CN113798610A - 雾化烧蚀与电解组合加工方法 - Google Patents

Abstract

一种雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是：整个加工过程分两个步骤进行，第一是电火花放电诱导烧蚀加工，工作介质采用工作液与可助燃气体形成的雾化介质喷入加工区域，在电火花脉冲电源作用下，进行持续的烧蚀加工，该阶段实现工件材料的大量蚀除。第二是电解加工，首先停止气体供给，接着电解液替代烧蚀加工时的雾化介质，内冲液和外冲液同时进行，最后使用电解修整电源进行电解加工，该阶段对烧蚀加工表面进行修整。本发明不仅提高了材料蚀除效率，是常规电火花加工的数倍、甚至数十倍，同时极大地改善了加工质量和精度，可加工出无变质层的优质表面，广泛适用于导电材料的铣削、深型盲孔的加工。

Description

雾化烧蚀与电解组合加工方法

技术领域

本发明涉及一种金属材料的雾化烧蚀与电解组合加工方法，具体来说将雾化烧蚀加工与电解加工在同一工位、同一电极下顺序进行，加工效率方面是电火花加工的数倍甚至数十倍，表面质量方面较电火花加工或者电火花-电解复合加工可实现无表面变质层的优势，其属于高效电加工技术，特种加工新领域。

背景技术

随着世界范围内航空航天工业、医疗器械、汽车工业以及核工业的快速发展，难切削加工材料得到快速应用，但其加工效率低甚至不能加工已成为制造业难题。由于难切削加工材料具有高硬度、高强度、高塑性和高韧性、低塑性和高脆性、低导热性等特性，使得对其进行切削加工非常困难。电火花加工技术是制造复杂几何形状或常规机械难加工材料的合适手段，其被广泛应用于航天、军工、汽车、仪表仪器、医疗器械和微机械等制造领域。然而，电火花加工的能量来源于脉冲放电，用于蚀除材料的能量受到脉冲电源能量输出、工件加工表面质量和精度、电极损耗等因素的制约，与传统机械加工相比，其加工效率很低。

放电诱导雾化烧蚀加工，即向加工区域通入“水基-氧气”雾化介质，在电火花放电诱导作用下活化金属发生燃烧反应，利用金属燃烧释放的巨大化学能蚀除材料，大大提高了材料去除率，同时也非常适合难切削加工材料的加工需求。但由于加工能量大，导致加工面残留有较厚变质层，影响零件的表面质量。

电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一种特种加工方法。加工时，工件接直流电源的正极，工具接负极，两极之间保持较小的间隙。电解液从极间间隙中流过，使两极之间形成导电通路，并在电源电压下产生电流，从而形成电化学阳极溶解。该工艺加工范围广，不受材料的强度、硬度、韧性等机械、物理性能的限制，且加工表面质量好，不存在表面变质层和微裂纹等缺陷。但电解加工一般精度较低，设备庞大且成本较高。

电火花-电解复合加工技术是将电火花放电加工和电解加工的特性结合在同一过程中。加工时，在低电导率盐溶液中不仅可以发生电化学溶解作用，还可以发生电火花放电现象，该加工技术利用两种加工方法的各自优点，将二者有机地组合在一起，作用在同一个加工表面上，使其具备加工精度高，表面质量好，生产效率高等优点。

但电火花-电解复合加工过程中，电火花放电加工和电解加工同时进行，这样会使得电解加工不充分，加工后表面变质层并不能完全去除，这对于零件的使用和寿命仍会有较大影响。所以如何在保证加工效率的同时可以完全去除表面变质层成为了该技术需要解决的关键问题。

针对上述加工技术中存在的典型问题，如加工效率低、表面变质层无法完全去除。基于此有必要提出一种新的加工技术，不仅可以提高加工效率，最关键还可实现加工表面无变质层的目的，充分解决之前技术的不足。

发明内容

本发明是为解决难加工导电材料进行电火花加工时效率低下，表面质量较差，存在残余内应力和表面变质层等诸多缺陷的问题，发明了一种雾化烧蚀与电解组合加工方法，就是使烧蚀加工与电解加工在同一机床、同一工位、同一工具电极下顺序完成，烧蚀加工改变了传统电火花加工蚀除材料能量的来源，大大提高了加工效率，而电解加工使得电化学溶解作用更加充分，可保证加工表面无变质层，同时该加工技术简化了操作过程，避免二次装夹引起的加工误差。

本发明采用的技术方案是：一种雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特种在于两个加工方法的组合过程，分为以下步骤：第一是电火花放电诱导烧蚀加工。电源使用电火花脉冲电源，工作液与可助燃气体经过雾化装置形成均匀的雾化介质喷入加工区域，经过电火花放电诱导形成的活化金属基体与介质中的可助燃气体发生氧化燃烧反应，释放出大量的热量，其可实现高效地材料蚀除过程。第二是电解加工。在烧蚀加工的基础上，在同一工位、同一电极下完成，保证前后加工过程的一致性。电源使用电解修整电源，关闭氧气供给通道，工作液变换为电解液，外冲液和内冲液同时进行，工件和电极浸没在电解液中进行电解加工，通过移动电极对烧蚀加工表面进行修整，完全去除表面变质层、残余内应力等缺陷。

