功能電極電火花誘導燒蝕加工機理及試驗研究.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可控燒蝕加工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燒蝕加工方法，通過功能電極內部彼此獨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、放電在電極表面產生的高溫作為外部熱源，點燃氧氣泡中的工件材料，產生燃燒反應，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生的化學能作為新的加工能量，提高了電火花加工的材料去除率。本文設計并制造了鉆、銑、車等加工方式的功能電極，構建了相應的電火花誘導燒蝕加工系統(tǒng)，進行了電火花誘導燒蝕加工的機理分析和試驗研究；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燒蝕加工中燃燒反應不能連續(xù)進行、加工過程不穩(wěn)定的缺點，設計制造了電火花誘導燒蝕鉆、銑和車削功能電極，實現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，并通過調節(jié)氧氣與工作液的比例控制燃燒反應的劇烈程度，實現了燒蝕加工的高效、可控、穩(wěn)定進行。由功能電極系統(tǒng)、試驗機床、電極旋轉驅動系統(tǒng)、工作液循環(huán)系統(tǒng)和氧

4、氣供給系統(tǒng)構建了鉆、銑、車削等加工方式的功能電極電火花誘導燒蝕加工系統(tǒng)并進行了燒蝕加工試驗。
　　2.對功能電極電火花誘導燒蝕加工機理進行了研究。使用功能電極極間介質模擬裝置對極間介質分布和運動狀態(tài)進行了模擬，研究了氣液壓力比對極間氣液分布及運動規(guī)律的影響，分析了氧氣泡對極間電場和放電擊穿的影響。
　　為研究電極結構、端面形狀對燃燒蝕除的影響，采用不同端面形狀電極進行單脈沖試驗，研究了放電通道結構、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，研究了燃燒反應的誘發(fā)機理，研究發(fā)現，燃燒反應是由放電蝕坑邊沿誘發(fā)，由放電熱加速表面氧化反應產生；電火花放電過程受燃燒反應影響很小，能夠獨立進行，在燒蝕加工中始終發(fā)揮著重要作用；燃燒反應被誘發(fā)產生后能自持進行，并自主傳播，直至氧氣耗盡。
　　通過對電火花誘導燒蝕加工誘發(fā)機理及能量來源分析，發(fā)現燒蝕加工由電火

6、花蝕除和燃燒蝕除兩個相對獨立的過程組成，其中電火花蝕除作為燃燒反應的外部熱源，是燃燒蝕除的先導，當電火花放電誘導產生燃燒反應之后，二者保持相對獨立，燃燒依靠自身釋放的燃燒熱，不斷加熱點燃周圍工件材料，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，重復放電過程，蝕除工件材料并不斷誘發(fā)燃燒反應。
　　3.通過對燒蝕加工機理的分析，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，設計并構建了采用獨立系統(tǒng)分別對電火花蝕除和燃燒蝕除進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)實現對電火花蝕除和伺服進給的控制；另一方面，通過檢測極間平均電壓，實現對加工區(qū)域氣液比例的控制，達到控制燃燒蝕除劇烈程度的目的。通過改變放電門檻電壓，研究其對燃燒反應誘導作用的影響，結果表明常規(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率的影響試驗，研究了極間平均電壓反映氣液比例的可行性，并

8、進行不同氣液壓力比下的燒蝕加工試驗，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系，實現了根據極間平均電壓控制加工區(qū)域氣液比例，進而控制燃燒蝕除的劇烈程度。
　　4.研究了電參數（脈沖寬度、加工電流等）和非電參數（氧氣壓力、工作液壓力、電極轉速等）對功能電極電火花誘導燒蝕加工的影響規(guī)律。研究表明，燒蝕加工的材料去除率是傳統(tǒng)電火花加工的數十倍，且具有明顯的極性效應；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，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，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燒蝕加工的表面質量，提出了

10、能量逐次遞減修整的方法，對加工表面進行修整。根據加工余量和燒蝕深度，采用按等差數列的方法選取加工參數，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面，從而在具有較高材料去除率的同時獲得較好的表面質量；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)域通入氮氣，利用電火花放電熱使氮元素與鈦材料發(fā)生反應，在加工表面原位合成TiN強化涂層，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