CN107649755A - 高速电弧放电磨削复合加工方法 - Google Patents

Abstract

一种高速电弧放电磨削复合加工方法，采用电极侧面能形成电弧放电，且电极底部有磨削层的工具电极，将高速电弧放电加工和磨削加工进行复合，本发明借助多种能场在一道工艺中实现材料的去除和光整的复合加工，既能实现难切削材料的高效、低成本加工，又能有效解决电弧放电加工中加工后表面质量差的问题。本发明在一台设备实现各种导电材料的高效、低成本、高精度加工。

Description

高速电弧放电磨削复合加工方法

技术领域

本发明涉及导电材料，特别是一种导电材料的高速电弧放电磨削复合加工方法。

背景技术

高速电弧放电加工是专门针对难切削材料的高效、低成本加工的迫切需求而提出的新加工方法。其原理是利用放电产生的电弧等离子体的高温将工件材料快速熔化甚至气化，并且配合工具电极和工件之间的高速流场将蚀除的材料快速冲出间隙，该种方法特别适用于具有一定导电性的难切削材料的加工。但是，由于电弧具有极高的能量密度，为了达到高效的目的，每个放电脉冲的能量也很大，这就造成了电弧放电加工后的工件表面蚀坑较大，形成粗糙的表面。而放电加工后的表面，经工作液冷却后，容易在表面形成重铸层使硬度上升，加上表面较为粗糙，可能会对后续的精加工带来负面影响，缩短刀具的使用寿命。而如果在加工过程中能同时采用电弧放电加工和磨削加工组合的加工方法，则不仅可以实现高效低成本的加工，同时也可以有效的解决电弧放电加工后表面粗糙等问题。具体来说，就是采用特殊设计的工具电极(侧面能形成放电，且底部有磨削层)，实现电弧放电加工和磨削加工同步进行；电极侧面与工件形成大能量的电弧放电热蚀除工件材料，去除绝大部分材料并形成较为粗糙的加工表面，以此同时通过应用电极底部的磨削层对电弧加工后的工件表面进行磨削加工，最终获得高质量表面。因此，通过高速电弧放电磨削复合加工方法，可以实现高速电弧放电磨削复合加工，实现在一台电弧放电加工机床上实现高效、低成本、精密加工的功能。

近年来，得益于电弧放电加工得到了快速发展，许多学者提出了各种基于电弧放电蚀除工件材料的新方法，并且这些方法都能有效的解决加工中面临的某些问题，但是同样这些方法也存在一些不足。上世纪，潍坊市坊子木工机械厂在专利CN87212711，苏州电加工机床研究所有限公司在专利CN201644967中分别公开了各自的阳极机械切割装置及部分结构。阳极机械切割机床一般有盘式和带式两种。将工件接直流电源的阳极，将切割电极接电源的负极，并在切割口处加喷导电电解液。在切割过程中，当工具与工件正面接触时，高速直接运动的工具(铁皮带)将工件上的阳极纯化膜划破剔除，形成回路，产生电火花和短电孤放电，瞬时局部高温达5000℃以上。但是，阳极机械切割技术的加工精度和表面粗糙度较差，工具电极易损耗，通常仅用于切割毛坯或下料。

叶良才在专利CN87106421A中公开了一种放电机械磨削联合加工方法及设备的新技术。该技术是被命名为电熔爆加工，是一种利用低电压、大电流实现电弧放电加工的方法。工作时，刀盘工具接电源负极，工件接电源正极，在极间会产生具有高能量密度的放电电弧，使加工件表面局部迅速熔化和气化并迅速***抛离。同时工具和工件做相对旋转运动以实现对放电电弧的强迫机械运动断弧，以达到高效、稳定的电弧放电加工。以此同时，经过对现有技术的检索发现，专利CN 1061175A中公开了一种与电熔爆类似的非接触强电加工技术，称为短电弧加工。

但是，由于电熔爆和短电弧在加工中应用数千安培的放电电流所产生的大量热量难以及时排出，容易造成电极、工件表面及机床部件温升过高，从而导致加工工件表面组织被损害。因此，该技术的加工工件表面质量低，不适宜于对工件表面要求高的场合。同时所采用的圆盘工具电极及其旋转运动使得该方法主要适用于轧辊、磨辊等外圆类零件的加工及简单的开槽加工等。

