CN112059341B - 一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有液体背衬的电火花‑电解复合加工微小孔方法，属于特种加工的领域。本发明特征在于：在工件空心内部或工件背面垂直于加工方向通入辅助液体，形成液体背衬，通过调节液体背衬的液流方向或压力实现不同效果。通入辅助液体存在两种方式，即单向液流方式或双向液流方式；其中单向液流方式是指辅助液体从一侧流入从另一侧流出，其中两侧压力不同；其中双向液流方式是指辅助液体从两侧流入，其中两侧压力相同；本发明利用液体背衬可实现无重铸层、小锥度、高精度、高稳定性的微小孔加工。
Description
技术领域
本发明涉及微小孔加工方法，属于特种加工的领域，具体涉及一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法。
背景技术
随着航空航天，精密仪器零件的不断更迭，出现了很多微小孔结构，单按航空发动机来说：航空发动机发展向高推重比、高转速的发展，对涡轮叶片的耐高温性及耐疲劳性能提出很高的要求。对此，涡轮叶片常采用高温合金并通过气膜冷却孔的方法进行冷却。叶片内部通入的高压冷气经气膜冷却孔，输送到叶片表面形成温度较低的冷却薄膜。发动机内全部涡轮叶片有数万个这种微小孔，直接影响到了航空发动机成品率、工作效率、使用寿命。目前微小孔的加工已成为涡轮叶片加工的关键技术之一。
电火花穿孔加工基于火花放电蚀除工件材料，具有以柔克刚，微细精密的特点，但加工时微小孔出口处缺液易形成干放电，加工后存在重铸层，对耐疲劳性能产生严重影响。
电解加工，基于阳极溶解的原理，通常采用管电极作为工具电极，具有生产效率高，无重铸层，无残余应力的特点，但高浓度的电解液会对工件表面产生严重的杂散腐蚀现象，破坏工件表面质量。
电火花-电解复合加工基于二者优点，在管电极内部通入低浓度电解液，通过火花放电技术来蚀除大部分材料，与此同时通过阳极溶解作用达到去除重铸层的目的。但微小孔入口处阳极溶解时间长于出口处，使微小孔产生一定锥度；其次由于微小孔穿透瞬间，电解液漏液，微小孔出口处缺液，加工产物排出不畅，不能完全消除出口重铸层。
2003年12月24日，实用新型专利03219172.3中国专利局发布一种带反向充液装置的高速电火花小孔加工机，为解决微小孔刚刚打穿出现的漏液，造成加工区域缺液问题，该装置在工件背侧另设喷液口，向微小孔出口处喷射一定压力的工作液，形成反向冲液，来补充漏液导致出口处的加工不良现象，整个结构设计不能进行中空零件加工，且重铸层无法去除。
2015年4月30日，申请号为201510212740.6中国专利局公布一种基于低温环境的冰冻辅助微小孔加工方法及装置，利用低温环境，在工件背面形成冰冻结构，来实现工作液反流的目的，保证小孔出口处表面质量。但其需在加工前通过外加低温设备，对整个环境进行降温，使其在冰点以下，加工区域封闭，并不利于加工产物排出。
2015年6月24日，申请号为201510355873.9中国专利公布的一种单晶空心叶片电火花电解复合制孔方法，其在电火花-电解复合加工的基础上通过在叶片内部灌注填充物，实现气膜孔穿透瞬间时，管电极射出工作液打到填充物，实现返流，去除出口处重铸层，改善小孔出口质量。但其加工效率不高，在加工前需要灌注填充物保温1-2h,并在加工完成后需要超声波清洗半小时以上去除填充物；其次在出口处由于填充物存在，会使电解液排出不畅，在出口处堆积，出口直径略大。
2015年8月24日，申请号为201510523510.1中国专利局发布了阵列群电极微小孔电加工同轴冲液的方法和装置，其电解液沿阵列群电极的阴极流入电加工区，通过控制电解液密封腔的压力，使得不同电解液流速一致，实现加工的一致性，但对于诸如叶片的复杂结构，其阴极制作困难。
目前针对微小孔电加工的辅助加工方法主要有三个方向，一是通过反衬层的设计提高微小孔电加工出口的质量，二是通过同轴冲液或吹气使产物快速排出，三是通过超声振动的方法，提高蚀除效率，大连理工大学余祖元教授提出超声辅助等离子体中微细电火花加工技术（航空制造技术，2019,62(11):32-38）将超声辅助运用到电火花加工中，提高了蚀除效率，有利于产物排出，降低表面粗糙度，但未提及重铸层去除问题。目前尚未有垂直于加工方向通入液体形成液体背衬，实现排出产物速度快，无重铸层的复合加工方法。
