CN102091839A - 集束电极高速放电加工方法 - Google Patents

Abstract

一种电弧放电加工技术领域的集束电极高速放电加工方法，将集束电极与机床的主轴固定连接，集束电极端面正对置于机床工作台上的待处理工件，该工件可以浸没于水基工作液供液系统提供的水基工作液中，然后将水基工作液供给系统与集束电极和机床工作液槽组成流体回路，并将放电电源、集束电极、极间被击穿的水基工作液及待处理工件组成电流回路，通过水基工作液供给系统循环集束电极和待处理工件之间的水基工作液，集束电极连接放电电源的负极，待处理工件连接放电电源的正极，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，形成短电弧放电，从而实现高速放电加工。本发明利用集束电极实现强化高压、大流量多孔内冲液，运用流体动力断弧机制来保证短电弧放电加工，可简单、方便、经济地实现集束电极高速放电加工的工艺方法，特别是曲面、型腔加工。

Description

集束电极高速放电加工方法

技术领域

本发明涉及的是一种采用流体动力断弧机制实现短电弧放电并以材料去除为目的的技术领域的加工方法，具体是一种集束电极高速放电加工方法。

背景技术

实现高硬度、高韧性、高强度及高脆性材料的高速、高效加工一直是材料加工领域的努力目标。放电加工具有宏观作用力小，非接触加工等优点，加工过程不受材料机械性能的影响，从而为难切削材料的加工提供一种有效方法。电火花加工是一种通过极间火花放电来实现材料热蚀除的放电加工方法。由火花放电本质的决定，难以采用过高放电能量来实现高效加工。与火花放电不同，电弧放电作为另一种放电形式，可以传导高达上万安培的放电电流，从而拥有更高效的材料去除潜能。受电火花加工的启发，并且随着人们对电弧放电特性的掌控，短电弧放电逐渐被材料加工领域所利用，并结合其他技术形成了多种具有高效加工能力的加工方法。

在电弧放电加工中如果不能及时终止放电过程即断弧，则会形成持续的稳态电弧放电，导致以材料蚀除为目的的加工过程转变成为烧伤材料加热过程。因此，采用短电弧进行高效放电加工的关键是有效的断弧机制。经过对现有技术的检索发现，当前短电弧放电加工所采用的断弧机制均为通过电极相对于工件表面的机械滑移运动来实现的。

经过对现有技术的检索发现，中国专利文献号CN 87106421A中公开了短电弧放电和机械磨削相结合的加工方法及设备，并在中国专利文献号CN 1061175A中进一步公开了短电弧电加工设备，上述技术涉及的是一种称为“电熔爆加工”的工艺方法，即采用圆盘工具电极旋转运动和短电弧放电相结合实现金属熔融去除的联合加工方法。加工过程中通过圆盘工具电极的旋转，实现工具与工件之间的相对运动，从而对放电电弧进行强制机械断弧，实现高效放电加工。由其原理决定，该方法主要适用于轧辊、磨辊等外圆类零件的粗加工及开槽等。

此外，中国专利文献号CN 1693024A中公开的分布式电弧电蚀加工方法，以及中国专利文献号CN1397399A中公开的采用简单中空长电极进行高效放电铣削加工的方法，均涉及了一种内冲液或外冲液管状电极多轴运动和短电弧放电相结合的联合加工方法。该方法也是基于电极与工件间的相对运动进行放电电弧的强制机械断弧来实现加工的。采用该类方法时，工件的成形加工过程类似于电火花放电铣削加工，采用简单电极通过放电逐层蚀除工件材料来获取三维形状的加工，此类方式适合于曲率变化不大的复杂曲面的加工。

然而，在上述技术中所公开的采用短电弧加工的方法中，均是采用工具电极与工件的相对运动来实现强制机械断弧的，使得这些利用短电弧放电的加工方法在一定程度上受到限制，如前一种方法主要适用于外圆加工。后两种方法要求机床具有三轴或以上的数控系统。

中国专利文献号CN 1657208A中记载了一种用于电火花加工的可实现大流量内冲液的集束电极。集束电极的有益效果在于，把整体式成形电极离散化为可由大量管状或棒状单元电极聚合而成，使得带有复杂轮廓、加工成本较高的成形电极的加工被简化为利用可大批量、低成本生产的简单管状或棒状单元电极的组合集束而成，因此大幅度降低电极成本，缩短制作时间。