通用电气公司在专利CN 1693024A中公开的分布式电弧电蚀加工方法，其是一种利用中空管状电极端面与工件表面的相对运动，产生分布式放电电弧，利用分布式电弧进行加工。利用该方法进行逐层铣削来仿形加工曲面，能得到高效的材料去除率。在专利CN1397399A中，苏州中特机电科技有限公司公开了一种采用简单中空长电极的旋转进行高效铣削放电加工的方法，并对不同的长径比的中空长电极进行了实验比对。苏州中特机电科技有限公司还在专利CN 1597216A中，提到了采用中空长电极为主并辅以其它装置，在高速放电时能进行高效冷却和排屑。然而，以上专利都是典型的电弧放电加工方法，通过应用大能量密度的电弧等离子体可以实现和高速电弧放电加工类似的加工效果。但是，它们都只阐述了电弧放电加工工艺和方法，并未能对电弧加工后的加工表面进行更深层次的同步磨削加工处理，以进一步提高加工表面质量。

以此同时，经过对现有技术的检索发现，电解磨削复合加工是近年来应用比较广泛的一种放电复合加工方法。该技术是在传统磨削机床基础上增加电解加工电源，通过在磨轮和工件间加载加工电压，同时配合磨削层喷射的电解液，这样不仅可以通过磨轮磨削去除材料，也可以在磨轮和工件间形成电解加工去除材料。然而该技术主要是以磨轮磨削去除工件材料为主，电解加工辅助去除材料为辅，其加工后表面质量高，加工精度好。但是，加工效率较低，与传统磨削加工相比其加工效率提高不显著，远低于电弧放电加工效率，因此不适合难切削材料的高效、低成本和大余量去除加工。该技术同时应用磨削加工和电解加工，其加工效率都有限；然而本发明提出的方法是先采取电弧放电高效去除材料，而后在同一道工艺中采用磨削加工进一步改善加工表面质量，提高加工精度。

本发明中提及了高速电弧放电加工方法，该方法是由本课题组团队成员赵万生、顾琳等人在专利CN102091839A中公布的集束电极高速放电加工方法。该技术是基于专利CN1657208A中公开了一种集束电极，实现强化多孔内冲液的流体动力断弧机制的典型电弧放电加工方法。经过近年来的研究，该方法在难切削材料的高效、低成本和大余量去除方面已取得不错的效果，如加工镍基高温合金时的最大材料去除率可达16000mm³/min(采用600A电流)，在加工钛合金的最高效率可达21000mm³/min(采用600A电流)，在加工铝基碳化硅材料时的最大材料去除率也可达8000mm³/min(采用600A电流)，这些加工效率是传统机械切削加工方法的几倍甚至十几倍。但是，尽管高速电弧放电加工的效率高，其加工后的工件表面较为粗糙，从而影响加工表面质量和加工精度，制约了其进一步的应用和推广。因此，目前该方法主要应用于零件高效、大余量去除的粗加工中。

然而，为了在一台设备实现各种导电材料的高效、低成本、高精度加工，并且进一步扩展高速电弧放电加工的应用领域和范围，势必需要对现有的电弧放电加工方法进行优化和进一步扩展研究，解决其加工后表面质量差的问题。

发明内容

针对上述现有加工方法的不足，本发明提供一种高速电弧放电磨削复合加工方法，该方法通过采用电极侧面能形成放电，且电极底部有磨削层的工具电极，将高速电弧放电加工和磨削加工进行复合，既能实现难切削材料的高效、低成本加工，又能有效解决电弧放电加工中加工后表面质量差的问题。

本发明解决技术问题所采取的技术方案如下：

一种高速电弧放电磨削复合加工方法，其特点在于，该方法包括如下步骤：

1)将工件安装于机床工作台上，工具电极安装与机床主轴上，工具电极的安装轴线与机床主轴的轴线重合；工作介质容器中的工作介质通过工具电极上的冲液入口进入工具电极，经过工具电极内部通道经工具电极侧壁及底部出口到达加工区域，实现加工中的电极内冲液，最终经机床工作台回流至工作介质容器，形成工作介质回路；

2)将工件和工具电极分别接加工电源的两极，在电源作用下加工时工具电极的侧面与工件形成放电，所述的工具电极在机床主轴带动下进行旋转，同时沿工件表面的垂直方向进给至指定深度，沿工件表面切线方向进给运动，所述的工具电极的侧面始终与工件的表面保持一定间隙以实施放电和形成放电加工区域，同时工具电极的底面切入电弧放电加工后的工件表面一定深度以进一步实施磨削加工；