发明内容
本发明旨在提高电火花-电解微小孔时的加工精度及表面质量，针对目前加工方案，小孔精度差、锥度大、重铸层多的现象，提出通入液体，形成液体背衬，进而通过调节液体背衬内液流方向，及压力实现不同效果，实现稳定，低成本的加工方法。
本发明特征在于针对含中空、平面、曲面工件，在空心内部或工件背面垂直于加工方向通入辅助液体，形成液体背衬，利用液体背衬可实现无重铸层，小锥度，高精度，高稳定性的微小孔加工。
一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，将待加工工件固定在夹具上，管电极工作液经管电极内部高速流向加工区域，基于火花放电与阳极溶解，在脉冲电源的作用下不断蚀除工件材料，同时通过电解作用去除大部分重铸层；加工产物，在管电极工作液的作用下，经管电极与工件的间隙，快速流出加工区域，实现穿孔；其特征还包括以下过程 ：
步骤1、通入辅助液体，形成背衬
若待加工工件为空心零件则在空心零件内部通入辅助液体；若待加工工件为非空心零件则在工件背面垂直于加工方向通入辅助液体；辅助液体采用低电导率电解质溶液；
辅助液体流动方向以及两侧压力可调，调节两侧压力，至少使辅助液体的液面高度上升至待加工微小孔出口部位处，形成液态支撑；
通入辅助液体存在两种方式，即单向液流方式或双向液流方式；其中单向液流方式是指辅助液体从一侧流入从另一侧流出，其中两侧压力不同；其中双向液流方式是指辅助液体从两侧流入从小孔内排除，其中两侧压力相同；
步骤2、辅助液体采取单向液流方式或双向液流方式加工
2-1 单向液流方式：为通入液体背衬压力大于0.5MPa，与小于0.5MPa的方式：
2-1-1液体背衬压力大于0.5MPa，其形成支撑作用较强，当微小孔打穿时，液体汇聚至打穿的微小孔，压力突变，液体背衬夹带电加工产物从微小孔入口中喷出，促进了产物排出，形成反冲液；随出口孔径变大，喷出的反冲液逐渐增多，对微小孔出口的修锐作用不断增强；同时由于液体背衬采用低电导率电解质溶液，在反冲的过程中发生微弱的电解作用，去除出口的重铸层，修整微小孔锥度，提高加工质量；
2-1-2液体背衬压力低于0.5MPa，微小孔打穿时，大量包含蚀除产物的工作液，几乎全部因强制对流经由打穿的微小孔流入到液体反衬当中并被带走，有效减少了加工区域杂质，弥补由于管电极冲液压力不足导致产物无法完全排出的问题，同时由于蚀除产物与已加工表面不接触，避免了二次放电现象；随出口孔径变大，管电极出口处工作液与返液流道汇合处，存在速度差和压力差，在微小孔出口处引起局部涡流，液体反衬形成返流，保证微小孔出口处电解液充盈，微小孔充满返液，通过微弱的电解作用对微小孔出口进行修正，去除重铸层，并倒圆角，防止了因缺液导致的加工不完全，形成一定的收缩角度以及锐边现象；这时蚀除产物明显减少，微小孔出口加工质量明显提高；
2-2双向液流方式
双向流动时，液体由两端流入，微小孔刚刚打穿时，辅助液体夹带加工产物从小孔内喷出，液体背衬形成强烈的反冲液，反冲液将管电极均匀包裹，有效减少了管电极在旋转过程中偏摆；随微小孔出口增大，反冲液包裹作用增强，同时由于液体背衬的微弱电解作用，去除了由于电火花作用产生的重铸层，修正微小孔锥度，改善微小孔加工质量。
所述辅助液体的低电导率是指电导率低于5mS/L溶液，低电导率的液体背衬对工作液可减少杂散腐蚀现象，提高加工质量。
所述辅助液体配方为氯化钠溶液，硝酸钠溶液，次氯酸钠溶液的一种或几种组合，同时可适当加入丙三醇，硅酸盐等进行防冻。
所述辅助液体温度为-50-20℃，低温提高了电火花-电解加工的定域性及非线性，提高加工质量。
一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，上述方法可对中空零件、平面零件、曲面零件微小通孔加工。
本发明提供的技术方案与已有技术相比，具有以下优势：
