高速電弧放電加工的工藝特性研究.pdf

1、航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(shí)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(dòng)機(jī)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(dòng)力斷弧機(jī)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(dòng)進(jìn)給這四項(xiàng)技術(shù)要素有效地結(jié)合，在利用高速流場對(duì)電弧有效控制的基礎(chǔ)上，實(shí)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(jì)了用于研究高速電弧放電加工工藝特性的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，開展了針對(duì)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(shí)驗(yàn)，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(jī)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(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)放電峰值電流 Ip為500 A時(shí)，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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，高速電弧放電加工存在很強(qiáng)的極

4、性效應(yīng)。針對(duì)高速電弧放電加工極性效應(yīng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)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(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果，設(shè)計(jì)了工具正極性加工的三因素(放電峰值電流、沖液入口壓強(qiáng)和脈寬)三水平正交實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步了解工藝參數(shù)對(duì)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(duì)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(shí)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(shí)間。
　　本文對(duì)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(duì)間隙工作液流場分布的直接影響，然后通過實(shí)驗(yàn)探討了間隙工作液流場對(duì)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(dòng)力斷弧機(jī)制的首要因素。實(shí)驗(yàn)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(duì)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(diǎn)。然后采用統(tǒng)計(jì)方法分析了主要工藝參數(shù)對(duì)顆粒粒徑分布的影響規(guī)律，對(duì)于進(jìn)一步深入研究高速電弧放電加工的機(jī)理具有參考價(jià)值。
　　最后，在對(duì)加工機(jī)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(dòng)機(jī)渦輪泵的誘導(dǎo)輪模擬樣件，驗(yàn)證了復(fù)雜結(jié)構(gòu)零部件多軸聯(lián)動(dòng)高速電