电火花诱导可控烧蚀金属材料高效切削加工方法技术

一种基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是：导电轮盘做高速旋转运动，在直流或脉冲电源的作用下使导电轮盘的导电齿与难加工金属材料之间产生火花放电，同时向加工区域连续或间歇性地通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体，使难加工金属材料加工区域处于电火花诱导放电——烧蚀并软化——切削加工的状态。电火花放电作用使难加工金属材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，与助燃气体发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工区域材料基体，使难加工金属材料加热软化甚至达到熔融状态，然后通过轮盘上的磨粒或切削齿的机械切削作用将烧蚀产物和软化甚至熔融的金属材料去除。本发明专利技术具有加工效率高，功耗低且环保、安全的优点，特别适合难加工金属材料的切削加工。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种金属材料的切削加工方法，具体地说是一种能提高难加工金属材料加工效率，将轮盘式切削(磨削和铣削)与电火花烧蚀相结合的快速去除难加工金属材料并保障加工表面质量与精度的电火花诱导可控烧蚀金属材料的高效切削加工方法。
技术介绍
随着工业生产和科学技术的进步，新材料不断涌现，在这些新材料中，许多是难加工金属材料，如高温合金、钛合金、高强度钢、不锈钢等。这些材料具有比强度高、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨等优点，但新材料的出现也给传统切削加工方式带来极大的困难。比如在传统的机械切削中，这些难加工材料消耗于塑性变形的能量大，切削力比切削普通金属材料时大得多；切削温度高，切削时产生的大量切削热很难向材料内部传导，甚至在工件表面会出现烧伤、裂纹等质量问题；刀具易磨损；加工硬化现象严重等。这些问题使得这些难加工金属材料的传统机械切削加工难度增加，刀具损耗严重，甚至无法加工。作为特种加工技术之一的电火花加工主要是利用电能和热能去除材料，工具和工件之间不存在宏观的机械切削力，适合于难加工金属材料和复杂型面零件的加工。但由于加工能量受脉冲电源能量输出的限制，加工区域又集中在很小的放电通道附近，传输到被加工材料基体的热量十分有限且利用率较低，因此加工的效率较低。同时，由于传统电火花加工采用煤油等工作介质，会产生有毒气体排放及易燃等一系列的环境和安全隐患问题。为了弥补传统电火花加工的不足，国内外学者提出了气中电火花加工、液中喷气电火花加工、喷雾电火花加工等新型电火花加工方法。日本东京农工大学国枝正典提出的气中电火花加工方法，在一定程度上解决了环境和安全问题，同时，加工中部分熔融工件金属材料飞溅粘附在工具电极上，补偿了工具电极损耗，可得到较低的电极损耗率。但由于其放电间隙较小，易发生短路或拉弧现象，使得放电状态变差、加工效率大大降低。上海交通大学提出了液中喷气电火花加工方法和喷雾电火花加工方法。液中喷气电火花加工相对于气中电火花加工具有更高的加工效率、更好的表面质量和同样低的电极损耗。喷雾电火花加工结合了液中和气中电火花加工方法的优点使放电间隙大于气中和液中电火花加工，电介质容易击穿形成放电通道，高压雾气具有比气中加工更好的冷却作用，可以提高放电通道的爆炸力，提高加工速度。上述各种方法加工时的能量大小仍然主要依赖于脉冲电源的输出，而一般脉冲电源的能量利用率不到总能量的一半，此外，用于加工的能量只有部分分配给工件，还有一部分能量在传递过程中散失到周边介质中，这就使得加工能量的利用率不高。如果电源的输出能量提高，电火花加工效率也会提高，但电源的输出能量越大，分配到工具电极上的能量越大，相应的电极损耗也越大，工件表面质量也越差。因此，上述方法的加工效率及表面质量均受到制约
技术实现思路
本专利技术的目的是针对目前难加工金属材料加工效率低的问题，专利技术一种将机械切削中常用的磨削、铣削加工与电火花加工相结合，通过可控烧蚀方式使被加工区域的难加工金属材料快速软化而后进行切削去除的加工方法。本专利技术的技术方案是一种基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料高效切削加工方法，其特征是它包括以下步骤首先，使具有机械切削作用的轮盘式切削刀具导电并做旋转运动； 其次，在直流或脉冲电源的作用下使轮盘式切削刀具的导电部分与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体使难加工金属材料发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域加热软化甚至达到熔融状态；再后，利用轮盘式切削刀具(导电整体砂轮或开槽断续砂轮的磨粒或组合铣刀的绝缘切削齿)的机械切削作用将烧蚀产物和软化或熔融状态的金属材料去除；重复进行上述加工过程，使电火花诱导作用下的可控烧蚀与机械切削(磨削或铣削)两种状态始终交替进行直至加工结束。