1）在中空零件内部或工件背面通入液体，可形成液体背衬，进而形成液态支撑，可根据液体背衬的压力不同，实现不同效果，均可起到提高加工质量的作用。当液体背衬压力较高时，液体背衬形成支撑作用较强，提高了工件加工的稳定性；当微小孔打穿时，由于压力突变，辅助液体可夹带电加工产物从微小孔入口处喷出；由于喷射效应较强，喷射流可对工作电极形成包裹效应，提高了电极丝的稳定性；随微小孔出口增大，包裹作用增强，喷射效应增强，对微小孔出口处的修锐作用增强；同时由于液体背衬的微弱电解作用，去除了由于电火花作用产生的重铸层，修正微小孔锥度，改善微小孔加工质量。当液体背衬压力较低时，可在微小孔部分打通的瞬间，形成强制对流，强制对流，加工区域的工作液携带加工产物，通过部分打通的孔直接排入液态背衬流场中，减少由于产物堆积产生的二次放电现象；因加工产物不经过孔壁与管电极之间的间隙，提高孔壁质量，随微小孔出口孔径增大，由于管电极出口处工作液与返液流道汇合处，存在速度差和压力差，在微小孔出口处引起局部涡流，形成返流，使加工区域内工作液充盈，并通过微弱电化学作用对微小孔出口进行修整，消除重铸层，防止了因缺液导致的加工不完全，形成收缩和锐边的问题，改善小孔出口处圆度，提高质量；随返流液面上升，辅助液体通过电化学作用对整个孔壁进行修整，并改善锥度，进而提高整个微小孔加工质量。
2）在中空零件内部或工件背面通入液体，可形成液体背衬，进而形成液态支撑，可根据液体背衬内液流方向不同，应用于不同场合。单向流动时，液体背衬支撑力较双向流动小，所需夹紧工件的夹紧力较小，夹具体设计简单，可采用横向夹紧的方式，适合于小型简单零件的加工，双向流动，支撑力较大，在夹具设计时，夹紧力方向应与支撑方向一致，由于双向液流的入口压力相同，反冲液能够均匀包裹在管电极表面，提高加工稳定性，适合于大型零件，曲率较大零件的加工。
3）相比于常温加工，液体背衬的低温具有很多优点，电火花-电解复合加工利用热能使材料熔化气化抛出，温度高达上千摄氏度，液体背衬的低温可减少熔化气化产生的热量，减少周围热效应产生，进而热影响层厚度，减少重铸层产生；并同时通过微弱电解效应，对孔壁进行修整，在低温环境下，提高了电解液的非线性与定域性，可抑制出口处杂散腐蚀现象，保证孔入口处表面质量。
4）相比于传统较高电导率加工，液体背衬的低电导率具有很多优点，可通过微弱电解作用对微小孔出口去除重铸层并倒圆；液体支撑液面上升时，通过微弱电解作用修整孔型，减小锥度，对孔壁的重铸层进行去除，同时低浓度液体对高浓度工作液进行稀释，减少了出口处杂散腐蚀现象。
5）液态反衬与目前使用的金属或非金属填充物反衬具有以下优点；当采用非金属反衬在复杂曲面进行斜孔时，管电极总有一侧先击穿工件，此时工件未完全钻透，管电极继续向下进给，管电极会顶在非金属填充物上，导致管电极弯曲，使管电极侧面与孔壁接触而短路，产生很深的重铸层，导致零件报废；若采用金属材料作为反衬时，随电极可继续进给，管电极不会弯曲，但由于反衬材料要求需易填充，易取出，且不允许残留，实现困难。而本发明基于水溶液的流动性，可以填充到任何表面型腔形成液态支撑，不会造成管电极受力弯曲，不会造成底部电作用产生微坑，并且加工之后烘干不会有任何残留，节省前期及后续处理时间。
6）加工零件种类丰富：其特征在于可加工中空零件、平面零件、曲面零件微小孔加工，仅需在中空零件内部或平面、曲面工件背面通入液体形成液体支撑，即可实现返流加工提高加工质量，孔不仅限于圆孔，还包括方孔，异形孔等。提高了微小孔的加工范围。例如，航空发动机的气膜冷却孔，喷管等。
附图说明
图1为一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法示意图；
图2（a）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法打孔过程图
图2（b）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法单向通液压力高于0.5MPa加工过程图；
图2（c）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法单向通液压力低于0.5MPa加工过程图；
图2（d）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法双向通液加工过程图；
示意图的标号说明：01.恒温工作液槽，02.洁净辅助液体 ，03.过滤器 ，04.过滤网，05.计量泵，06.温度计，07.压力表，08.安全阀，09.液体背衬压力表，10.入口隔温耐压管路，11.入口闸阀 ，12.机床本体 ，13.进给主轴， 14.管电极 ，15.工件，16.液体背衬，17.加工产物，18.换向阀 ，19.出口闸阀，20. 出口隔温耐压管路， 21.废液，22.管电极工作液， 23.液体背衬形成返液，24. 液体背衬形成反冲液。
