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。其他工藝的加工結(jié)構(gòu)復(fù)雜，表面質(zhì)量要求高，不會重復(fù)鑄造層的深孔。因此，他被國外航空公司稱為“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,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)國外資料報道,這種加工方法的機理尚不十分清楚,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。在實際加工中,去掉的金屬量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于按法拉第定律計算的電化學(xué)作用去除的金屬量加上化學(xué)作用對金屬去除量的總和。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)生時的電流密度,所以加工效率較高。可以認(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,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,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,加工時采用送進(jìn)法。國外將此工藝稱為玻璃管鉆孔,德國稱為電化學(xué)精密打孔技術(shù)。加工時采用100V左右的電壓,電解液壓力比電射流小孔加工法大。由于需要克服長距離的電極通道阻力作用,所以加工時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)動機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)國外報道,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特點:(1)電射流加工方法可達(dá)性好。它可以實現(xiàn)其他加工方法不能實現(xiàn)或難以實現(xiàn)的特殊角度位置的小孔加工。目前由于航空發(fā)動機新結(jié)構(gòu)設(shè)計的要求,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)動機渦輪葉片的干涉孔(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)動機零件的抗疲勞強度,這對延長發(fā)動機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壽發(fā)動機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,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,因此可實現(xiàn)對薄壁零件無應(yīng)力的切割。前蘇聯(lián)報道電射流不僅可實現(xiàn)二維加工,也可實現(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。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)定距離時由快速進(jìn)給轉(zhuǎn)到工作進(jìn)給。程序2:更換速度的同時,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)穿透信號時,停止送進(jìn),與此同時接通另一只時間繼電器。程序5:時間繼電器用來確定停止送進(jìn)以后電源仍然接通的時間。在這段停駐時間內(nèi),繼續(xù)把出口處呈錐形的那部分金屬加工掉,以獲得在全長上不帶錐度的直孔。程序6:停駐時間結(jié)束,切斷電源,玻璃管電極快速退回。如果需要,將玻璃管噴嘴移動到下一個孔的始動工作位置。3.2電流增加到全值電射流加工電壓、電流隨時間變化的曲線見圖4。當(dāng)噴嘴向工件進(jìn)給時,電流隨之增大,達(dá)到預(yù)定的某一間隙時,電流增加到全值。此時進(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,高頻自動檢測裝置檢出并發(fā)出信號,停止加工,以防止零件報廢。4國內(nèi)外電波場研究4.1高溫齒輪葉片深國內(nèi)加工工藝國外技術(shù)先進(jìn)國家研究、應(yīng)用該技術(shù)已近40年,解決了新機研制中的許多難題。如美國首先用于加工TF-39渦輪風(fēng)扇發(fā)動機等機種的渦輪葉片及導(dǎo)向葉片氣冷孔和J79發(fā)動機的加力噴油桿的噴油孔。1991年美國用此法加工了雙導(dǎo)向葉片及雙排尾緣深小孔。英國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)了專用機床,并用于生產(chǎn)中。1991年該工藝還被列入VDI工程師協(xié)會生產(chǎn)技術(shù)委員會編寫的工程師工藝指南中。這些國家對此技術(shù)不斷地進(jìn)行研究,取得了不少成績。美國為加工高精度玻璃管電極制造了玻璃管拉伸儀。最近英國不僅研制了防止玻璃管破裂的自動檢查裝置,還研制了確保加工孔與葉片核心通道位置準(zhǔn)確的檢測和控制的閉環(huán)系統(tǒng)。4.2國內(nèi)電射流加工工藝的試驗研究和試驗驗證過去我國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)動機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GE公司加工了發(fā)動機渦輪軸套深小孔,取得了不少成績。90年代初新機葉片出現(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)。我所為滿足新機結(jié)構(gòu)的需要和發(fā)動機延壽,縮小與國外技術(shù)先進(jìn)國家的工藝技術(shù)差距,對電射流工藝展開了試驗研究,制造了加工設(shè)備,設(shè)計了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,進(jìn)行了電解液選擇試驗,對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:在新機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)束了我國沒有電射流加工工藝的局面。需求即是動力,新型高質(zhì)量發(fā)動機急需無再鑄層、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,對發(fā)達(dá)國家的先進(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)展具有我國特點的加工工藝,改稱電液束,并加緊對機床設(shè)備的研究制造。在此期間我們研制了CNC三坐標(biāo)數(shù)控電液束加工機床,完善了輸液控制系統(tǒng),加強高精度玻璃管電極研制,用機拉法制造高精度電極,為新機制造了特制電極。并對新機單晶材料、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