜孔加工方法。电火花钻孔能够加工出圆度和直线度好的深孔，加工速度快且不受材料硬度的限制。但电火花加工的材料去除机理，是通过熔化和气化方式，因此加工完成后的工件表面是由无数火花凹坑以及熔化材料重新凝固后形成的重铸层组成。重铸层的存在不仅导致工件表面质量不高，而且还会影响工件的疲劳强度和使用寿命。

发明内容：

有鉴于此，本发明为解决现有电火花钻孔技术存在的工件表面质量差、疲劳强度不高以及使用寿命低的问题，提供一种导体材料的钻孔装置及其方法。

为解决现有技术存在问题，本发明的技术方案是:一种导体材料的钻孔装置，其特征在于：包括工具、工件夹具、电磁阀一、电磁阀二、装有NaNO₃溶液的水箱一和装有去离子水的水箱二；

所述的水箱一和水箱二中的出水管分别连接电磁阀一的B口和A口，电磁阀一的P口通过管道和喷嘴连接，水箱一和水箱二中的入水管分别连接电磁阀二的B口和A口，电磁阀二的P口与机床工作台上的水槽连接。

所述的工具设置于工件夹具上，工具的结构为一体设置的两段直径不同的阶梯圆柱，其大端直径大于小端直径80-100μm，两段圆柱的长度大于工件厚度。

进一步，电磁阀一与喷嘴之间的管线上设置有泵。

进一步，工具与脉冲电源的负极连接，脉冲电源的正极与工件连接。

一种导体材料的钻孔装置的钻孔方法步骤为：

1)电磁阀一和电磁阀二处于断电状态，电磁阀一的A口和P口连通，电磁阀二的A口和P口连通，水泵将去离子水从水箱二中抽出，通过电磁阀一喷洒到加工区域的上方，并通过电磁阀二的A口流回水箱，其中去离子水的电导率小于100μs/cm，将工具小径端装夹于工件夹具上，通过工具的大径端对工件进行电火花钻孔加工；

2)在加工区域中，施加在工件和工具两极之间的脉冲电压将去离子水击穿产生火花，由工具的大径端进行电火花加工去除工件材料，工具以进给速度为5μm/s-20μm/s下移，至电火花消失后，电火花钻孔结束；

3)当电火花钻孔结束后，将电磁阀一和电磁阀二通电，电磁阀一的B口和P口连通，电磁阀二的B口和P口连通；水泵将NaNO₃溶液从水箱一中抽出，通过电磁阀一喷洒在加工区域的上方，并通过电磁阀二的B口流回到水箱一，其中NaNO₃溶液的电导率为1ms/cm-5ms/cm；

4)工具的小径端进入加工孔，并停留10s-30s，由于此时工件的内孔表面和工具的外表面之间的距离大于火花放电的最大距离，此时无电火花产生，由于采用了NaNO₃溶液，此时加工方式为电解加工。经过电解加工的阳极溶解，最终得到无重铸层的光滑孔。

进一步，脉冲电压为80-120V。

与现有技术相比，本发明的优点如下:

1、电火花加工的优点是精度高，在使用电火花加工孔的时候，可以保证孔径的精度，缺点是由于重铸层的存在而导致孔内壁表面质量不高；电解加工的优点是加工后的表面质量非常好，而缺点是精度差，如果单纯使用电解加工来加工孔，会导致孔径过大，并且孔的入口处直径要大于出口处的直径；本发明采用的工具结构为一体设置的两段直径不同的阶梯圆柱，其大端直径大于小端直径80-100μm，加工方法中采用不同的工作液分别配合圆柱电机进行钻孔，并且采用电火花和电解加工相结合，首先利用电火花加工精度高的特点进行钻孔以保证孔的精度，当采用小径端进行加工时，圆柱工具小径端的表面和孔的内表面之间的距离大于火花放电的最大距离，从而不会产生电火花，因此加工方式转变为电解加工；利用电解加工来去除电火花加工后在孔内壁留下的重铸层，利用两种加工方法的优点，克服它们的缺点，从而提高孔壁表面质量，改善孔的疲劳强度和使用寿命；

2、本发明适用于所有导电材料的钻孔加工，适用范围广。

附图说明：

图1为本发明钻孔装置与机床的配合使用图；

图2为工具的结构示意图；

图3为本发明的钻孔原理图；

图4为电火花加工钻孔示意图；

图5为电解加工溶解重置层示意图；

附图标记说明：1-机床工作台，2-水槽，3-工件夹具，4-工件，5-工具，6-工具夹具，7-喷嘴，8-脉冲电源，9-泵，10-电磁阀一，11-水箱一，12-水箱二，13-电磁阀二。

具体实施方式：

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例提供一种导体材料的钻孔装置，如图1所示，包括工具5、工具夹具6、脉冲电源8、泵9、电磁阀一10、电磁阀二13、装有NaNO₃溶液的水箱一11和装有去离子水的水箱二12；