然而，上述技术中将所述的集束电极定义为仅应用于普通电火花加工领域的成形电极，这大大束缚了集束电极的应用范围，本发明人通过实验发现：对集束电极施以足够的冲液能量以及足够的放电能量，可以在具有单轴数控系统的机床上实现不同于电火花放电的高速短电弧放电加工。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种“集束电极高速放电加工方法”，利用集束电极实现强化高压、大流量多孔内冲液，运用流体动力断弧机制来保证短电弧放电加工，可简单、方便、经济地实现集束电极高速放电加工的工艺方法，该方法尤其适合复杂曲面、型腔的高速加工。

本发明是通过以下技术方案实现的。本发明首先将集束电极与机床的主轴固定连接，集束电极加工端面正对置于机床工作台上的待处理工件，该工件可以浸没于水基工作液供液系统提供的水基工作液中，然后将水基工作液供给系统与机床工作液槽和集束电极组成流体回路，并将放电电源、集束电极、工件及极间被击穿的水基工作液组成电流回路，通过水基工作液供给系统循环集束电极和待处理工件之间的水基工作液，集束电极连接放电电源的负极，待处理工件连接放电电源的正极，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，形成短电弧放电，从而实现高速放电加工。

所述的放电电源是指：提供电压值为30V-60V，峰值电流为500A-10000A的直流电源；

所述的放电电源或者是指：提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-2000μs，峰值电压值范围为30V-60V，峰值电流为500A-10000A的脉冲电源，实现电气强制断弧。

所述的机床是指：至少具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床；

所述的水基工作液可为切削乳化液或电导率为125～1250μS/cm的自来水。

所述的循环是指：水基工作液泵驱动集束电极和待处理工件之间的水基工作液以1.0MPa及以上的压力、20L/min及以上的流量进行流动，实现流体动力断弧，从而保证以材料蚀除为目的而非材料加热烧伤的短电弧高速放电加工过程。

本发明的有益效果在于：利用短电弧进行材料蚀除，具有远高于电火花放电加工所能获得的材料去除能力；通过流体动力断弧机制实现短电弧加工，加工过程可以采用主轴下沉式加工，对机床的运动要求简单，这种简单的主轴下沉式加工对技术背景中所介绍的已公开的采用短电弧加工方法而言是无法实现的；加工适用范围广，不光可以通过简单下沉式加工实现型腔及曲面的加工，而且通过扩充机床运动功能，使集束电极与工件间进行相对运动，还可以在流体动力断弧机制与强制机械断弧机制共同作用下，达到具有更可靠加工性能的多轴联动短电弧高效放电加工过程，从而实现型腔及曲面的加工。

附图说明

图1为集束电极高速放电加工作业示意图。

图2为集束电极高速放电加工过程原理示意图。

图3为流体动力断弧过程电弧形态与放电电压、电流波形示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例应用环境包括：集束电极1、待处理工件2、机床3、水基工作液供给系统4、放电电源5，其中：集束电极1与机床3的主轴固定连接，集束电极1的加工端面正对置于机床3工作台上的待处理工件2，该工件可以浸没于水基工作液供液系统4提供的水基工作液中，水基工作液供给系统4与集束电极1和机床3工作液槽组成流体回路，放电电源5、集束电极1、极间被击穿的水基工作液及待处理工件2组成电流回路。

水基工作液中流体动力断弧机制下的放电蚀除过程原理图如图2所示，当极间施加电压后，首先会在电极间最高电场强度位置发生击穿放电(如(a)所示)，并迅速在集束电极1与待处理工件2之间形成处于动态平衡状态的放电弧柱A，从而实现工件材料的瞬时加热熔化及气泡爆炸蚀除，如(b)所示。在高速流动的水基工作液流体动力F作用下，放电弧柱A的动平衡被打破，并沿工作液流动方向偏移，进而形成被拉长的弧柱B，由于实际放电路径长度增加，弧柱阻抗增大，当弧柱因偏移而拉长到一定程度时，放电弧柱难以维持而被拉断形成C状态，使此次电弧放电终止同时工作液实现消电离，如图(c)所示，即实现了流体动力断弧，从而确保形成有很强材料去除能力的短电弧放电，而不是对工具和工件材料加热并烧伤的常规稳态电弧放电。与此同时，会在极间另一具有最高电场强度位置形成新的击穿，产生放电电弧弧柱，重复前一流体动力断弧过程。通过不断重复这一过程就形成了集束电极短电弧高速放电加工。

