CN1730217A - 雾中电火花铣削加工方法 - Google Patents

Abstract

一种雾中电火花铣削加工方法，属于特种加工技术领域。本发明在进行电火花铣削加工时，在工件电极和工具电极之间使用雾作为电介质来进行放电加工，从而使放电间隙大于气中加工和液中加工，使电介质容易击穿形成放电通道，并减少液体的使用量，实现绿色加工，同时在加工中，工具电极可以旋转以加速放电通道的消电离及促进加工产物的排出，提高加工的稳定性和效率。本发明具有较高的加工速度和良好的表面质量，又能够控制对环境的污染，符合绿色制造的要求。

Description

雾中电火花铣削加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种特种加工技术领域的方法，具体地说，是一种雾中电火花铣削加工方法。

背景技术

电火花加工是一种采用热及化学等效应蚀除工件材料的加工方法，具有不受工件材料强度、硬度等机械性能的限制及无宏观切削力的优点，特别适合难加工材料及复杂形状零件的加工，在航空、航天、汽车、电子、模具、轻工等行业有较广泛的应用。具有复杂型面的工件通常采用成形电极进行加工，现有的电火花加工方法分为使用液体电介质和气体电介质两种，它们分别有如下不足：1、使用液态电介质：如液体电介质不经处理而排放会严重地污染环境：污染土地、水源和空气，影响动植物生长，破坏生态环境，因此需要额外的费用进行无害化处理；液体电介质的供给和管理费用较高，大大增加了生产成本；放电加工中油基工作液会分解产生废气并存在火灾隐患。2、使用气体电介质：加工效率很低，使用空气为电介质时的加工效率只有工作液中的1/6；短路率比液中放电的高许多，需要有高精度的工具电极进给伺服系统和电源系统，增加了设备的成本，降低了市场竞争力；气体对于电极和工件的冷却效果远不如液体，因此很难采用较高的峰值电流以提高加工效率；放电过程中产生的熔融金属在飞溅过程中不易及时冷却固化，有一部分会粘结在工件表面影响加工质量。综上所述，在电火花加工过程中，如何在保证电火花加工的效率和质量、降低制造成本的同时减少对工作液的依赖，充分发挥电火花加工的特长并控制对环境的污染以顺应绿色制造的潮流，是当前迫切需要解决的问题。

经对现有技术的文献检索发现，赵万生在《先进电火花加工技术》(2003.10)，在第2页中提到液中电火花加工，在第235页中提到气中(空气及氧气)电火花加工。液中放电加工的不足之处是：使用电介质溶液作为放电加工的介质，使用过的溶液会污染环境，且机床需要专门配置溶液的过滤装置，成本较高；采用煤油作为放电加工的介质时，存在火灾隐患；液中放电加工时，由于周围液体对放电通道的压缩作用，使得电蚀坑深，表面粗糙度较差且白层较厚，不利于获得高质量的加工表面。气中放电加工的不足之处是：气中加工时的放电击穿电压高于雾中加工，因此需要维持较小的放电加工间隙，容易引起短路，对控制系统的精度要求很高，增加了设备的成本；气中加工的材料蚀除率很低，为了提高蚀除率，通常需要使用纯氧，因此成本较高；气中加工时通道冷却较慢，不利于等离子体消电离和加工效率的提高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种雾中电火花铣削加工方法，使其具有较高的加工速度和良好的表面质量，又能够控制对环境的污染。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明在进行电火花铣削加工时，在工件电极和工具电极之间使用雾作为电介质来进行放电加工，从而使放电间隙大于气中加工和液中加工，使电介质容易击穿形成放电通道，并减少液体的使用量，实现绿色加工，同时在加工中，工具电极可以旋转以加速放电通道的消电离及促进加工产物的排出，提高加工的稳定性和效率。

本发明包括以下三个步骤：雾介质产生、工具电极喷雾及铣削加工。

1.雾介质产生

采用雾气发生装置将电介质液体和气体混合，得到雾介质，作为电火花加工的工作介质。雾介质为气液两相流，其中气相为连续相而液相为分散相。上述液体压强范围为0.1MPa-6MPa，气体压强为0.1MPa-8MPa，得到雾介质的雾滴直径小于放电加工间隙，具体范围为0.5-200μm。