所述的助燃气体为能与难加工金属材料发生燃烧放热反应的氧气、氯气、氮气、氟气中的一种或其几种的组合。所述的助燃气体的工作压力为0.0广90 MPa0所述的轮盘式切削刀具为砂轮或铣刀；所述的助燃气体可以从轮盘的内部输入到加工区域或从轮盘的体外输入到加工区域。所述的砂轮为采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，或为由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮作为工具的磨削加工，或为采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀，绝缘齿为金钢石、立方氮化硼或陶瓷，通过电镀、夹紧或焊接的方式固定在铣刀轮盘上。所述的难加工金属材料为能与助燃气体产生氧化反应的钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料。所述的切削加工包括采用导电砂轮作为工具的磨削加工和采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀作为工具的铣削加工。在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的助燃气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液(如乳化液或复合工作液)。通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体，进而控制烧蚀释放的热量。本专利技术在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液(如乳化液或复合工作液)。本专利技术可通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体从而达到控制烧蚀释放热量的目的。本专利技术的加工方法还可进一步描述为第一、导电的轮盘(采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，也可以是由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮作为工具的磨削加工或采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀)与难加工金属材料分别接电源的两极，在轮盘与难加工金属材料之间产生放电，使难加工金属材料加工区域达到燃点温度以上并产生活化，同时对加工区域通入氧气(或其它助燃气体)，在氧气(或其它助燃气体)作用下形成高温烧蚀，释放热量。第二、烧蚀的热量作用于难加工金属材料加工区域基体，使基体材料加热至软化甚至熔融状态。烧蚀热量的控制可以依靠气体的间歇供给或气体连续供给时气体流量、压力、轮盘转速等进行调整。所述的气体的工作压力为0.0广90 MPa0第三、在磨削或铣削的切削作用下将难加工金属材料的软化部分切削去除，露出新的基体材料表面，随着工件的进给重复上述加工过程。整个加工过程中可以利用高压液体工作介质冲刷加工区域，包裹气体，也可以采用将整个加工区域浸入工作液并结合高压冲液的方式以压迫气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出。所述的加工介质为水或非可燃水溶性工作液(乳化液、复合工作液等)本专利技术的有益效果本专利技术通过在导电轮盘(采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，也可以是由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮作为工具的磨削加工或采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀)与难加工金属材料之间的电火花诱导作用下，连续或间歇地通入能与难加工金属材料 (钛合金、高温合金等)能发生烧蚀反应的气体(如氧气)本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料高效切削加工方法，其特征是它包括以下步骤：首先，使具有机械切削作用的轮盘式切削刀具导电并做旋转运动；其次，在直流或脉冲电源的作用下使轮盘式切削刀具的导电部分与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体使难加工金属材料发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域加热软化甚至达到熔融状态；再后，利用轮盘式切削刀具的机械切削作用将烧蚀产物和软化或熔融状态的金属材料去除；重复进行上述加工过程，使电火花诱导作用下的可控烧蚀与机械切削两种状态始终交替进行直至加工结束。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志东，田宗军，邱明波，沈理达，徐安阳，黄因慧，
申请(专利权)人：南京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：84