一種金屬材料的複合加工方法
2023-05-03 04:56:21 1
專利名稱：一種金屬材料的複合加工方法
技術領域：
本發明涉及一種金屬材料的複合加工方法。
背景技術：
電火花加工利用電能和熱能去除材料，不存在宏觀切削力，仿形加工精度高，在難切削金屬材料的加工以及複雜結構金屬零件加工問題上，具有得天獨厚的優勢。最近幾十年，電火花加工技術發展迅速，成為了現代製造技術的重要組成部分。但是，電火花加工金屬材料，存在效率低、電極損耗大的問題。高效低損耗加工是電火花加工追求的目標。在現有的技術中，提高電火花加工效率主要是從兩個方面著手一是增大放電脈衝能量，通過增加釋放在兩電極之間的能量，來提高材料的去除速度；二是改進控制系統，使電極能夠實時跟進和及時抬刀，提高脈衝利用率來增加材料去除速度。但是，脈衝能量太大在增大材料去除速度的同時，會降低加工精度，加劇電極損耗；控制系統性能的改善對提高材料去除速度的能力有限,還會增加設備的成本。對電極損耗問題，目前的技術一方面通過電參數和電極材料的匹配來降低損耗；另一方面通過補償來防止損耗的積累給加工精度帶來較大誤差。補償通過控制系統來實現，主要方法一是加工一定長度或者一定時間後，進行檢測和補償，然後再加工；二是在加工過程中，根據理論值，通過軟體對電極損耗進行實時補償；三是將理論實時補償技術和檢測、再補償技術結合起來。這些方法都是通過控制系統來實現補償，在微細加工領域，單位時間內電極損耗在微米級別，要準確地實現實時補償，對工具機各運動軸的解析度、定位精度要求很高，這會使工具機成本大大提高。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種金屬材料的複合加工方法。本發明的金屬材料的複合加工方法，其特點是，所述的加工方法包括以下步驟
(a)將工具電極和待加工工件分別裝夾在工具機的主軸和工作檯上；
(b)利用去離子水和三乙醇胺配置導電能力很弱的弱電解質水溶液作為工作液，工作液置於液體循環系統中，以衝液方式進入加工區域；
(C)採用脈衝電源為電火花放電和電化學作用提供能量，工具電極連接電源陰極，工件連接電源陽極；
(d)工具機伺服系統驅動工具電極靠近工件，直到工具電極和工件之間的距離達到電火花放電的臨界距離。所述的電化學作用為陽極氧化和陰極還原。所述的工具機為至少具有單個主軸伺服進給及回退功能的工具機。所述的去離子水為電導率不超過2 ii S/cm的去離子水。所述的液體循環系統為供液系統和工具機工作液槽組成工作液循環系統，系統中工作液的電導率由電導率儀監控，如果電導率值超過設定的值，則往循環系統中加入去離子水以降低工作液電導率。所述的弱電解質水溶液的電導率範圍為50 i! S/cm 300 i! S/cm。所述的脈衝電源的電壓為80V 120V，頻率大於lOOKHz，佔空比為0. 16 0. 5，峰值電流為3. 2A 4. 8A。所述的工具機伺服系統的驅動為當工具電極和工件接觸後，主軸立刻回退；當工具電極和工件沒有接觸時，主軸連續進給。本發明的有益效果在於採用弱電解質水溶液作為工作液，同時利用電火花放電和電化學作用對金屬材料進去去除加工。電化學作用產生的氫氣和氧氣被電火花放電引燃爆炸，增加電蝕微粒的排出能力，提高加工穩定性進而提高加工效率。電化學的陰極還原作用使溶液中的金屬離子在工具電極表面發生電沉積，補償電極損耗，進而降低電極損耗率。本發明電極損耗率低，特別適用於電火花加工電極損耗大的金屬材料的加工，可以一個工具電極連續多次使用。
圖1是採用本發明的金屬材料複合加工方法進行加工過程的原理 圖2是圖1的等效電路 圖中，1.脈衝電源 2.工具電極3.噴嘴4.工作液5.工件
6.電源內阻 7.工具電極和工件之間的等效電阻。
具體實施例方式圖1是採用本發明的金屬材料複合加工方法進行加工過程的原理圖，圖2是圖1的等效電路圖，從圖廣圖2中可以看出，本發明的金屬材料複合加工方法進行加工過程的原理是工具電極和工件之間的等效電阻7和電源內阻6串聯在電路中，在電路中加入脈衝電源I後，因工作液4電導率很小，工具電極和工件之間的等效電阻7遠大於電源內阻6，根據串聯分壓原理，加在電極兩端的電壓約等於脈衝電源I電壓。當兩電極間的距離達到電火花放電的臨界距離時，電極之間的電場強度達到臨界擊穿強度，發生電火花放電，工件5和工具電極2的材料同時被蝕除。在電火花放電進行的同時，因工作液4具有一定的導電性，電化學反應也在進行，電化學陽極溶解作用使工件5材料以離子形式進入工作液4，工件5表面越凸出的位置溶解越快；進入工作液4的金屬離子在電場力的作用下遷移到工具電極2表面，發生還原反應，沉積在工具電極2表面補償電極損耗。因此，電化學作用的陽極溶解可以對電火花腐蝕坑進行整平，電化學作用的陰極電沉積可以動態的補償電火花放電引起的電極損耗。由於工作液4的主要成分為去離子水，在電極表面除了金屬的電化學溶解和沉積外，還伴隨著氧氣和氫氣的生成。電火花放電使產生的氫氣和氧氣混合氣體發生爆炸，增強對電蝕微粒的排出能力，提高加工的穩定性，進而提高加工速度。以下通過具體的實施例對本發明的複合加工方法做進一步描述
