高壓液束小徑加工工藝

高壓液束小徑加工工藝

電子流加工技術(shù)具有成本低、表面完整性好、深度大的特點(diǎn)。其他工藝的加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，不會(huì)重復(fù)鑄造層的深孔。因此，他被國(guó)外航空公司稱為“先進(jìn)現(xiàn)代航空工具制造技術(shù)之一”。1利用玻璃管電極加工電射流加工工藝是高壓液束小孔加工方法之一,原是國(guó)外綜合比較激光打孔、電子束打孔、電火花小孔加工方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)后,在金屬型管電極小孔加工方法基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種小孔加工方法。電射流加工示意圖見圖1。電射流加工小孔時(shí),被加工工件接正極,在呈收斂形狀的絕緣玻璃管噴嘴中有一個(gè)金屬絲或金屬管接負(fù)極,在正、負(fù)極之間加上300～1000V高壓直流電。小流量的高壓耐蝕泵將凈化了的電解液壓入導(dǎo)電密封頭進(jìn)入玻璃管電極中,被壓入玻璃管內(nèi)的液體(壓力一般為0.6MPa左右)以高速流的形式,通過高壓電場(chǎng)的作用,射向加工工件的待加工部位,進(jìn)行“切削”加工。在電射流加工過程中,高速流動(dòng)的酸性電解液經(jīng)過高壓直流電的作用,在電極和工件中間產(chǎn)生“輝光放電現(xiàn)象”。據(jù)國(guó)外資料報(bào)道,這種加工方法的機(jī)理尚不十分清楚,但肯定加工中既有陽極金屬溶解的過程,又有化學(xué)加工的作用。在實(shí)際加工中,去掉的金屬量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按法拉第定律計(jì)算的電化學(xué)作用去除的金屬量加上化學(xué)作用對(duì)金屬去除量的總和。與此相應(yīng),電流密度也大于在普通電解情況下氣泡穩(wěn)定發(fā)生時(shí)的電流密度,所以加工效率較高?？梢哉J(rèn)為:在高電壓、大電流密度下,材料去除是電化學(xué)作用和強(qiáng)烈的化學(xué)溶解作用的結(jié)果。玻璃管電極是電射流加工的重要工具,玻璃管一般由石英材料制成。原電射流加工使用的石英玻璃管電極由本體、過渡體和毛細(xì)體組成,在加工過程中玻璃管內(nèi)的金屬絲——實(shí)際陰極與過渡體轉(zhuǎn)接處的距離一般在6.4～19mm之間。用此法一般加工深徑比50∶1的深小孔。采用這種玻璃管加工時(shí),玻璃電極可以送進(jìn),也可以不送進(jìn)。采用不送進(jìn)加工時(shí),孔徑不受電極直徑尺寸的限制,故可以加工出直徑很小的小孔。不送進(jìn)法又稱為電噴射加工,是電射流加工的一種特例。采用只有毛細(xì)管部而無本體及過渡段的玻璃管加工小孔是電射流法的一種派生,加工時(shí)采用送進(jìn)法。國(guó)外將此工藝稱為玻璃管鉆孔,德國(guó)稱為電化學(xué)精密打孔技術(shù)。加工時(shí)采用100V左右的電壓,電解液壓力比電射流小孔加工法大。由于需要克服長(zhǎng)距離的電極通道阻力作用,所以加工時(shí)電解液壓力比前者高,最大壓力為1.4MPa,該法可加工孔間距更小的深孔(加工〉0.2mm以上的小孔,深徑比可達(dá)100∶1)。電射流小孔加工技術(shù)主要應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫渦輪葉片深小孔、孔軸線與表面夾角很小的斜孔和群孔加工,尤其是圖2所示的特殊位置孔的加工。電射流加工孔徑一般為〉0.13～1.3mm。據(jù)國(guó)外報(bào)道,可加工最小孔徑為〉0.025mm,加工精度為孔徑的±5%或±0.025mm,加工斜面時(shí)小孔軸心線與表面夾角最小為10°。2汽車制造的應(yīng)用電射流加工有下述幾個(gè)特點(diǎn):(1)電射流加工方法可達(dá)性好。它可以實(shí)現(xiàn)其他加工方法不能實(shí)現(xiàn)或難以實(shí)現(xiàn)的特殊角度位置的小孔加工。目前由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求,出現(xiàn)了許多難以加工的斜孔、深小孔和特殊位置孔,如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片的干涉孔(鰓孔)和主通道之間的橫向連通孔(圖2)。