本发明的整个加工过程中是两种加工方法的组合过程，第一步进行雾化烧蚀加工，第二步进行电解加工，该加工方法综合了烧蚀加工高效和电解加工表面无变质层的特点。

所述的能与待加工工件基体金属材料发生燃烧放热反应的气体为氧气、氯气、氮气、乙炔、氟气中的一种或其组合。

所述的雾化介质中的工作液为自来水或者非可燃水溶性工作液。

所述的气体压力为0.01～9MPA，工作液压力为0.01～9MPA。

所述的雾化介质是具有压力的气体与具有压力的工作液在雾化装置内进行混合形成的直径为0.1-100μm的雾滴，它能保障雾滴进入放电间隙内部参与放电过程。

所述的电解加工过程中的电解液为NaCl、NaNO3、NaClO3等一种或几种的组合电解液。

所述的雾化烧蚀加工中气体从管状电极内部通入；电解加工中电解液从管状电极内部、从加工区域侧面喷入或者两者同时喷入加工区域。

在加工过程中所使用的工具电极材料为导电材料，它能做振动、旋转或成型运动，通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔加工工艺。

本发明具有如下有益效果：(1)本发明结合了烧蚀加工与电解加工的优势，将两种加工技术组合，在同一机床、同一电极、同一工位下顺序进行，避免了传统组合加工频繁更换电极和工位等过程，使得加工效率和加工质量大大提高。(2)组合加工中第一步进行的烧蚀加工改变了传统电火花加工依靠脉冲电源蚀除材料的特点，而是利用金属基体自身的氧化燃烧反应释放的热量，使得加工效率大大提高，是电火花加工的数十倍以上。(3)组合加工中第二步进行的电解加工起到了修整加工表面的作用，较复合加工中的电解修整反应更加充分，可使得修整后的表面质量明显提高，完全发挥了电解加工的特性，实现无变质层的优质表面。(4)该加工方法不受加工方式的限制，可通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔等多种加工工艺。

本发明较常规电火花加工，因改变了蚀除材料能量的主要来源，加工效率大大提高；较电火花-电解复合加工，因将烧蚀加工与电解加工顺序进行，电化学溶解作用更加充分，可实现无表面变质层的优质表面。

本发明仍然属于无接触加工范畴，属于特种加工，在加工过程中无宏观切削力，特别适合加工去除量大、薄壁、钛合金、高温合金等高性能难加工材料构件的加工制造。

附图说明

图1是雾化烧蚀-电解组合加工原理示意图

图2是雾化烧蚀-电解组合加工雾化烧蚀过程示意图

图3是雾化烧蚀-电解组合加工电解过程示意图

图2(a)是组合是加工第一步雾化烧蚀加工中的电火花放电引燃阶段；图2(b)是组合加工第一步雾化烧蚀加工中的氧化燃烧阶段；图3是组合加工第二步电解加工修整阶段

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。

如图1、2、3所示。

一种雾化烧蚀与电解组合加工方法，属于非接触式加工领域，其实质是两个加工方法的组合过程，在同一机床、同一工位和同一电极下先进行电火花放电诱导烧蚀加工，电源先切换到电火花脉冲电源，工作液与可助燃气体经过雾化装置形成均匀的雾化介质喷入加工区域，经过电火花放电诱导形成的活化金属基体与介质中的可助燃气体发生氧化燃烧反应，释放出大量的热量，其可实现高效地材料蚀除过程，在烧蚀加工的基础上，电源切换到电解修整电源，关闭氧气供给通道，工作液变换为电解液，外冲液和内冲液同时进行，工件和电极浸没在电解液中进行电解加工，通过移动电极对烧蚀加工表面进行修整，完全去除表面变质层、残余内应力等缺陷，该加工方法综合了烧蚀加工高效和电解加工表面无变质层的特点。所述的雾化介质为工作压力为0.01～9MPA的气体与工作压力为0.01～9MP的工作液在雾化装置中进行混合，形成直径为0.1-100μm的雾滴，以保障雾滴进入放电间隙内部参与放电过程。雾化介质中的气体从管状电极内部通入，电解加工中电解液从管状电极内部、从加工区域侧面喷入或者两者同时喷入加工区域。所述的能与待加工工件基体金属材料发生燃烧放热反应的气体为氧气、氯气、氮气、乙炔、氟气中的一种或其组合，雾化烧蚀中的工作液为自来水或者非可燃水溶性工作液，电解加工过程中的电解液为NaCl、NaNO3、NaClO3等一种或几种的组合电解液，在加工过程中使用的工具电极材料为导电材料，它能做振动、旋转或成型运动，通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔加工工艺。

