功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工機(jī)理及試驗(yàn)研究.pdf

1、針對傳統(tǒng)電火花加工中存在的材料去除率低及間歇通氧電火花誘導(dǎo)可控?zé)g加工EDM-IAM(Electrical Discharge Machining-Induced Ablation Machining)可控性及穩(wěn)定性差的問題，本文提出了功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工方法，通過功能電極內(nèi)部彼此獨(dú)立的通道同時向加工區(qū)域通入氧氣和工作液，利用兩者的相互沖擊作用，把氧氣流分散成氧氣泡并均勻分布于液體介質(zhì)中，在兩極間形成氣液相間的燃燒氛圍。利用電火花

2、放電在電極表面產(chǎn)生的高溫作為外部熱源，點(diǎn)燃氧氣泡中的工件材料，產(chǎn)生燃燒反應(yīng)，消耗、熔化工件材料。燒蝕加工在電火花加工中引入金屬燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能作為新的加工能量，提高了電火花加工的材料去除率。本文設(shè)計并制造了鉆、銑、車等加工方式的功能電極，構(gòu)建了相應(yīng)的電火花誘導(dǎo)燒蝕加工系統(tǒng)，進(jìn)行了電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的機(jī)理分析和試驗(yàn)研究；提出了燒蝕加工控制策略和控制方法，探索了功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的工藝規(guī)律，通過對加工表面的修整和原位合成TiN強(qiáng)化涂

3、層獲得良好的加工表面。具體工作如下：
　　1.針對前期采用間歇式通氧電火花放電誘導(dǎo)燒蝕加工中燃燒反應(yīng)不能連續(xù)進(jìn)行、加工過程不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，設(shè)計制造了電火花誘導(dǎo)燒蝕鉆、銑和車削功能電極，實(shí)現(xiàn)了氧氣和工作液分別通過專用通道噴入加工區(qū)域，形成氣液相間的燃燒氛圍，滿足金屬在氧氣中的燃燒條件，并通過調(diào)節(jié)氧氣與工作液的比例控制燃燒反應(yīng)的劇烈程度，實(shí)現(xiàn)了燒蝕加工的高效、可控、穩(wěn)定進(jìn)行。由功能電極系統(tǒng)、試驗(yàn)機(jī)床、電極旋轉(zhuǎn)驅(qū)動系統(tǒng)、工作液循環(huán)系統(tǒng)和氧

4、氣供給系統(tǒng)構(gòu)建了鉆、銑、車削等加工方式的功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工系統(tǒng)并進(jìn)行了燒蝕加工試驗(yàn)。
　　2.對功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工機(jī)理進(jìn)行了研究。使用功能電極極間介質(zhì)模擬裝置對極間介質(zhì)分布和運(yùn)動狀態(tài)進(jìn)行了模擬，研究了氣液壓力比對極間氣液分布及運(yùn)動規(guī)律的影響，分析了氧氣泡對極間電場和放電擊穿的影響。
　　為研究電極結(jié)構(gòu)、端面形狀對燃燒蝕除的影響，采用不同端面形狀電極進(jìn)行單脈沖試驗(yàn)，研究了放電通道結(jié)構(gòu)、放電坑直徑變化及電極端面形

5、狀對放電通道遷移的影響規(guī)律，表明由薄壁管狀電極組成的功能電極適合進(jìn)行燒蝕加工；通過管狀電極常規(guī)電火花加工和燒蝕加工的單脈沖試驗(yàn)，研究了燃燒反應(yīng)的誘發(fā)機(jī)理，研究發(fā)現(xiàn)，燃燒反應(yīng)是由放電蝕坑邊沿誘發(fā)，由放電熱加速表面氧化反應(yīng)產(chǎn)生；電火花放電過程受燃燒反應(yīng)影響很小，能夠獨(dú)立進(jìn)行，在燒蝕加工中始終發(fā)揮著重要作用；燃燒反應(yīng)被誘發(fā)產(chǎn)生后能自持進(jìn)行，并自主傳播，直至氧氣耗盡。
　　通過對電火花誘導(dǎo)燒蝕加工誘發(fā)機(jī)理及能量來源分析，發(fā)現(xiàn)燒蝕加工由電火