這些孔用激光和電子束方法無法加工,特別是某些新機(jī)出現(xiàn)的孔軸心線與表面夾角為10°的鰓孔,即使用電火花加工也不能滿足其設(shè)計(jì)要求。(2)加工表面無再鑄層、無微裂紋。激光、電子束、電火花加工是使金屬熔化去除金屬的熱物理加工過程,因而會(huì)產(chǎn)生再鑄層和微裂紋。而電射流加工主要是電化學(xué)陽極溶解的過程,系冷態(tài)加工法,不會(huì)產(chǎn)生再鑄層和由熱物理加工而產(chǎn)生的微裂紋。無再鑄層、無微裂紋的小孔可提高航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件的抗疲勞強(qiáng)度,這對(duì)延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片使用壽命有著重要意義,使其工作更可靠、更安全。因此電射流小孔加工方法為長(zhǎng)壽發(fā)動(dòng)機(jī)葉片加工提供了良好的工藝手段。(3)用電射流加工,孔進(jìn)出口光滑、無毛刺、加工表面粗糙度低(一般在0.8～3.2μm之間),因而氣動(dòng)性能好,可省去激光打孔加工后去毛刺和再鑄層的精整加工工序,尤其出口光滑是其他加工方法難以達(dá)到的。(4)與傳統(tǒng)電解加工工藝相比,可加工出直徑更小的孔。用金屬管型電極進(jìn)行孔加工時(shí),由于電極尺寸的限制,加工直徑小于〉0.8mm的深小孔很困難。應(yīng)用電射流送進(jìn)法加工的小孔直徑可達(dá)φ0.125mm,采用不送進(jìn)法可加工出直徑φ0.025mm的小孔。(5)電射流加工方法是無應(yīng)力切削方法,因此可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄壁零件無應(yīng)力的切割。前蘇聯(lián)報(bào)道電射流不僅可實(shí)現(xiàn)二維加工,也可實(shí)現(xiàn)三維空間無應(yīng)力切削,防止零件出現(xiàn)因加工受力而引起的變形。(6)易實(shí)現(xiàn)深細(xì)小孔的加工。用激光、電子束、電火花加工深細(xì)小孔易產(chǎn)生錐度,且用電火花加工深小孔時(shí)電極有損耗。用電射流方法加工,電極不損耗。但電射流加工方法存在玻璃管電極極易碰碎的缺點(diǎn)。3電子流加工的循環(huán)過程以及電子流加工中的電流和電壓變化3.1工作過程:在加工過程中,把鐵電射流加工循環(huán)過程見圖3。該圖表示鉆一個(gè)孔的全過程(從左到右),其過程為程序控制。程序1:電極噴嘴快速接近零件,達(dá)到設(shè)定距離時(shí)由快速進(jìn)給轉(zhuǎn)到工作進(jìn)給。程序2:更換速度的同時(shí),接通高壓電源,開始產(chǎn)生“輝光放電”,切削作用開始。程序3:在加工過程中,加工參數(shù)的選擇應(yīng)符合電射流加工去除金屬的速度與預(yù)定切削進(jìn)給速度準(zhǔn)確相等的原則,“切削作用”一直持續(xù)到把工件穿透為止。程序4:當(dāng)傳感器感應(yīng)穿透信號(hào)時(shí),停止送進(jìn),與此同時(shí)接通另一只時(shí)間繼電器。程序5:時(shí)間繼電器用來確定停止送進(jìn)以后電源仍然接通的時(shí)間。在這段停駐時(shí)間內(nèi),繼續(xù)把出口處呈錐形的那部分金屬加工掉,以獲得在全長(zhǎng)上不帶錐度的直孔。程序6:停駐時(shí)間結(jié)束,切斷電源,玻璃管電極快速退回。如果需要,將玻璃管噴嘴移動(dòng)到下一個(gè)孔的始動(dòng)工作位置。3.2電流增加到全值電射流加工電壓、電流隨時(shí)間變化的曲線見圖4。當(dāng)噴嘴向工件進(jìn)給時(shí),電流隨之增大,達(dá)到預(yù)定的某一間隙時(shí),電流增加到全值。此時(shí)進(jìn)給速度與溶解速度相等,電流趨向于一恒定值,一開始穿透,電流即下降,此時(shí)傳感器發(fā)出指令停駐加工。在加工過程中如玻璃管破裂,則電流突然上升,高頻自動(dòng)檢測(cè)裝置檢出并發(fā)出信號(hào),停止加工,以防止零件報(bào)廢。4國(guó)內(nèi)外電波場(chǎng)研究4.1高溫齒輪葉片深國(guó)內(nèi)加工工藝國(guó)外技術(shù)先進(jìn)國(guó)家研究、應(yīng)用該技術(shù)已近40年,解決了新機(jī)研制中的許多難題。