高速電弧放電加工技術基礎研究

研究工作針對電弧放電加工的高效材料去除機理和利用高速電弧放電實現(xiàn)航空航天難切削材料的高效加工等科學問題及相關工程應用問題而開展了全面、系統(tǒng)的研究并取得了顯著的成果。在機理方面，首先驗證了流體動力斷弧機制的存在及其在高速電弧放電加工中的重要作用，觀測和分析電弧放電通道在流體動力斷弧機制下形態(tài)變化的過程和放電加工蝕除顆粒從熔池內排出的過程，并測量和分析了出電弧放電通道的溫度特征并采用雙線法對放電通道溫度進行了測量。推導出放電通道在擊穿放電之后的擴張階段的半徑表達式，發(fā)現(xiàn)放電通道擴張階段的傳熱時間累積效應。建立了考慮時間累積效應的熱分析模型和高速電弧放電加工的“先擴張后偏移”材料蝕除模型，擬合了流體動力斷弧機制下尾狀放電痕的形成，并且從能量利用效率的觀點解釋了高速電弧放電加工能夠獲得較大的材料去除效率的原因。 在機理研究成果的基礎上，針對航空航天典型難切削材料，特別是高溫合金、鈦合金和碳化硅鋁基復合材料等進行了系統(tǒng)的電弧放電加工工藝特性研究，并研究了極性效應對加工性能的影響。加工效率較傳統(tǒng)電火花加工提高了20-30倍，加工高溫合金的效率較傳統(tǒng)銑削加工提高1倍以上，而加工表面的熱損傷與傳統(tǒng)電火花加工接近，對后續(xù)精加工不產生不良影響。對于開敞型腔及葉盤類零件的加工需求和高速電弧放電加工的特點，提出了高速電弧放電側銑加工工藝。針對復雜形狀的閉式渦輪葉盤的高效加工需求，結合高速電弧放電加工，提出了新型的疊片電極形式，并進行了理論及實驗研究，實現(xiàn)了閉式形狀的沉入式高效BEAM加工。為解決高速電弧放電加工效率高，但加工精度有限的問題，提出了高速電弧放電加工表面質量改進的組合加工方法，使其具有高效、低成本和較好表面質量的特點。實現(xiàn)了多件航空航天應用背景樣件的加工，為高速電弧放電加工技術邁向工業(yè)應用奠定了基礎。

高溫合金等難切削材料的高效加工難題已成為長期制約我國航空發(fā)動機研制與生產的重大瓶頸。本項目提出一種源頭創(chuàng)新的高速電弧放電加工方法。通過利用大電流電弧放電提供能量密度很高的特種能場，采用水基工作液介質，施加高速多孔內沖液，形成獨特的流體動力斷弧作用，成功地實現(xiàn)了高溫合金等難切削材料的高效加工。本項目將針對這一新技術的未知機理、科學問題以及加工特性等開展系統(tǒng)深入的基礎研究，以期對這一新技術獲得系統(tǒng)、科學的認知，為形成高速電弧放電加工技術體系提供理論依據(jù)。采取觀測、實驗及數(shù)值模擬等方法重點研究：1)高速電弧放電加工中等離子體弧柱形成與演變過程；2)等離子弧柱對陽極高效蝕除但對陰極蝕除很少的極性效應機理；3)各核心技術要素對高速電弧放電加工工藝性能的影響規(guī)律；4)典型高溫合金復雜曲面零件的加工適用性驗證。所獲得的研究成果將有助于我國在這一新的學術方向及其產業(yè)應用方面爭取先發(fā)優(yōu)勢。

放電加工的優(yōu)點：

1.可以制造傳統(tǒng)切削加工機所無法生產的奇形異面。

2.加工堅硬的材料也可以有好的公差精度。

3.傳統(tǒng)加工機的切削力可能會損壞小型的工件，但放電加工沒有此情形。

放電加工的缺點：

1.不能加工非導體（已經有技術可以加工陶瓷材料）。

2.加工速度緩慢。

3.加工成本高。 2100433B

利用浸在工作液中的兩極間脈沖放電時產生的電蝕作用蝕除導電材料的特殊加工方法。我們都有這樣的生活經驗，電器開關在經過一段時間的使用之后，往往會出現(xiàn)觸點部分的表面被電火花電蝕得粗糙不平的現(xiàn)象，這就是電火花電蝕現(xiàn)象。電火花加工就是利用這一原理，具體如圖《電火花加工原理示意圖》所示，在一定介質中，通過工具電極和工件電極之間的脈沖放電的電蝕作用，對工件進行加工的方法。實現(xiàn)這一加工的基本方式是這樣的： 把工具電極和工件全部浸在工作介質 (電解液) 中，在兩極間產生多次火花放電，有意識地控制工件的蝕除量，最后就可使工件達到一定的尺寸和粗糙度要求。

電火花電蝕原理用于金屬加工還必須具備以下幾個條件：火花放電能量必須很大，才能保證在瞬間使金屬產生局部的熔化和氣化; 放電形式應是時間極短的脈沖放電，使火花放電熱量來不及傳到非加工區(qū)，以防產生“燒糊”現(xiàn)象; 每次脈沖放電后，必須能及時把在電極間隙之間產生的金屬微粒和電離物排出間隙，以保證加工的持續(xù)進行。

由于放電加工時放電能量很高，所以能加工一般切削加工方法無法加工的材料，如淬火鋼、耐熱合金、硬質合金等。同時，在加工各種復雜的型腔、沖模和孔的領域中，得到了廣泛的應用。由于在電火花加工過程中，工具電極和工件無直接接觸，切削力很小，這就對加工那些易變形的工件和小而精密的孔、窄縫等十分有效。電火花加工工藝已經在工業(yè)各部門中得到了廣泛的應用，是一種很有發(fā)展前途的加工方法。

在加工領域中，尤其是在精密加工中，放電加工已得到廣泛的應用。放電加工的范圍如下：

1. 凡是導電性的材料，都可進行放電加工

2. 放電加工最高精度可達 /—0.005mm面粗度最高可達鏡面極

3. 傳統(tǒng)加工所不能加工的工位，一般都可用放電加工來完成

4. 放電工位可以是各種大型塑模的型腔，也可以是0.1MM寬度的小孔，小槽等。