3)根据待加工的工件的形状和轮廓，所述的工具电极在机床主轴带动下沿机床X、Y或Z轴运动，同时工件安装在机床工作台上，工作台可沿机床A轴或B轴转动可实现工件的运动，工具电极和工件的联动实现工具电极沿工件表面切向运动；在完成一层加工后，工具电极沿轴向进给一个深度，开始新层加工，重复该过程直至完成加工。

所述的加工电源是峰值电流为1A～1000A、脉冲宽度为1μs～10ms、脉冲间隔为0～10ms的直流电源。

所述的工作介质是在工具电极和工件之间的以0.1MPa以上压力流动的工作介质，包括水基工作液、雾气或气体。

所述的工具电极旋转速度为100RPM～400,000RPM。

所述的工具电极沿轴线方向进给层深为0.1μm～3000μm。

所述的工具电极的底部端面有电极磨削层，它与电极固定连接，能够实现待磨削区域的磨削加工。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

本发明高速电弧放电磨削复合加工方法，并且解决了如下问题：

1)有效的将高速放电加工与磨削加工进行复合，实现在一台设备完成各种导电材料的高效、低成本、高精度加工；

2)本发明方法可以实现在电弧放电结束后的短期时间内就对放电形成的表面进行磨削加工；此时，由于电弧放电蚀除工件的过程刚刚结束，工件表面温度还保留着放电时的部分高温，从而工件表面得到了软化效果，易于磨削加工的进行。

3)本发明有效的改善了电弧放电加工表面质量，并且进一步扩展高速电弧放电加工的应用领域和范围。

附图说明

图1为本发明高速电弧放电磨削复合加工装置示意图；

图2为本发明高速电弧放电磨削复合加工方法原理图及其加工区域放大图；

图中：1：放电电源，2：机床本体，3：工件，4：工具电极，5：工作台，6：工作介质储存箱，7：加工区域，8：电极磨削层，9：等离子体，10：放电蚀坑，11：待磨削区域，12：工作介质。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，图1为本发明高速电弧放电磨削复合加工装置示意图，本发明高速电弧放电磨削复合加工方法，包括下列步骤：

1)将工件3安装于机床工作台5上，工具电极4安装在机床主轴上，工具电极的安装轴线与机床主轴的轴线重合；工作介质容器6中的工作介质通过工具电极4上的冲液入口进入工具电极，经过工具电极内部通道经工具电极侧壁及底部出口到达加工区域7，实现加工中的电极内冲液，最终经机床工作台5回流至工作介质容器6，形成工作介质回路；

2)将工件3和工具电极4分别接加工电源1的两极，通电加工时工具电极4的侧面与工件3形成放电，所述的工具电极4在机床主轴带动下进行旋转，同时沿工件3表面的垂直方向进给至指定深度，沿工件表面切线方向进给运动，所述的工具电极4的侧面始终与工件3的表面保持一定间隙以实施放电并形成放电加工区域，同时工具电极4的底面切入电弧放电加工后的工件表面一定深度以进一步实施磨削加工；

3)根据待加工的工件3的形状和轮廓，所述的工具电极4在机床主轴带动下沿机床X、Y或Z轴运动，同时工作台5可沿机床A轴或B轴转动可实现工件3的运动，工具电极4和工件3的联动实现工具电极沿工件表面切向运动；在完成一层加工后，工具电极4沿轴向进给一个深度，开始新层加工，重复该过程直至完成加工。

进一步地，所述的加工电源是指峰值电流为1A-1000A的直流电源，其脉冲宽度为1μs-10ms，脉冲间隔为0-10ms；所述的工作介质是指在工具电极和工件之间的以0.1MPa以上压力流动的工作介质，可以是水基工作液、雾气或气体；进一步地，所述的工具电极旋转速度为100RPM-400,000RPM；进一步地，所述的工具电极沿轴线方向进给层深为0.1μm-3000μm，工具电极4的底部端面有电极磨削层8，它与工具电极4固定连接，能够实现待磨削区域11的磨削加工。

进一步的结合附图2所示，本发明高速电弧放电磨削复合加工方法是通过采用特殊的工具电极4(电极侧面能形成放电，且电极底部有磨削层)，将高速电弧放电加工和磨削加工进行复合。该技术需要工具电极旋转，并且辅助加工区域高速冲液。该技术实施时，首先工具电极侧面与工件形成电弧放电，在放点区域内7电弧放电形成的高温等离子体9热蚀除工件3的材料，同时电弧放电加工后形成了较大的放电蚀坑10，其表面很粗糙需要进行进一步磨削光整，因此称为待磨削区域11；而后，工具电极4底部的磨削层8对电弧加工后待磨削区域11磨削加工，光整工件表面，实现高表面质量加工。在此加工过程中，工具电极4的外圆面与工件3之间发生电弧放电，并且工具旋转和内冲液综合作用使得电弧等离子体9滑移偏弧，在去除材料的同时避免了烧伤表面；电极磨削层8也有冲液效果能对加工表面进行高效冷却，避免表面升温过大而烧伤，并且可以有助于磨削蚀除的碎屑经过磨削层中的排屑槽排出加工区域。