實施例1 :
將工具電極和工件分別裝夾在具有單個主軸自動伺服進給及回退功能的工具機的主軸和工作檯上，採用以去離子水和三乙醇胺按1.5:1000配置的溶液作為工作液，其電導率為54iiS/cm。選用電源參數為電壓100V，；頻率400KHz，佔空比0. 25，峰值電流4A。工具電極材料和工件材料均為紫銅，工具電極為直徑0. 5mm的圓柱，在厚1_的工件上加工通孔。加工完成後，工具電極長度方向的損耗率為1. 3%，這一電極損耗率遠低於傳統電火花加工的電極損耗率(在電參數相同，工具電極和工件也完全相同的條件下，傳統電火花加工的工具電極損耗率為53%)。其加工效率為傳統電火花加工效率的4倍。實施例2:
變換工作液電導率，以驗證本發明的複合加工方法的工作液電導率選擇的重要性。選擇工作液的電導率為IOOiI S/cm，保持其它條件與實施例1中完全相同。加工完成後，工具電極長度方向的損耗率僅為0. 3%。實施例3:
變換工件材料，以驗證本發明的複合加工方法對不同金屬材料的普遍適用性。選擇工件材料為不鏽鋼(lCrl8Ni9Ti)，保持其它條件與實施例2完全相同。加工完成後，工具電極長度方向的損耗率僅為0. 7%，遠小於傳統電火花加工的電極損耗率(在電參數相同，工具電極和工件也完全相同的條件下，傳統電火花加工的工具電極損耗率為28%)，加工效率是傳統電火花加工的11倍。
權利要求
1.一種金屬材料的複合加工方法，其特徵在於，所述的加工方法包括以下步驟 Ca)將工具電極和待加工工件分別裝夾在工具機的主軸和工作檯上； (b)利用去離子水和三乙醇胺配置導電能力很弱的弱電解質水溶液作為工作液，工作液置於液體循環系統中，以衝液方式進入加工區域； (c)採用脈衝電源為電火花放電和電化學作用提供能量，工具電極連接電源陰極，工件連接電源陽極； (d)工具機伺服系統驅動工具電極靠近工件，直到工具電極和工件之間的距離達到電火花放電的臨界距離。
2.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的電化學作用為陽極氧化和陰極還原。
3.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的工具機為至少具有單個主軸伺服進給及回退功能的工具機。
4.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的去離子水為電導率不超過2μ S/cm的去離子水。
5.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的液體循環系統為供液系統和工具機工作液槽組成工作液循環系統，系統中工作液的電導率由電導率儀監控，如果電導率值超過設定的值，則往循環系統中加入去離子水以降低工作液電導率。
6.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的弱電解質水溶液的電導率範圍為 50 μ S/cm 300 μ S/cm。
7.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的脈衝電源的電壓為80V 120V,頻率大於IOOKHz,佔空比為O. 16 O. 5，峰值電流為3. 2A 4. 8A。
8.根據權利要求1所述的複合加工方法，其特徵在於，所述的工具機伺服系統的驅動為當工具電極和工件接觸後，主軸立刻回退；當工具電極和工件沒有接觸時，主軸連續進給。
全文摘要
本發明提供了一種金屬材料的複合加工方法，同時利用電火花放電和電化學作用對金屬材料進行去除加工。它是將工具電極和工件分別固定在工具機的主軸和工作檯上，利用去離子水和三乙醇胺配置導電能力很弱的弱電解質水溶液作為工作液，工作液置於液體循環系統中，以衝液方式進入加工區域。採用脈衝電源為電火花放電和電化學作用提供能量，工具電極接電源陰極，工件接電源陽極，工具機伺服系統驅動工具電極靠近工件，直到工具電極和工件之間的距離達到電火花放電的臨界距離。本發明電極損耗率低，特別適用於電火花加工電極損耗大的金屬材料的加工，可以一個工具電極連續多次使用。
文檔編號B23H7/34GK103008809SQ20121051656
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月6日 優先權日2012年12月6日
發明者王寶瑞, 尹青峰, 吉方, 張勇斌, 劉廣民, 李建原, 吳址群, 魚勝利, 朱建平, 劉坤, 王新寬, 雷豔華 申請人:中國工程物理研究院機械製造工藝研究所