其中，流体动力断弧的A、B、C过程所对应的极间放电电压、电流波形如图3所示。随着放电弧柱被吹偏拉长而呈现B状态，极间放电维持电压也相应上升，与此相对应放电电流随之下降，当弧柱被吹断并呈现C状态时，放电电压恢复到开路电压，而放电电流降至零。

集束电极的多孔结构带来的强化高压、大流量内冲液还有以下三点对于高速放电加工而言不可缺少的效应：

其一，高效去除作用：由于高速流体可以将短电弧放电所熔化的待处理工件表面放电熔池中的液态及气态金属吹离工件表面，避免了大量熔融金属的再次凝固，进而提高材料去除率；

其二，高效排屑作用：由于高速流体可以带走高速放电所产生的金属碎屑，避免由于大量金属碎屑滞留于加工间隙造成频繁短路，确保加工持续稳定进行；

其三，高效散热作用：短电弧放电产生的大量热量可以被高速流动的水基工作液通过强化的对流换热带走，避免被处理工件的温升所引起的被加工表面退火等金相组织改变，以及热膨胀变形带来的尺寸精度下降等问题。

实施例1

利用仅具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床3，通过其主轴进给来维持集束电极1与待处理工件2之间合适的电弧放电间隙。集束电极1端面面积为500mm²，其材料为石墨，待处理工件2材料为钛合金(型号TC4)，利用峰值电压50V、峰值电流635A、脉冲宽度2000μs以及脉冲间隔200μs的电源参数进行短电弧加工，水基工作液为切削乳化液，冲液系统提供的工作液压力为1.5MPa流量为25L/min，在这些加工条件下通过简单的主轴下沉式加工可以获得的钛合金TC4的材料去除率高达6844mm³/min，这一加工速度远高于传统电火花放电加工可以达到的最大材料去除率(在峰值电流127A、脉冲宽度24μs、脉冲间隔100μs及冲液流量2.5L/min的加工条件下，已获得的集束电极电火花加工TC4最大材料去除率在150mm³/min以下)。

实施例2

变换工件材料，以充分验证集束电极高速放电加工对不同材料的普遍适用性，选择工件材料为高温合金(GH4169)，保持实施例1中其他加工条件不变，高温合金GH4169的材料去除率高达6350mm³/min。

实施例3

选择工件材料为碳素钢(S45C)，保持实施例1中其他加工条件不变，碳素钢S45C的材料去除率高达4320mm³/min。

实施例4

加工效率与放电电流近似成正比，但越高的放电电流需要辅以越大的冲液流量，通过将实施例1中峰值电流提高至1000A，同时辅以更大冲液流量35L/min，保持其他加工条件不变，钛合金TC4的材料去除率高达10530mm³/min。

实施例5

进一步提高实施例1中峰值电流至2000A，同时辅以更大冲液流量50L/min，保持其他加工条件不变，钛合金TC4的材料去除率高达19388mm³/min。

Claims (6)

1.一种集束电极高速放电加工方法，其特征在于，首先将集束电极与机床的主轴固定连接，集束电极端面正对置于机床工作台上的待处理工件，该工件可以浸没于水基工作液供液系统提供的水基工作液中，然后将水基工作液供给系统与集束电极和机床工作液槽组成流体回路，并将放电电源、集束电极、极间被击穿的水基工作液及待处理工件组成电流回路，通过水基工作液供给系统循环集束电极和待处理工件之间的水基工作液，集束电极连接放电电源的负极，待处理工件连接放电电源的正极，通过放电电源施加直流电流或脉冲电流，形成短电弧放电，从而实现高速放电加工。

2.根据权利要求1所述的集束电极高速放电加工方法，其特征是，所述的放电电源是指：电压值为30V-60V，峰值电流为500A-10000A的直流电源。

3.根据权利要求1所述的集束电极高速放电加工方法，其特征是，所述的放电电源或者是指：提供脉冲宽度与脉冲间隔范围分别为2μs-2000μs，峰值电压范围为30V-60V，峰值电流为500A-10000A的脉冲电源，实现电气强制断弧。

4.根据权利要求1所述的集束电极高速放电加工方法，其特征是，所述的机床是指：至少具有单个主轴自动伺服进给及回退功能的机床。

5.根据权利要求1所述的集束电极高速放电加工方法，其特征是，所述的水基工作液可为切削乳化液或电导率为125～1250μS/cm的自来水。

6.根据权利要求1所述的集束电极高速放电加工方法，其特征是，所述的循环是指：水基工作液泵驱动集束电极与待处理工件之间的水基工作液以1.0MPa及以上的压力、20L/min及以上的流量进行流动，实现流体动力断弧。

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