2.工具电极喷雾

工具电极采用中空式电极，一端开口喷出雾介质并进行放电加工，另一端作为雾介质的入口。上述工具电极为外径小于等于50mm，材料为石墨及金属。工具电极距离工件的放电加工间隙小于等于1mm，距离最小处与工件分离。工具电极可以做旋转运动，以提高消电离的程度，工具电极亦可固定无旋转式加工。

3.铣削加工

工具电极在工件表面做逐层扫描运动，进行三维铣削加工以去除工件材料，最终得到需要的工件尺寸和表面。采用铣削加工的方式，不会由于加工深度的增加而阻止雾从工具电极与工件之间的加工间隙中排出，从而保证良好的加工状态。在加工过程中，工具电极进行旋转以促进放电通道的消电离及排出加工产物，工具电极亦可固定无旋转式加工。上述铣削电火花加工的放电参数如下：脉宽在100微秒至1秒之间，开路电压在20V至500V之间，电流在500mA至100A之间。工具电极旋转时，转速为每分种100转以上。

本发明根据传统电介质理论，气中混入液滴后会引起电场畸变。设两极间为均匀电场E₀，采用高斯定律可估算出液滴表面电场强度最大处的E_max约为3E₀(空气和水的介电系数分别取1和80)。可见雾中电火花放电的击穿电压降低为纯气体击穿电压的1/3左右，雾中放电间隙比气中放电间隙要大的多，也意味着可以采用较大的加工间隙加工以获得更稳定的放电；雾中电火花加工中液滴受放电等离子体加热气化过程类似于爆炸，产生强大冲击力作用到工具电极表面促进了熔池中金属的抛出，因此可采用大于气中的加工间隙以避免短路频发；液体的气化热要远远高于其同组分气体的比热，在放电结束后介质中的液滴受热气化吸热可使原放电通道迅速降温而恢复绝缘状态，从而有利于采用更大的放电能量和更大脉宽/脉间比及更小的脉间以提高材料去除率；雾滴从加工电极中喷出，有利于金属电极的冷却，减少工具电极的蚀除量；且雾中的水滴不连续，不会出现水基工作液中加工时的阳极腐蚀现象，从而可获得相对低的工具电极损耗；由于等离子体周围没有液体的压缩作用，因此放电通道直径会扩张变大，同时液滴的气化也会进一步扩张放电通道，降低作用在工件表面的能量密度，使电蚀坑直径大而浅，有利于精加工时改善表面质量，加上液滴气化吸热的快速冷却效果，工件上白层将较有可能变薄且均匀，表面内应力较少，有较高的表面质量。

本发明采用雾中放电间隙，比气中放电间隙要大的多，也意味着可以采用较大的加工间隙加工以获得更稳定的放电；放电过程中，液滴的气化会引起等离子体波动，起到强化磁流体振荡的效果，从而促进电极熔池中金属的排出，提高加工效率；液体的气化热要远远高于其同组分气体的比热，有利于采用更大的放电能量和更大脉宽/脉间比及更小的脉间以提高材料去除率；雾滴从加工电极中喷出，有利于金属电极的冷却，减少工具电极的蚀除量；工具电极在加工时可以旋转以促进放电通道的消电离以及电蚀产物的排出，可以有效减少脉间；采用喷雾方式加工而不用工作液，减少了与工作液相关的处理装置，大大节省了投资费用，并且减少了和操作者健康的影响和环境污染。

具体实施方式

实施例1

1.雾介质产生

采用超声雾气发生装置将电介质液体和气体混合，得到雾介质。雾介质为气液两相流，其中气相为连续相而液相为分散相。上述液体压强为0.1MPa，气体压强为0.1MPa，得到雾介质的雾滴直径小于放电加工间隙，具体值为0.5μm量级。

2.工具电极喷雾

工具电极采用中空式电极，一端开口喷出雾介质并进行放电加工，另一端作为雾介质的入口。上述工具电极为外径10mm，内径6mm，材料为紫铜。工具电极距离工件的放电加工间隙小于100μm。

3.铣削加工

工具电极在机床数控系统控制下，由执行机构带动进行逐层铣削电火花加工而去除工件材料，最终得到需要的工件尺寸和表面。在加工过程中，工具电极进行旋转以促进放电通道的消电离及排出加工产物。上述铣削电火花加工的放电参数如下：脉宽100微秒，脉间20微秒，开路电压20V，电流500mA。工具电极旋转时，转速为每分钟100转。

