高速电弧放电加工技术基础研究

研究工作针对电弧放电加工的高效材料去除机理和利用高速电弧放电实现航空航天难切削材料的高效加工等科学问题及相关工程应用问题而开展了全面、系统的研究并取得了显著的成果。在机理方面，首先验证了流体动力断弧机制的存在及其在高速电弧放电加工中的重要作用，观测和分析电弧放电通道在流体动力断弧机制下形态变化的过程和放电加工蚀除颗粒从熔池内排出的过程，并测量和分析了出电弧放电通道的温度特征并采用双线法对放电通道温度进行了测量。推导出放电通道在击穿放电之后的扩张阶段的半径表达式，发现放电通道扩张阶段的传热时间累积效应。建立了考虑时间累积效应的热分析模型和高速电弧放电加工的“先扩张后偏移”材料蚀除模型，拟合了流体动力断弧机制下尾状放电痕的形成，并且从能量利用效率的观点解释了高速电弧放电加工能够获得较大的材料去除效率的原因。 在机理研究成果的基础上，针对航空航天典型难切削材料，特别是高温合金、钛合金和碳化硅铝基复合材料等进行了系统的电弧放电加工工艺特性研究，并研究了极性效应对加工性能的影响。加工效率较传统电火花加工提高了20-30倍，加工高温合金的效率较传统铣削加工提高1倍以上，而加工表面的热损伤与传统电火花加工接近，对后续精加工不产生不良影响。对于开敞型腔及叶盘类零件的加工需求和高速电弧放电加工的特点，提出了高速电弧放电侧铣加工工艺。针对复杂形状的闭式涡轮叶盘的高效加工需求，结合高速电弧放电加工，提出了新型的叠片电极形式，并进行了理论及实验研究，实现了闭式形状的沉入式高效BEAM加工。为解决高速电弧放电加工效率高，但加工精度有限的问题，提出了高速电弧放电加工表面质量改进的组合加工方法，使其具有高效、低成本和较好表面质量的特点。实现了多件航空航天应用背景样件的加工，为高速电弧放电加工技术迈向工业应用奠定了基础。

高温合金等难切削材料的高效加工难题已成为长期制约我国航空发动机研制与生产的重大瓶颈。本项目提出一种源头创新的高速电弧放电加工方法。通过利用大电流电弧放电提供能量密度很高的特种能场，采用水基工作液介质，施加高速多孔内冲液，形成独特的流体动力断弧作用，成功地实现了高温合金等难切削材料的高效加工。本项目将针对这一新技术的未知机理、科学问题以及加工特性等开展系统深入的基础研究，以期对这一新技术获得系统、科学的认知，为形成高速电弧放电加工技术体系提供理论依据。采取观测、实验及数值模拟等方法重点研究：1)高速电弧放电加工中等离子体弧柱形成与演变过程；2)等离子弧柱对阳极高效蚀除但对阴极蚀除很少的极性效应机理；3)各核心技术要素对高速电弧放电加工工艺性能的影响规律；4)典型高温合金复杂曲面零件的加工适用性验证。所获得的研究成果将有助于我国在这一新的学术方向及其产业应用方面争取先发优势。

放电加工的优点：

1.可以制造传统切削加工机所无法生产的奇形异面。

2.加工坚硬的材料也可以有好的公差精度。

3.传统加工机的切削力可能会损坏小型的工件，但放电加工没有此情形。

放电加工的缺点：

1.不能加工非导体（已经有技术可以加工陶瓷材料）。

2.加工速度缓慢。

3.加工成本高。 2100433B

利用浸在工作液中的两极间脉冲放电时产生的电蚀作用蚀除导电材料的特殊加工方法。我们都有这样的生活经验，电器开关在经过一段时间的使用之后，往往会出现触点部分的表面被电火花电蚀得粗糙不平的现象，这就是电火花电蚀现象。电火花加工就是利用这一原理，具体如图《电火花加工原理示意图》所示，在一定介质中，通过工具电极和工件电极之间的脉冲放电的电蚀作用，对工件进行加工的方法。实现这一加工的基本方式是这样的： 把工具电极和工件全部浸在工作介质 (电解液) 中，在两极间产生多次火花放电，有意识地控制工件的蚀除量，最后就可使工件达到一定的尺寸和粗糙度要求。

电火花电蚀原理用于金属加工还必须具备以下几个条件：火花放电能量必须很大，才能保证在瞬间使金属产生局部的熔化和气化; 放电形式应是时间极短的脉冲放电，使火花放电热量来不及传到非加工区，以防产生“烧糊”现象; 每次脉冲放电后，必须能及时把在电极间隙之间产生的金属微粒和电离物排出间隙，以保证加工的持续进行。

由于放电加工时放电能量很高，所以能加工一般切削加工方法无法加工的材料，如淬火钢、耐热合金、硬质合金等。同时，在加工各种复杂的型腔、冲模和孔的领域中，得到了广泛的应用。由于在电火花加工过程中，工具电极和工件无直接接触，切削力很小，这就对加工那些易变形的工件和小而精密的孔、窄缝等十分有效。电火花加工工艺已经在工业各部门中得到了广泛的应用，是一种很有发展前途的加工方法。

在加工领域中，尤其是在精密加工中，放电加工已得到广泛的应用。放电加工的范围如下：

1. 凡是导电性的材料，都可进行放电加工

2. 放电加工最高精度可达 /—0.005mm面粗度最高可达镜面极

3. 传统加工所不能加工的工位，一般都可用放电加工来完成

4. 放电工位可以是各种大型塑模的型腔，也可以是0.1MM宽度的小孔，小槽等。