難加工金屬材料放電誘導(dǎo)可控?zé)g高效加工技術(shù)

廖金堆

（1.福建信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，福建福州 350003；2.福州聚豐汽車零部件有限公司，福建福州 350015）

0 引言

電火花加工是對難加工金屬材料進行加工的重要手段。目前，常規(guī)方法難以有效提高材料蝕除率，無法實現(xiàn)高效加工，對電火花加工在難加工金屬材料領(lǐng)域的實際應(yīng)用造成了限制。放電誘導(dǎo)燒蝕加工能實現(xiàn)高效的放電加工。在加工過程中，金屬劇烈燃燒氧化，釋放大量熱量，據(jù)此蝕除材料，實現(xiàn)高效加工，能顯著提高材料蝕除率，有效控制加工表面質(zhì)量。

1 放電誘導(dǎo)燒蝕加工原理及步驟

1.1 放電誘導(dǎo)燒蝕加工原理

從加工基本原理來看，放電誘導(dǎo)燒蝕加工主要使用電火花，并發(fā)揮良好的電蝕作用，有效實現(xiàn)對放電點金屬的良好加熱，使其溫度超過燃點，確保對活化狀態(tài)的良好保持。然后，通入氧氣，與活化金屬形成劇烈燃燒，并釋放出大量化學(xué)能，直接對基體材料發(fā)生作用，并快速擴展燒蝕反應(yīng)，利用火花放電形成一定爆炸力，發(fā)揮氣流沖刷的相關(guān)作用。從加工區(qū)域排出燒蝕產(chǎn)物以及熔融金屬，對常規(guī)電火花進行運用，有效對燒蝕加工表面進行修正和加工，增強加工的有效性。

1.2 放電誘導(dǎo)可控?zé)g難加工金屬材料切削加工步驟

對輪盤式切削刀具進行導(dǎo)電并實施旋轉(zhuǎn)運動。通過直流電源，使輪盤式切削刀具相應(yīng)的導(dǎo)電部分與難加工金屬材料形成火花放電，材料表面溫度超過燃點溫度，形成活化狀態(tài)。同時，連續(xù)向加工區(qū)域通入助燃?xì)怏w，與金屬材料形成燒蝕反應(yīng)，生成燒蝕產(chǎn)物，并大量釋放熱量，對材料基體發(fā)生作用，使材料加工區(qū)域形成加熱而隨之軟化，甚至呈現(xiàn)熔融狀態(tài)。通過輪盤切削刀具發(fā)揮切削作用，排出燒蝕產(chǎn)物以及熔融的金屬材料。加工中上述過程持續(xù)重復(fù)，直到完成加工。

2 難加工金屬材料放電誘導(dǎo)可控?zé)g高效加工技術(shù)

2.1 放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工

從加工方法來看，燒蝕銑削與傳統(tǒng)方式下的電火花銑削具有相似性。按照表1 的各項試驗參數(shù)，通過上述兩種方法分別對淬火Cr12 材料開展銑削加工。

表1 放電誘導(dǎo)燒蝕銑削試驗參數(shù)

加工結(jié)果顯示，在相同時間條件下，放電誘導(dǎo)燒蝕銑削加工的蝕除效率高于傳統(tǒng)電火花銑削的10 倍以上。通過常規(guī)電火花銑削方法對Cr12 實施銑削加工，電坑布滿加工表面。通過放電誘導(dǎo)燒蝕銑削方法對Cr12 實施銑削加工，能清晰地從加工表面看到放電坑。關(guān)閉氧氣后，加工區(qū)域?qū)嶋H氧氣濃度減小，并降低原來的氧化程度。對火花放電進行運用，實現(xiàn)對加工面的良好修正，并對少量重熔層實施有效清除，據(jù)此有效改善加工表面的實際質(zhì)量。測試結(jié)果顯示，采用上述兩種不同的方法進行加工，由此形成的不同變質(zhì)層具有大致相當(dāng)?shù)暮穸龋拘纬上嘟谋砻尜|(zhì)量。

2.2 放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工

具體實施放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過程中，對水壓進行控制，持續(xù)將水有效沖入相應(yīng)的加工區(qū)域，通過電磁閥控制氧氣，實現(xiàn)良好的間歇性通入，開展高效良好的加工，增強加工過程的可控性，有效提升表面質(zhì)量。放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工過程是兩種加工放電狀態(tài)的循環(huán)過程。

