高速電弧放電加工的工藝特性研究.pdf

1、航空航天發(fā)動機的核心部件通常由鎳基高溫合金等難切削材料制成，這些材料在切削加工時呈現(xiàn)出熱穩(wěn)定性高、加工硬化嚴(yán)重、刀具磨損劇烈及大切削用量時易產(chǎn)生顫振等特性，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)生加工效率低、刀具壽命短、部件制造周期長和加工成本高等問題。因此，難切削材料的高效加工是長期制約航空航天發(fā)動機制造發(fā)展的難題。
　　為了解決鎳基高溫合金等難切削材料的高效大余量去除這一難題，本文深入開展了基于流體動力斷弧機制的高速電弧放電加工(Blasting Ero

2、sion Arc Machining，BEAM)的工藝特性研究。通過將高能量密度的電弧、具有三維型面的多孔電極、極間工作液高速流場以及多軸聯(lián)動進(jìn)給這四項技術(shù)要素有效地結(jié)合，在利用高速流場對電弧有效控制的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)工件材料的高效蝕除。這一高效放電加工新技術(shù)從加工原理到加工性能都與傳統(tǒng)的電火花放電加工技術(shù)有著本質(zhì)區(qū)別。
　　本文設(shè)計了用于研究高速電弧放電加工工藝特性的實驗系統(tǒng)，開展了針對鎳基高溫合金GH4169(類似于I nco n

3、e l718)的高速電弧放電加工的工藝特性實驗，并通過電弧放電單蝕坑模型的仿真結(jié)果說明了去除大體積工件材料的熱腐蝕機理。在石墨電極幾何參數(shù)優(yōu)化的基礎(chǔ)上，深入探討了主要工藝參數(shù)對加工性能的影響，并觀測分析了加工后的工件表面完整性。實驗結(jié)果表明，當(dāng)放電峰值電流 Ip為500 A時，材料去除率可達(dá)14,000mm3/min，工具電極損耗率低于1％，工件表面再鑄層和熱影響層厚度低于100μm。
　　實驗中發(fā)現(xiàn)，高速電弧放電加工存在很強的極

4、性效應(yīng)。針對高速電弧放電加工極性效應(yīng)的對比實驗結(jié)果表明，工具正極性高速電弧放電加工的表面粗糙度可得到顯著改善，但材料去除率也明顯降低。根據(jù)對比實驗的結(jié)果，設(shè)計了工具正極性加工的三因素(放電峰值電流、沖液入口壓強和脈寬)三水平正交實驗，以進(jìn)一步了解工藝參數(shù)對加工性能的影響規(guī)律，探討獲得更低的工件表面粗糙度的可能性。對工具正極性加工后的工件材料表面完整性(再鑄層、熱影響層、表面微裂紋、表面硬度和殘余應(yīng)力等)的分析結(jié)果表明，在工具負(fù)極性高效加

5、工后實施工具正極性加工可以有效地提升工件表面質(zhì)量和輪廓精度，有利于減少后續(xù)切削、磨削等精加工的工藝余量和加工時間。
　　本文對間隙工作液流場和蝕除顆粒進(jìn)行了分析。首先通過間隙工作液流場仿真分析了沖液孔幾何參數(shù)對間隙工作液流場分布的直接影響，然后通過實驗探討了間隙工作液流場對加工性能的影響，最終得出了極間均衡分布的工作液流場是影響流體動力斷弧機制的首要因素。實驗表明，通過優(yōu)化多孔電極的幾何參數(shù)可以有效提升加工性能。在蝕除顆粒的研究中

6、，首先通過掃描電鏡對蝕除顆粒的形態(tài)、結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分進(jìn)行觀測和分析以揭示高速電弧放電加工工件材料的去除特點。然后采用統(tǒng)計方法分析了主要工藝參數(shù)對顆粒粒徑分布的影響規(guī)律，對于進(jìn)一步深入研究高速電弧放電加工的機理具有參考價值。
　　最后，在對加工機理和工藝特性認(rèn)知的基礎(chǔ)上，本文采用優(yōu)選的工藝參數(shù)加工出具有代表性的典型樣件并采用負(fù)正極性組合的高速電弧放電加工方法加工出用于航天發(fā)動機渦輪泵的誘導(dǎo)輪模擬樣件，驗證了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件多軸聯(lián)動高速電