具体实施措施
下面结合附图和具体实施方式，对本发明做进一步说明。
图1为一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法示意图：由工件15、进给主轴13、管电极14、液体背衬形成返液23、液体背衬16、加工产物17构成了具有液体背衬的加工区域，工件15与夹具相连。由洁净辅助液体02、过滤器03、计量泵05、入口隔温耐压管路10、入口闸阀11、液体背衬16、出口闸阀19、出口隔温耐压管路20、废液21、过滤网04组成了具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔具有液体背衬的循环加工系统。安全阀08，压力表07对加工系统起过压保护作用，通过设置安全阀开启压力，保证整个回路安全。温度计06与恒温工作槽01，调节液体背衬温度，控制其温度恒定，其中低温有利于抑制表面杂散腐蚀。加工前，将待加工工件安装在夹具上，要求夹具具有一定密封性，并保证内部流体可顺利流通，随后将夹具固定到机床上，将入口隔温耐压管路10与夹具入口连接，出口隔温耐压管路20与夹具出口连接。液体背衬压力表9、入口闸阀11、出口闸阀19起调节背衬压力的作用。在空心内部或工件背面垂直于加工方向通入液体，形成液体背衬，通过入口闸阀11、出口闸阀19调整液体背衬压力，至少保证液面可至待加工区域，液体背衬压力适中，液态背衬液面可至待加工微小孔相应部位，夹具体内液体背衬流场流动的不均匀性不应使管电极产生弯曲，致使短路现象发生。。加工过程中，通过出口闸阀19随时调整压力大小，若加工区域反侧有已加工孔，则应使用绝缘胶带防止外加辅助电解液流出。换向阀18实现液体反衬内部，流动方向的转换，当位于常位时，液流方向为单向，一侧流入，另一侧流出，其两侧压力不同；当电磁通电时，换向阀动作，液流方向为双向进液，两侧流入，两侧压力相同。
图2（a）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法打孔过程图。加工初期，管电极工作液22经管电极14内部高速流向加工区域，对于电火花-电解复合加工，基于火花放电与阳极溶解，在脉冲电源的作用下不断蚀除工件材料，同时通过电解作用去除大部分重铸层，产生大量热量，大量蚀除产物17，在管电极工作液22的作用下，经管电极14与工件15间隙，快速流出加工区域，实现穿孔，此过程存在二次放电现象，重铸层去除不完全，微小孔存在锥度。液体背衬在工件背面形成液体支撑，提高了加工稳定性。随着管电极向下进给，微小孔被打穿。
图2（b）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法单向通液压力高于0.5MPa加工过程图。单向液流，通过入口闸阀11、出口闸阀19调整液体背衬压力，液体背衬压力高于0.5MPa，其形成支撑作用较强，由于压力突变，液体汇聚至刚刚打穿的微小孔，夹带电加工产物17从微小孔中喷出，形成反冲液24；随出口孔径变大，喷出的反冲液逐渐增多，对微小孔出口的修锐作用不断增强；同时由于液体背衬采用低电导率电解质溶液，在反冲的过程中发生微弱的电解作用，去除出口的重铸层，修整微小孔锥度，提高加工质量。
图2（c）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法单向通液压力低于0.5MPa。单向液流，通过入口闸阀11、出口闸阀19调整液体背衬压力，液体背衬压力低于0.5MPa，大量包含蚀除产物的工作液，几乎全部因强制对流经由打穿的微小孔流入到液体反衬16当中并被带走，有效减少了加工区域杂质，弥补由于管电极冲液压力不足导致产物无法完全排出的问题，同时由于蚀除产物与已加工表面不接触，避免了二次放电现象；随出口孔径变大，管电极出口处工作液与返液流道汇合处，存在速度差和压力差，在微小孔出口处引起局部涡流，液体反衬形成返流，保证微小孔出口处电解液充盈，微小孔充满返液，通过微弱的电解作用对微小孔出口进行修正，去除重铸层，并倒圆角，防止了因缺液导致的加工不完全，形成一定的收缩角度以及锐边现象。这时蚀除产物明显减少，微小孔出口加工质量明显提高。