（1）在氣霧介質(zhì)的基礎(chǔ)上，構(gòu)成相關(guān)條件并實施加工。通入氧氣，與水混合，產(chǎn)生氣霧，有效進入加工區(qū)域，有效對放電點進行活化處理，構(gòu)建良好的高溫活化區(qū)。以富氧條件為基礎(chǔ)，在相應(yīng)的活化區(qū)范圍內(nèi)，促進金屬與氧氣產(chǎn)生劇烈程度的反應(yīng)，釋放產(chǎn)生的化學(xué)能，實現(xiàn)對金屬的熔融，并產(chǎn)生噴發(fā)，大幅度提高蝕除效率。

（2）基于水介質(zhì)形成的具體條件，使用常規(guī)電火花，增強放電修整的有效性，關(guān)斷通入其中的氧氣，控制水流壓力，有效向加工區(qū)域中沖入水流，增強冷卻的有效性。在具體燒蝕過程中，熔融狀態(tài)的金屬產(chǎn)生的液滴會形成殘留，進一步冷卻排出，同時對加工區(qū)域通過電火花放電，有效修整相應(yīng)的燒蝕層，提高加工表面質(zhì)量。

放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工具有較高的穩(wěn)定性和良好的可持續(xù)性，蝕除效率較高，加工表面質(zhì)量良好，且形狀精度較高。在霧化介質(zhì)下，放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工，能噴射性噴出蝕除產(chǎn)物。氧化膜形成于已加工側(cè)壁表面，能避免排出蝕除產(chǎn)物時形成“二次放電”，有助于開展深型孔加工。

3 多通道功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工

功能電極放電誘導(dǎo)燒蝕加工能增強加工的穩(wěn)定性和可控性，還能改善加工表面質(zhì)量。功能電極主要包括兩部分，一部分是處于內(nèi)部的各類功能電極束，另一部分是處于外部的表面殼體。

多通道功能電極的通道相互獨立，將氧氣和高壓工作液借助通道通入加工區(qū)域，工作液將氧氣沖散，產(chǎn)生均勻氣泡，替代間歇通氧，能有效增強燒蝕加工的穩(wěn)定性和可控性，降低燒蝕能量，有效減少燒蝕坑，使得氧化層趨薄，降低燒蝕深度，逐漸提高表面質(zhì)量。

按照表2 的參數(shù)，選用Φ12 mm 電極，對TC4 鈦合金進行加工。

表2 功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕試驗參數(shù)

加工結(jié)果顯示，在單位電流條件下，單位面積電極的實際加工效率提高了17.25 倍；在單位能耗條件下，加工效率實際提高了19.25 倍。從電極體積相對損耗來看，電火花車削加工比放電燒蝕車削加工高4.19 倍。

4 雙伺服控制燒蝕/車削復(fù)合加工

通過放電誘導(dǎo)燒蝕形成的巨大熱量，能有效軟化難加工金屬材料表面，并以傳統(tǒng)方法實施金屬切削，在軟化層中對金屬進行切削加工。將不銹鋼管材電極作為試驗材料，以3種加工方式對TC4 鈦合金開展對比試驗。電火花誘導(dǎo)放電參數(shù)見表3。

表3 復(fù)合加工試驗參數(shù)

試驗結(jié)果如圖1 所示，在試驗條件相同情況下，從加工速度來看，電火花誘導(dǎo)可控?zé)g/車削復(fù)合加工是電火花加工的46 倍。采用電火花誘導(dǎo)可控?zé)g/車削復(fù)合技術(shù)能增強鈦合金加工的高效性，降低損耗，還能有效去除大部分存在于加工表面的燒蝕產(chǎn)物，大幅度提高燒蝕加工表面質(zhì)量。

圖1 不同加工方式對加工速度和電極損耗的影響

5 結(jié)語

放電誘導(dǎo)燒蝕加工技術(shù)，能實現(xiàn)對難加工金屬材料的高效良好加工，適合對各類難加工金屬材料，如鈦合金、高溫合金、高強度鋼等進行加工。該加工方法的基礎(chǔ)是電火花加工，可降低對設(shè)備剛性要求。在加工過程中，引入化學(xué)能作為蝕除能量。在燒蝕加工過程中，電火花放電能發(fā)揮引燃作用并進行修整。金屬材料在劇烈的氧化反應(yīng)中釋放熱量，為材料蝕除提供大部分能量，有效減少電能消耗。該加工方式的工作介質(zhì)主要是水和氧氣，不會對環(huán)境造成污染和危害，契合環(huán)保理念能形成多樣化的高效加工方式，可有效滿足各類加工需求，應(yīng)用前景廣闊。