上述水箱一11和水箱二12中的出水管通过电磁阀一10与喷嘴7连接，电磁阀一10与喷嘴7之间的管线上设置有泵9，水箱一11和水箱二12的入水管通过电磁阀二13与水槽2连接。

上述工具5设置于工具夹具6上，工具5的结构为一体设置的两段直径不同的阶梯圆柱，其大端直径大于小端直径80-100μm，如图2所示，工具的大径端的作用是进行电火花钻孔，其直径

d_EDM为500μm-800μm，其长度L_EDM大于等于工件的厚度，工具的小径端直径

d_ECM要小于大径端直径

d_EDM约80μm-100μm，其长度L_ECM大于工件的厚度。

上述工具5与脉冲电源8的负极连接，工件4与脉冲电源8的正极连接。

本发明工作液循环系统包括水箱一11和水箱二12，水箱一11装有NaNO₃溶液，是在去离子水中加入适量NaNO₃，混合而成的NaNO₃溶液，其电导率为1ms/cm-5ms/cm，水箱二12装有去离子水，其电导率小于100μs/cm，在水箱一11和水箱二12的出水管上连接着电磁阀一10，其中，水箱水箱一11的出水管和电磁阀一10的B口相连，水箱二12的出水管和电磁阀一10的A口相连，电磁阀一10的P口连接着水泵9，水管末端的喷嘴7在加工区域的上方，对加工区域喷洒工作液(去离子水或NaNO₃溶液)。水槽2的底端连接着出水管，水槽2的出水管接着电磁阀二13的P口，电磁阀二13的出水管分别接到水箱一11和水箱二12，其中，电磁阀二13的A口连接水箱二12的入水管，电磁阀二13的B口连接水箱一11的入水管，将加工区域的工作液排回到两个水箱中，本发明所使用的电磁阀一10和电磁阀二13均为两位三通电磁阀。

本发明导体材料的钻孔装置与所使用的机床配合，如图1所示，机床工作台1上安装着水槽2，水槽2内安装着工件夹具3，工件夹具3上装夹着工件4，工件厚度3mm-5mm，机床工作台上方有工具夹具6，工具夹具6可以在X、Y、Z三个方向运动，在钻孔时，工具夹具6向下进给(Z向)，其进给速度为5μm/s-20μm/s，工具夹具6下方装夹着工具5，脉冲电源8施加在工具和工件的两端，电压范围为80V-120V。

本发明一种导体材料钻孔的方法，如图3-图5所示：

1、首先对工件进行电火花钻孔加工，电磁阀一10和电磁阀二13处于断电状态，电磁阀一10的A口和P口连通，电磁阀二13的A口和P口连通，此时水泵9将去离子水从水箱二12中抽出来，经过电磁阀一10，将去离子水喷洒到加工区域的上方，去离子水的电导率小于100μs/cm，此阶段由于电磁阀一10处于断电的状态，则A口和P口连通，B口和P口并不连通，因此水箱一11中的NaNO₃溶液并不会参与到工作液循环统中。同时，由于电磁阀二13处于断电的状态，则电磁阀二13的A口和P口连通，B口和P口并不连通，因此水槽2中的去离子水只能流回到水箱二12中；将工具5的小径端装夹于工具夹具6上，通过工具5的大径端对工件4进行电火花钻孔加工；

2、在加工区域中，由于此时的工作液去离子水，施加在工件4和工具5两极之间的脉冲电压将去离子水击穿而产生火花，由工具5的大径端进行电火花加工去除工件材料，如图4所示，工具5以进给速度为5μm/s-20μm/s下移，至电火花消失后，电火花钻孔结束；

3、当电火花钻孔结束后，将电磁阀一10和电磁阀二13通电，此时电磁阀一10的B口和P口连通，电磁阀二13的B口和P口连通，水泵9将NaNO₃溶液从水箱11中抽出来，经由电磁阀一10和水管喷洒到加工区域的上方，水槽2中的NaNO₃溶液经过电磁阀二13流回到水箱一11中，其中NaNO₃溶液的电导率为1ms/cm-5ms/cm；在此阶段由于电磁阀一10处于通电的状态，则B口和P口连通，A口和P口并不连通，因此水箱二12中的去离子水并不会参与到工作液循环系统中；同时，由于电磁阀二13处于通电的状态，则电磁阀二13的B口和P口连通，A口和P口并不连通，因此水槽2中的NaNO₃溶液只能流回到水箱一11中。

4、工具5的小径端进入加工孔，并停留10s-30s。电火花加工时，能够产生火花的条件之一是，工具和工件两极之间的距离必须要小于火花放电的最大距离，若加工时两极之间的距离大于火花放电最大距离，则火花不会产生，电火花加工停止。由于工具的后半段直径

d_ECM要小于

d_EDM约80μm-100μm，导致此时工具5的表面到工件4孔的内壁之间的距离要小于火花放电的最大距离，因此此时并没有电火花的产生，电火花加工停止。又由于此时的工作液是NaNO₃溶液，因此此时的加工是电解加工，根据阳极溶解原理溶解去除电火花加工后孔内壁的重铸层，经过电解加工的阳极溶解，最终得到无重铸层的光滑孔。