最佳实施例

本发明高速电弧放电磨削复合加工方法，根据图1和图2描述：选择具有5轴联动的数控机床，选择不锈钢方料作为工件材料3，选用特制的工具电极4(电极侧面能形成放电，且电极底部有磨削层)，将工件3固定在机床工作台5和工具电极4连接到机床主轴上，并且工具电极以3000r/min的转速旋转。将工件3和工具电极4分别连接到放电电源1正、负两端，设定电源参数为：峰值电压90V，峰值电流500A，脉冲宽度5000μs以及脉冲间隔3000μs。选择工作液介质12为水基乳化液，工作液介质冲刷出口的压力为1.6MPa。在上述工艺条件下，进行高速电弧放电磨削复合加工。首先，将工具电极4移动到工件3轮廓外侧，靠近工件材料边缘，工具电极4下降到工件3上边面以下2mm位置。当工具电极4沿工件3表面切向进给时，工具电极4的侧面首先与工件3放电，电弧放电产生高温等离子体9将蚀除工件3材料，形成放电蚀坑10的表面，该表面较为粗糙，粗糙度Ra初步估计测量值高达16μm以上，由于这一粗糙的加工表面需要进一步进行磨削加工，因此在此发明中该表面区域称为待磨削区域11。而后，随着工具电极4的横向进给，工具电极4底部的磨削层8将运动到待磨削区域11，进行磨削加工，对加工表面进行光整，以提高表面质量。此方法在加工不锈钢材料时，前期实验结果初步显示：其加工效率可达2000mm³/min以上，且加工后表面粗糙度预计可达Ra3.2以下，相比于传统的电弧加工后的表面具有很大的提升。

Claims (5)

1.一种高速电弧放电磨削复合加工方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

1)将待加工的工件(3)安装于机床工作台(5)上，工具电极(4)安装与机床的主轴上，所述的工具电极(4)的安装轴线与机床主轴的轴线重合；工作介质容器(6)中的工作介质通过工具电极(4)上的冲液入口进入工具电极，经过工具电极的内部通道经工具电极的侧壁及底部出口到达加工区域(7)，实现加工中的电极内冲液，最终经机床工作台(5)回流至工作介质容器(6)，形成工作介质回路；

2)将工件(3)和工具电极(4)分别连接加工电源(1)的两极，通电后工具电极(4)的侧面与工件(3)形成放电，所述的工具电极(4)在机床主轴带动下进行旋转，同时沿工件(3)表面的垂直方向进给至指定深度，沿工件表面切线方向进给运动，所述的工具电极(4)的侧面始终与工件(3)的表面保持一定间隙以实施放电和形成放电加工区域(7)，同时工具电极(4)的底面切入电弧放电加工后的工件表面一定深度以进一步实施磨削加工；

3)根据待加工的工件(3)的形状和轮廓，所述的工具电极(4)在机床主轴带动下沿机床X、Y或Z轴运动，同时工作台(5)沿机床A轴或B轴转动实现工件(3)的运动，工具电极(4)和工件(3)的联动实现工具电极沿工件表面切向运动；在完成一层加工后，工具电极(4)沿轴向进给一个深度，开始新层加工，重复该过程直至完成加工。

2.根据权利要求1所述的高速电弧放电磨削复合加工方法，其特征在于，所述的加工电源(1)是峰值电流为1A～1000A、脉冲宽度为1μs～10ms、脉冲间隔为0～10ms的直流电源。

3.根据权利要求1所述的高速电弧放电磨削复合加工方法，其特征在于，所述的工作介质是在工具电极(4)和工件(3)之间的以0.1MPa以上压力流动的工作介质，包括水基工作液、雾气或气体介质。

4.根据权利要求1所述的高速电弧放电磨削复合加工方法，其特征在于，所述的工具电极旋转速度为100RPM～400,000RPM。

5.根据权利要求1所述的高速电弧放电磨削复合加工方法，其特征在于，所述的工具电极沿轴线方向的进给层深为0.1μm～3000μm。