6、花蝕除和燃燒蝕除兩個相對獨(dú)立的過程組成，其中電火花蝕除作為燃燒反應(yīng)的外部熱源，是燃燒蝕除的先導(dǎo)，當(dāng)電火花放電誘導(dǎo)產(chǎn)生燃燒反應(yīng)之后，二者保持相對獨(dú)立，燃燒依靠自身釋放的燃燒熱，不斷加熱點(diǎn)燃周圍工件材料，自主向外傳播，直至氧氣耗盡，而電火花蝕除在脈沖電源作用下，重復(fù)放電過程，蝕除工件材料并不斷誘發(fā)燃燒反應(yīng)。
　　3.通過對燒蝕加工機(jī)理的分析，針對燒蝕加工由電火花蝕除和燃燒蝕除兩個相對獨(dú)立過程組成的特性，分析了燒蝕加工的控制因素，提出了

7、控制策略，設(shè)計并構(gòu)建了采用獨(dú)立系統(tǒng)分別對電火花蝕除和燃燒蝕除進(jìn)行控制的燒蝕加工控制系統(tǒng)。一方面，利用常規(guī)電火花加工控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對電火花蝕除和伺服進(jìn)給的控制；另一方面，通過檢測極間平均電壓，實(shí)現(xiàn)對加工區(qū)域氣液比例的控制，達(dá)到控制燃燒蝕除劇烈程度的目的。通過改變放電門檻電壓，研究其對燃燒反應(yīng)誘導(dǎo)作用的影響，結(jié)果表明常規(guī)電火花加工伺服控制系統(tǒng)能滿足燒蝕加工的需要。通過極間氣液壓力比對電導(dǎo)率的影響試驗(yàn)，研究了極間平均電壓反映氣液比例的可行性，并

8、進(jìn)行不同氣液壓力比下的燒蝕加工試驗(yàn)，研究極間氣液壓力比、極間平均電壓和燒蝕加工材料去除率的關(guān)系，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)極間平均電壓控制加工區(qū)域氣液比例，進(jìn)而控制燃燒蝕除的劇烈程度。
　　4.研究了電參數(shù)（脈沖寬度、加工電流等）和非電參數(shù)（氧氣壓力、工作液壓力、電極轉(zhuǎn)速等）對功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的影響規(guī)律。研究表明，燒蝕加工的材料去除率是傳統(tǒng)電火花加工的數(shù)十倍，且具有明顯的極性效應(yīng)；燒蝕加工的材料去除率和表面粗糙度值與脈沖寬度、平均電流、

9、氣液壓力比等成正比，與工件轉(zhuǎn)速成反比。電極相對損耗與脈沖寬度、平均電流、氣液壓力比等成反比，與電極轉(zhuǎn)速成正比；分析了燒蝕加工的材料去除率、電極相對損耗和表面粗糙度值的影響因素；通過試驗(yàn)，探索了材料特性對燒蝕加工的影響，研究了燃燒熱熔比、氧化層特性對燒蝕加工性能的影響，并分析了電極相對損耗的影響因素；通過對鉆、銑、車等加工方式的對比試驗(yàn)，研究了加工方式對燒蝕加工的影響規(guī)律。
　　5.為提高功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的表面質(zhì)量，提出了

10、能量逐次遞減修整的方法，對加工表面進(jìn)行修整。根據(jù)加工余量和燒蝕深度，采用按等差數(shù)列的方法選取加工參數(shù)，逐次降低燒蝕加工能量，用較小能量修整前一次表面，最終獲得精修的目標(biāo)面，從而在具有較高材料去除率的同時獲得較好的表面質(zhì)量；針對燒蝕形成的氧化層等缺陷，采用功能電極或柔性電極向加工區(qū)域通入氮?dú)?，利用電火花放電熱使氮元素與鈦材料發(fā)生反應(yīng)，在加工表面原位合成TiN強(qiáng)化涂層，改善表面材料成分和性能。研究表明，在加工表面原位合成的TiN涂層厚度可達(dá)