如美國(guó)首先用于加工TF-39渦輪風(fēng)扇發(fā)動(dòng)機(jī)等機(jī)種的渦輪葉片及導(dǎo)向葉片氣冷孔和J79發(fā)動(dòng)機(jī)的加力噴油桿的噴油孔。1991年美國(guó)用此法加工了雙導(dǎo)向葉片及雙排尾緣深小孔。英國(guó)R·R公司用玻璃管打孔法加工出高溫渦輪葉片尾部直徑〉0.4mm、深15mm的小孔。德國(guó)用該法加工CF6-50高壓渦輪葉片深小孔,用電射流法加工葉片干涉孔。他們都生產(chǎn)了專用機(jī)床,并用于生產(chǎn)中。1991年該工藝還被列入VDI工程師協(xié)會(huì)生產(chǎn)技術(shù)委員會(huì)編寫的工程師工藝指南中。這些國(guó)家對(duì)此技術(shù)不斷地進(jìn)行研究,取得了不少成績(jī)。美國(guó)為加工高精度玻璃管電極制造了玻璃管拉伸儀。最近英國(guó)不僅研制了防止玻璃管破裂的自動(dòng)檢查裝置,還研制了確保加工孔與葉片核心通道位置準(zhǔn)確的檢測(cè)和控制的閉環(huán)系統(tǒng)。4.2國(guó)內(nèi)電射流加工工藝的試驗(yàn)研究和試驗(yàn)驗(yàn)證過去我國(guó)在電射流加工研究方面尚屬空白,北京航空工藝研究所在航空發(fā)動(dòng)機(jī)零件小孔加工方面有許多特種加工工藝方法,并在應(yīng)用中不斷發(fā)展,在新機(jī)研制生產(chǎn)中解決了不少關(guān)鍵問題。在無再鑄層深小孔電解加工方面,70年代初,用金屬管電極加工了某機(jī)主通道深徑比為100∶1的各種異型深小孔。加工小孔深徑比可達(dá)300∶1。80年代,用該法為美國(guó)GE公司加工了發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪軸套深小孔,取得了不少成績(jī)。90年代初新機(jī)葉片出現(xiàn)了如圖2所示的難加工特殊位置的干涉鰓孔、橫向橢圓連通孔結(jié)構(gòu)。我所為滿足新機(jī)結(jié)構(gòu)的需要和發(fā)動(dòng)機(jī)延壽,縮小與國(guó)外技術(shù)先進(jìn)國(guó)家的工藝技術(shù)差距,對(duì)電射流工藝展開了試驗(yàn)研究,制造了加工設(shè)備,設(shè)計(jì)了1000V、50A高壓直流電源及耐酸、穩(wěn)壓、高精過濾的輸液系統(tǒng),研究制造了各種玻璃管電極,對(duì)各種金屬材料和高溫合金材料進(jìn)行電射流加工工藝試驗(yàn),進(jìn)行了電解液選擇試驗(yàn),對(duì)電射流加工孔徑與加工參數(shù)、電解液參數(shù)、進(jìn)給速度和玻璃管電極尺寸的影響規(guī)律進(jìn)行了研究。經(jīng)過上述試驗(yàn):在新機(jī)高溫葉片上加工出了與葉身表面夾角極小的葉片干涉孔,加工出了高精度的葉片主通道橫向橢圓連通孔。用電射流加工最小孔徑為〉0.125mm,孔的深徑比為50∶1,孔加工表面的進(jìn)口光滑、無毛刺,表面粗糙度Ra0.8～6.3μm,加工表面無再鑄層和微裂紋,無晶間腐蝕。從而結(jié)束了我國(guó)沒有電射流加工工藝的局面。需求即是動(dòng)力,新型高質(zhì)量發(fā)動(dòng)機(jī)急需無再鑄層、無微裂紋、無熱影響區(qū)的加工工藝。90年代中期,我所在過去研究基礎(chǔ)上,對(duì)發(fā)達(dá)國(guó)家的先進(jìn)制造技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)一步分析,結(jié)合研制不斷改進(jìn),創(chuàng)造性地發(fā)展具有我國(guó)特點(diǎn)的加工工藝,改稱電液束,并加緊對(duì)機(jī)床設(shè)備的研究制造。在此期間我們研制了CNC三坐標(biāo)數(shù)控電液束加工機(jī)床,完善了輸液控制系統(tǒng),加強(qiáng)高精度玻璃管電極研制,用機(jī)拉法制造高精度電極,為新機(jī)制造了特制電極。并對(duì)新機(jī)單晶材料、定向結(jié)晶材料加工工藝參數(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步優(yōu)選。制造了直流、脈沖加工電源,用電液束加工出深徑比150∶1的深小