上述的脉冲电压为80-120V。

加工实施例1

脉冲电压110V，脉宽16μs，脉间48μs，NaNO₃溶液电导率1ms/cm，去离子水电导率为100μs/cm，工件厚度3mm，工具前半段直径为

d_EDM为800μm，长度L_EDM为3mm，工具后半段直径

d_ECM为700μm，长度L_ECM为5mm。工具进给速度为10μm/s。在加工初始阶段，即电火花钻孔阶段，电磁阀一10和电磁阀二13均处于断电状态，电磁阀一10的A口和P口连通，电磁阀二13的A口和P口连通，先进行电火花钻孔加工。等电火花消失后，说明电火花钻孔加工结束。将电磁阀一10和电磁阀二13通电，电磁阀一10的B口和P口连通，电磁阀二13的B口和P口连通，工具继续向下移动，并停留30s进行电解加工，溶解去除电火花钻孔在内壁留下重铸层，提高钻孔表面质量。

加工实施例2

脉冲电压90V，脉宽16μs，脉间48μs，NaNO₃溶液电导率5ms/cm，去离子水电导率为80μs/cm，工件厚度5mm，工具前半段直径为

d_EDM为500μm，长度L_EDM为5mm，工具后半段直径

d_ECM为400μm，长度L_ECM为7mm。工具进给速度为20μm/s。在加工初始阶段，即电火花钻孔阶段，电磁阀一10和电磁阀二13均处于断电状态，电磁阀一10的A口和P口连通，电磁阀二13的A口和P口连通，先进行电火花钻孔加工。等电火花消失后，说明电火花钻孔加工结束。将电磁阀一10和电磁阀二13通电，电磁阀一10的B口和P口连通，电磁阀二13的B口和P口连通，工具继续向下移动，并停留10s进行电解加工，溶解去除电火花钻孔在内壁留下重铸层，提高钻孔表面质量。

以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种导体材料的钻孔装置，其特征在于：包括工具(5)、工件夹具(6)、电磁阀一(10)、电磁阀二(13)、装有NaNO₃溶液的水箱一(11)和装有去离子水的水箱二(12)；

所述的水箱一(11)和水箱二(12)中的出水管分别连接电磁阀一(10)的B口和A口，电磁阀一(10)的P口通过管道和喷嘴(7)连接，水箱一(11)和水箱二(12)中的入水管分别连接电磁阀二(13)的B口和A口，电磁阀二(13)的P口与机床工作台(1)上的水槽(2)连接；

所述的工具(5)设置于工件夹具(6)上，工具(5)的结构为一体设置的两段直径不同的阶梯圆柱，其大端直径大于小端直径80-100μm，两段圆柱的长度大于工件厚度。

2.根据权利要求1所述的一种导体材料的钻孔装置，其特征在于：所述的电磁阀一(10)与喷嘴(7)之间的管线上设置有泵(9)。

3.根据权利要求1或2所述的一种导体材料的钻孔装置，其特征在于：所述的工具(5)与脉冲电源(8)的负极连接，脉冲电源(8)的正极与工件(4)连接。

4.根据权利要求1所述的采用一种导体材料的钻孔装置的钻孔方法，其特征在于：方法步骤为：

1)电磁阀一(10)和电磁阀二(13)处于断电状态，电磁阀一(10)的A口和P口连通，电磁阀二(13)的A口和P口连通，水泵(9)将去离子水从水箱二(12)中抽出，通过电磁阀一(10)喷洒到加工区域的上方，并通过电磁阀二(13)的A口流回水箱(12)，其中去离子水的电导率小于100μs/cm，将工具(5)小径端装夹于工件夹具(6)上，通过工具(5)的大径端对工件(4)进行电火花钻孔加工；

2)在加工区域中，施加在工件(4)和工具(5)两极之间的脉冲电压将去离子水击穿产生火花，由工具(5)的大径端进行电火花加工去除工件材料，工具(5)以进给速度为5μm/s-20μm/s下移，至电火花消失后，电火花钻孔结束；

3)当电火花钻孔结束后，将电磁阀一(10)和电磁阀二(13)通电，电磁阀一(10)的B口和P口连通，电磁阀二(13)的B口和P口连通。水泵(9)将NaNO₃溶液从水箱一(11)中抽出，通过电磁阀一(10)喷洒在加工区域的上方，并通过电磁阀二(13)的B口流回到水箱一(11)，其中NaNO₃溶液的电导率为1ms/cm-5ms/cm；

4)工具(5)的小径端进入加工孔，并停留10s-30s，由于此时工件(4)的内孔表面和工具(5)的外表面之间的距离大于火花放电的最大距离，此时无电火花产生，由于采用了NaNO₃溶液，此时加工方式为电解加工；经过电解加工的阳极溶解，最终得到无重铸层的光滑孔。

5.根据权利要求4所述的采用一种导体材料的钻孔装置的钻孔方法，其特征在于：所述的脉冲电压为80-120V。

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