实施效果：放电通道电压波形比液中及气中加工时更稳定，极少发生短路现象，获得表面粗糙度值小于R_a1.6，优于同等参数下的液中及气中加工的表面质量。

实施例2

1.雾介质产生

采用雾气发生装置将电介质液体和气体混合，得到雾介质。雾介质为气液两相流，其中气相为连续相而液相为分散相。上述液体压强为0.2MPa，气体压强为0.4MPa，得到雾介质的雾滴直径小于放电加工间隙，具体范围为20-60μm。

2.工具电极喷雾

工具电极采用中空式电极，一端开口喷出雾介质并进行放电加工，另一端作为雾介质的入口。上述工具电极为外径10mm，内径6mm，材料为紫铜。工具电极距离工件的放电加工间隙为100μm~200μm。

3.铣削加工

工具电极在机床数控系统控制下，由执行机构带动进行逐层铣削电火花加工而去除工件材料，最终得到需要的工件尺寸和表面。在加工过程中，工具电极进行旋转以促进放电通道的消电离及排出加工产物。上述铣削电火花加工的放电参数如下：脉宽50微秒，脉间50微秒，开路电压100V，电流10A。工具电极旋转时，转速为每分钟2000转。

实施效果：放电通道电压波形稳定，短路现象很少发生，获得表面粗糙度为R_a1.6~Ra3.2之间，表面质量优于同等参数下的液中加工及气中加工。

实施例3

1.雾介质产生

采用雾气发生装置将电介质液体和气体混合，得到雾介质。雾介质为气液两相流，其中气相为连续相而液相为分散相。上述液体压强为6MPa，气体压强为8MPa，得到雾介质的雾滴直径小于放电加工间隙，具体值为200μm量级。

2.工具电极喷雾

工具电极采用中空式电极，一端开口喷出雾介质并进行放电加工，另一端作为雾介质的入口。上述工具电极为外径10mm，内径6mm，材料为紫铜。工具电极距离工件的放电加工间隙为100μm。

3.铣削加工

工具电极在机床数控系统控制下，由执行机构带动进行逐层铣削电火花加工而去除工件材料，最终得到需要的工件尺寸和表面。在加工过程中，工具电极进行旋转以促进放电通道的消电离及排出加工产物。上述铣削电火花加工的放电参数如下：脉宽1秒，脉间50微秒，开路电压500V，电流100A。工具电极旋转时，转速为每分钟5000转。

实施效果：放电通道电压波形稳定，短路现象很少发生，获得表面粗糙度为Ra12.5，表面质量与同等参数下的液中及气中加工相近。

Claims (8)

1.一种雾中电火花铣削加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)雾介质产生：采用雾气发生装置将电介质液体和气体混合，得到雾介质，作为电火花加工的工作介质，雾介质为气液两相流，其中气相为连续相而液相为分散相，雾介质的雾滴直径小于放电加工间隙；

(2)工具电极喷雾：工具电极采用中空式电极，一端开口喷出雾介质并进行放电加工，另一端作为雾介质的入口，工具电极距离工件的放电加工间隙小于等于1mm，距离最小处与工件分离；

(3)铣削加工：工具电极在工件表面做逐层扫描运动，进行三维铣削加工以去除工件材料，最终得到需要的工件尺寸和表面，铣削加工的脉宽在100微秒至1秒之间。

2.根据权利要求1所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的雾介质，其雾滴直径为0.5-200μm。

3.根据权利要求1或2所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的雾介质，其液体压强为0.1MPa-6Mpa。

4.根据权利要求1或2所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的雾介质，其气体压强为0.1mpa-8Mpa。

5.根据权利要求1所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的工具电极，其外径小于等于50mm，材料为石墨及金属。

6.根据权利要求1所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的铣削加工，其开路电压在20V至500V之间。

7.根据权利要求1或6所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的铣削加工，其电流在500mA至100A之间。

8.根据权利要求1所述的雾中电火花铣削加工方法，其特征是，所述的步骤(2)或步骤(3)，工具电极做旋转运动，转速为每分种100转以上。