图2（d）一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法双向通液加工过程图。双向流动时，液体由两端流入，微小孔刚刚打穿时，辅助液体夹带加工产物从小孔内喷出，液体背衬16形成强烈的反冲液24，反冲液24将管电极14均匀包裹，有效减少了管电极在旋转过程中偏摆，随微小孔出口增大，反冲液包裹作用增强，同时由于液体背衬的微弱电解作用，去除了由于电火花作用产生的重铸层，修正微小孔锥度，改善微小孔加工质量。
综合以上所述仅是本发明优选的实施方式，在不脱离本发明的原理情况下，还可以做出若干改进，这些改进应视为本发明保护范围。
Claims (5)
1.一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，将待加工工件固定在夹具上，管电极工作液经管电极内部高速流向加工区域，基于火花放电与阳极溶解，在脉冲电源的作用下不断蚀除工件材料，同时通过电解作用去除大部分重铸层；加工产物在管电极工作液的作用下，经管电极与工件的间隙，快速流出加工区域，实现穿孔；其特征在还包括以下过程 ：
步骤1、通入辅助液体，形成背衬
若待加工工件为空心零件则在空心零件内部通入辅助液体；若待加工工件为非空心零件则在工件背面垂直于加工方向通入辅助液体；辅助液体采用低电导率电解质溶液；
辅助液体流动方向以及两侧压力可调，调节两侧压力，至少使辅助液体的液面高度上升至待加工微小孔出口部位处，形成液态支撑；
通入辅助液体存在两种方式，即单向液流方式或双向液流方式；其中单向液流方式是指辅助液体从一侧流入从另一侧流出，其中两侧压力不同；其中双向液流方式是指辅助液体从两侧流入，其中两侧压力相同；
步骤2、辅助液体采取单向液流方式或双向液流方式加工
2-1 单向液流方式：为通入液体背衬压力大于0.5MPa，与小于0.5MPa的方式：
2-1-1液体背衬压力大于0.5MPa，形成支撑作用较强，当微小孔打穿时，液体汇聚至打穿的微小孔，压力突变，液体背衬夹带电加工产物从微小孔入口中喷出，促进了产物排出，形成反冲液；随出口孔径变大，喷出的反冲液逐渐增多，对微小孔出口的修锐作用不断增强；同时由于液体背衬采用低电导率电解质溶液，在反冲的过程中发生微弱的电解作用，去除出口的重铸层，修整微小孔锥度，提高加工质量；
2-1-2液体背衬压力低于0.5MPa，微小孔打穿时，大量包含蚀除产物的工作液，几乎全部因强制对流经由打穿的微小孔流入到液体反衬当中并被带走，有效减少了加工区域杂质，弥补由于管电极冲液压力不足导致产物无法完全排出的问题，同时由于蚀除产物与已加工表面不接触，避免了二次放电现象；随出口孔径变大，管电极出口处工作液与返液流道汇合处，存在速度差和压力差，在微小孔出口处引起局部涡流，液体反衬形成返流，保证微小孔出口处电解液充盈，微小孔充满返液，通过微弱的电解作用对微小孔出口进行修正，去除重铸层，并倒圆角，防止了因缺液导致的加工不完全，形成一定的收缩角度以及锐边现象；这时蚀除产物明显减少，微小孔出口加工质量明显提高；
2-2双向液流方式
双向流动时，液体由两端流入，微小孔刚刚打穿时，辅助液体夹带加工产物从小孔内喷出，液体背衬形成强烈的反冲液，反冲液将管电极均匀包裹，有效减少了管电极在旋转过程中偏摆；随微小孔出口增大，反冲液包裹作用增强，同时由于液体背衬的微弱电解作用，去除了由于电火花作用产生的重铸层，修正微小孔锥度，改善微小孔加工质量。
2.根据权利要求1所述的一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，其特征在于：所述辅助液体的低电导率是指电导率低于5mS/L溶液。
3.根据权利要求2所述的一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，其特征在于：所述辅助液体温度为-50-20℃。
4.根据权利要求1所述的一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，其特征在于：所述辅助液体配方为氯化钠溶液，硝酸钠溶液，次氯酸钠溶液的一种或几种组合。
5.根据权利要求4所述的一种具有液体背衬的电火花-电解复合加工微小孔方法，其特征在于：所述辅助液体还加入有丙三醇或硅酸盐。
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