构建试验加工系统。电源采用可调式电源，可切换为电火花脉冲电源和电解修整电源，电极与雾化装置连接，可旋转也可不旋转，同时与脉冲电源负极相连，工件接脉冲电源正极，先进行雾化烧蚀加工时，可燃性气体与工作液形成雾化介质，电解加工时，电解液通过内外冲液喷入加工区域，试验加工系统如图1所示。

本发明是雾化烧蚀加工与电解加工的组合技术，使两种加工技术在不同工序下顺序进行，充分发挥两种加工技术的优势，而且这两种加工技术是在同一机床、同一工位和同一电极下进行，避免了繁琐的更换过程，具体的加工过程如下：

第一步，雾化烧蚀加工。该加工中主要分为两个阶段：

1、电火花放电活化阶段。电源模式使用电火花脉冲电源，可燃性气体与工作液在雾化装置中形成雾化介质喷入加工区域，当脉冲电源施加在两极间，气雾介质被击穿，发生电火花放电现象，其不仅蚀除了部分工件材料，还在放电通道的作用下形成了高温活化区，如图2(a)所示。

2、活化金属基体氧化燃烧阶段。上一阶段形成的高温活化区与雾化介质中的可燃性气体发生剧烈的氧化燃烧反应，释放出大量的热量，这些能量是蚀除工件材料的主要来源，同时还作用于周边的金属基体材料，将其加热到燃点以上，扩展了高温活化区域，使成倍于已燃烧金属材料体积的基体材料加热至熔融状态，而氧化燃烧产物和熔融金属在放电爆炸力、放电通道压力、介质流冲刷作用下被排除加工区域，如图2(b)所示。此阶段为组合加工中蚀除材料的主要过程，而且该蚀除能量剧烈，加工效率大大提高，是传统电火花加工技术的数十倍。

第二步，电解加工。电源切换到电解修整电源，气体供给关闭，工作液换成电解液，外冲液与内冲液同时进行，电极工件和电极浸没在电解液中，在电解修整电源作用下，阳极发生溶解，通过移动电极对烧蚀加工表面进行修整，直到完全消除表面变质层，如图3所示。该加工过程主要起修整表面的作用，相较电火花-电解复合加工电解反应更加充分，使得表面质量大大提高。

本发明较常规电火花加工，因改变了蚀除材料能量的主要来源，加工效率大大提高；较电火花-电解复合加工，因将烧蚀加工与电解加工在不同工序下顺序进行，电化学溶解作用更加充分，可实现无表面变质层的优质表面。

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作出若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。并且本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (9)

1.一种雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特种在于两个加工方法的组合过程，分为以下步骤：第一是电火花放电诱导烧蚀加工，电源使用电火花脉冲电源，工作液与可助燃气体经过雾化装置形成均匀的雾化介质喷入加工区域，经过电火花放电诱导形成的活化金属基体与介质中的可助燃气体发生氧化燃烧反应，释放出大量的热量，其可实现高效地材料蚀除过程；

第二是电解加工，在烧蚀加工的基础上，在同一工位、同一电极下完成，保证前后加工过程的一致性，电源使用电解修整电源，关闭氧气供给通道，工作液变换为电解液，外冲液和内冲液同时进行，工件和电极浸没在电解液中进行电解加工，通过移动电极对烧蚀加工表面进行修整，完全去除表面变质层、残余内应力等缺陷。

2.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是整个加工过程中是两种加工方法的组合过程，第一步进行雾化烧蚀加工，第二步进行电解加工，该加工方法综合了烧蚀加工高效和电解加工表面无变质层的特点。

3.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是所述的能与待加工工件基体金属材料发生燃烧放热反应的气体为氧气、氯气、氮气、乙炔、氟气中的一种或其组合。

4.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是所述的雾化介质中的工作液为自来水或者非可燃水溶性工作液。

5.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是所述的气体压力为0.01～9MPA，工作液压力为0.01～9MPA。

6.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是所述的雾化介质是具有压力的气体与具有压力的工作液在雾化装置内进行混合形成的直径为0.1-100μm的雾滴，它能保障雾滴进入放电间隙内部参与放电过程。

7.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是所述的电解加工过程中的电解液为NaCl、NaNO3、NaClO3等一种或几种的组合电解液。

8.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是所述的雾化烧蚀加工中气体从管状电极内部通入；电解加工中电解液从管状电极内部、从加工区域侧面喷入或者两者同时喷入加工区域。

9.根据权利要求1所述的雾化烧蚀与电解组合加工方法，其特征是在加工过程中所使用的工具电极材料为导电材料，它能做振动、旋转或成型运动，通过改变工具电极与工件的安装位置，使其适合铣削、深型盲孔加工工艺。

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