高速電弧放電加工技術(shù)基礎(chǔ)研究項(xiàng)目摘要

高溫合金等難切削材料的高效加工難題已成為長(zhǎng)期制約我國(guó)航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制與生產(chǎn)的重大瓶頸。本項(xiàng)目提出一種源頭創(chuàng)新的高速電弧放電加工方法。通過(guò)利用大電流電弧放電提供能量密度很高的特種能場(chǎng)，采用水基工作液介質(zhì)，施加高速多孔內(nèi)沖液，形成獨(dú)特的流體動(dòng)力斷弧作用，成功地實(shí)現(xiàn)了高溫合金等難切削材料的高效加工。本項(xiàng)目將針對(duì)這一新技術(shù)的未知機(jī)理、科學(xué)問(wèn)題以及加工特性等開(kāi)展系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究，以期對(duì)這一新技術(shù)獲得系統(tǒng)、科學(xué)的認(rèn)知，為形成高速電弧放電加工技術(shù)體系提供理論依據(jù)。采取觀測(cè)、實(shí)驗(yàn)及數(shù)值模擬等方法重點(diǎn)研究：1)高速電弧放電加工中等離子體弧柱形成與演變過(guò)程；2)等離子弧柱對(duì)陽(yáng)極高效蝕除但對(duì)陰極蝕除很少的極性效應(yīng)機(jī)理；3)各核心技術(shù)要素對(duì)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(fù)雜曲面零件的加工適用性驗(yàn)證。所獲得的研究成果將有助于我國(guó)在這一新的學(xué)術(shù)方向及其產(chǎn)業(yè)應(yīng)用方面爭(zhēng)取先發(fā)優(yōu)勢(shì)。

研究工作針對(duì)電弧放電加工的高效材料去除機(jī)理和利用高速電弧放電實(shí)現(xiàn)航空航天難切削材料的高效加工等科學(xué)問(wèn)題及相關(guān)工程應(yīng)用問(wèn)題而開(kāi)展了全面、系統(tǒng)的研究并取得了顯著的成果。在機(jī)理方面，首先驗(yàn)證了流體動(dòng)力斷弧機(jī)制的存在及其在高速電弧放電加工中的重要作用，觀測(cè)和分析電弧放電通道在流體動(dòng)力斷弧機(jī)制下形態(tài)變化的過(guò)程和放電加工蝕除顆粒從熔池內(nèi)排出的過(guò)程，并測(cè)量和分析了出電弧放電通道的溫度特征并采用雙線法對(duì)放電通道溫度進(jìn)行了測(cè)量。推導(dǎo)出放電通道在擊穿放電之后的擴(kuò)張階段的半徑表達(dá)式，發(fā)現(xiàn)放電通道擴(kuò)張階段的傳熱時(shí)間累積效應(yīng)。建立了考慮時(shí)間累積效應(yīng)的熱分析模型和高速電弧放電加工的“先擴(kuò)張后偏移”材料蝕除模型，擬合了流體動(dòng)力斷弧機(jī)制下尾狀放電痕的形成，并且從能量利用效率的觀點(diǎn)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(jī)理研究成果的基礎(chǔ)上，針對(duì)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(fù)合材料等進(jìn)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(yīng)對(duì)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(duì)后續(xù)精加工不產(chǎn)生不良影響。對(duì)于開(kāi)敞型腔及葉盤(pán)類(lèi)零件的加工需求和高速電弧放電加工的特點(diǎn)，提出了高速電弧放電側(cè)銑加工工藝。針對(duì)復(fù)雜形狀的閉式渦輪葉盤(pán)的高效加工需求，結(jié)合高速電弧放電加工，提出了新型的疊片電極形式，并進(jìn)行了理論及實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)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(wèn)題，提出了高速電弧放電加工表面質(zhì)量改進(jìn)的組合加工方法，使其具有高效、低成本和較好表面質(zhì)量的特點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)了多件航空航天應(yīng)用背景樣件的加工，為高速電弧放電加工技術(shù)邁向工業(yè)應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

放電加工的優(yōu)點(diǎn)：

1.可以制造傳統(tǒng)切削加工機(jī)所無(wú)法生產(chǎn)的奇形異面。

2.加工堅(jiān)硬的材料也可以有好的公差精度。

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

放電加工的缺點(diǎn)：

1.不能加工非導(dǎo)體（已經(jīng)有技術(shù)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(shí)產(chǎn)生的電蝕作用蝕除導(dǎo)電材料的特殊加工方法。我們都有這樣的生活經(jīng)驗(yàn)，電器開(kāi)關(guān)在經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，往往會(huì)出現(xiàn)觸點(diǎn)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(zhì)中，通過(guò)工具電極和工件電極之間的脈沖放電的電蝕作用，對(duì)工件進(jìn)行加工的方法。實(shí)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(zhì) (電解液) 中，在兩極間產(chǎn)生多次火花放電，有意識(shí)地控制工件的蝕除量，最后就可使工件達(dá)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(gè)條件：火花放電能量必須很大，才能保證在瞬間使金屬產(chǎn)生局部的熔化和氣化; 放電形式應(yīng)是時(shí)間極短的脈沖放電，使火花放電熱量來(lái)不及傳到非加工區(qū)，以防產(chǎn)生“燒糊”現(xiàn)象; 每次脈沖放電后，必須能及時(shí)把在電極間隙之間產(chǎn)生的金屬微粒和電離物排出間隙，以保證加工的持續(xù)進(jìn)行。

由于放電加工時(shí)放電能量很高，所以能加工一般切削加工方法無(wú)法加工的材料，如淬火鋼、耐熱合金、硬質(zhì)合金等。同時(shí)，在加工各種復(fù)雜的型腔、沖模和孔的領(lǐng)域中，得到了廣泛的應(yīng)用。由于在電火花加工過(guò)程中，工具電極和工件無(wú)直接接觸，切削力很小，這就對(duì)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(jīng)在工業(yè)各部門(mén)中得到了廣泛的應(yīng)用，是一種很有發(fā)展前途的加工方法。

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

1. 凡是導(dǎo)電性的材料，都可進(jìn)行放電加工

2. 放電加工最高精度可達(dá) /—0.005mm面粗度最高可達(dá)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(lái)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。