电极加工（共8篇）
电极加工 篇1
1 鼠标模电极的数控加工工艺分析
1.1 鼠标模电极零件图
如下图1所示。
1.2 电极加工工艺分析
确定好待加工电极的几何模型后就需要对电极的数控加工工艺进行总体规划。此电极的加工难点在于其表面由不同的曲面构成, 而且表面有起伏, 有凸沿, 加工起来比较复杂。在选择加工工艺参数应考虑电极的几何形状、表面粗糙度、加工精度.以及材料的刚度和变形等, 采取先粗后精的加工方式。综合以往的加工经验, 该研究者认为比较合理的加工工艺安排为:粗加工→半精加工→精加工。
(1) 粗加工。粗加工的原则是采用大刀具、大步具、大行距、大切削深度, 去除毛坯的大部分余量, 这样可以节省加工时间、提高劳动生产率。应设置合适加工余量, 如果设置过大, 会影响后续加工, 致使加工表面粗糙;过小, 由于粗加工时刀具的振动已经伤及最后成型表面, 致使加工质量下降。在加工时运用多层铣削功能设置层的深度。综上考虑, 使用平行铣削粗加工刀路比较合适。
(2) 半精加工。粗加工后电极加工表面刀痕粗糙, 在斜面上呈“梯田”状, 表面应力大, 有变形现象。半精加工时步距、行距、切削深度和刀具半径等参数都相应减少, 提高表面精度、消除应力变形, 留少许余量, 为精加工做好准备。考虑到电极的形状结构, 采用等高外形精加工刀路。
(3) 精加工。精加工后电极要满足设计图样的最终精度, 零件的加工质量与加工设备、装夹、操作者、刀具、冷却液等诸多因素有关, 为此做加工计划时步距、行距、走刀公差的设置要比图样设计小, 这样才能加工出符合质量要求的电极。鼠标模电极上面部分比较平坦, 称为浅平面, 中间滚轮部分曲面陡峭, 称为陡斜面。基于以上工艺分析及曲面特点, 浅平面与陡斜面是一个加工难点。解决这一问题所需的精加工时间长, 同时还要兼顾效率, 因此合理选择精加工方法至关重要, 根据曲面特点可采取平行铣削精加工的刀路安排。
结合以上的工艺分析、优化及该电极的大小, 加工时选用一块75mm×45mm×40mm长方形紫铜毛坯。数控铣床加工, 装夹工具选用平口虎钳.加工原点定在电极毛坯块对称中心的上表面, 粗加工和半精加工刀具选择￠l0立铣刀, 精加工刀具选择￠8的球头刀。
2 鼠标模电极的数控加工过程
2.1 曲面粗加工——平行铣削粗加工
电极粗加工, 采用曲面平行铣削粗加工.以￠l0立铣刀去掉绝大部分加工余量。曲面平行铣削加工是分层清除曲面与加工范围之间的所有材料的加工方法。刀路计算时短, 刀具切削负荷均匀, 加工效率高, 加工表面质量好。加工的主要目的是去除大部分材料, 一般为粗加工的第一步首选方案。步骤如下:选择刀具路径——曲面加工——粗加工——平行铣削——凸——所有的——曲面——执行。然后根据对话框的提示设置各项加工参数:
(1) 设置刀具参数:进给率1 000mm/min:下刀速率100mm/min:提刀速率1 500mm/min;主轴转速2 000r/min。
(2) 设置曲面加工参数:安全高度采用绝对坐标100mm;参考高度采用绝对坐标50mm, 下到位置5mm, 采用快速提刀, 预留0.5mm的加工余量。
(左图为C A M软件仿真加工图、右图为现场加工图)
(3) 设置平行铣削粗加工参数:整体误0.025, 最大z轴进给量1 mm。选择双向铣削方式, 最大切削间距2mm, 加工效果如图2。
2.2 曲面半精加工——等高外形加工
电极半精加工, 为下一步精加工清除障碍。等高外形加工的特点是加工路径产生在相同的等高线轮廓上。对于形状接近零件形状的毛坯, 无需一层一层地对毛坯进行切削。一般常用于侧壁外形曲面精加工及清角加工, 一般也作为平面铣削加工后的二次粗加工。以小直径刀具去除残料。步骤如下:选择刀具路径——曲面加工——精加工——等高外形----所有的——曲面——执行。
(1) 设置刀具参数:进给率1 200mm/min:下刀速率100mm/min;提刀速率1 500mm/min;主轴转速2 500r/min。
(2) 设置曲面加工参数:加工面预留0.1mm的加工余量, 其他参数和上面粗加工相同。
(3) 设置等高外形精加工参数:z轴最大进给量0.15 mm, 整体误差0.025。采用顺铣切削方式。切削深度采用绝对坐标, 最高位置-20, 最低位置-24, 其他设置默认。加工过程见图4。
2.3 曲面精加工——平行铣削精加工
电极精加工, 要得到加工质量最好的曲面, 使用￠8的球头刀采取平行铣削精加工方式进行曲面精加工。平行铣削是分层平行切削加工的方法, 该刀路计算时间长, 提刀次数多, 对坡度小的曲面加工效果较好, 遇有陡斜面时需控制加工角度, 可作为曲面精加工阶段的首选刀路。步骤如下:选择刀具路径工——曲面加工——精加工——平行铣削——所有的——曲面——执行。
(1) 设置刀具参数:进给率1 500mm/min:下刀速率100mm/min;提刀速率1 500mm/min;主轴转速3 000r/min。
(2) 设置曲面加工参数:加工面预留0mm加工余量, 其他参数和上面粗加工相同。
(3) 设置平行铣削精加工参数:整体误差0.025, 采用双向切削方式, 最大切削间距为0.1 mm, 加工角度45°。
2.4 加工时要注意的问题
(1) 工件和刀具一定要装夹牢固, 防止加工过程中出现松动, 影响加工质量甚至报废零件。
(2) 为了得到比较高的加工精度, 建议采用杠杆百分表对刀法进行对刀。
(3) 中间换刀是一定要注意是否在安全的空间位置, 不要出现撞刀事故。
(4) 加工时一定要使用切削液冷却, 最好切削油进行润滑和冷却。
(5) 正确的操作数控车床, 保证安全文明生产。
参考文献
[1]傅伟.Mastercam软件应用技术[M].北京:人民邮电出版社, 2006.
[2]宋国龙.基于Master CAM的曲面造型中加工特点分析[J].陕西科技大学学报, 2009, 27 (5) :127-129.
[3]李立斌.基于Master CAM的曲面零件的数控加工编程[J].机电一体化, 2009 (6) :101-104.
电极加工 篇2
【关键词】：射流泵；电火花；电极损耗；热耦合
前言
射流泵是一种依靠一定压力的工作流体通过喷嘴高速喷出带走被输送流体的泵，其关键工作元件为喷嘴、喉管、扩散管。这几个部件每一个细节的设计都有严格的要求。为了保证射流器具有良好的水力性能，防止出现折冲水流和漏水现象，必须保证喷嘴、喉管、扩散管三者在组装或加工时必须同心，同轴（心）度应达到精度等级的9～10级，或控制在0.05～0.40mm之内，射流器越小，精度要求越高，射流器越大，精度可适当降低，但也必须满足基本的设计准则。对于喷嘴和喉管这两个主要部件，为了减少摩擦阻力损失，提高射流器效率，内壁加工光洁度应达到Ra3.2～1.6以上。其中，扩散管段加工两股流体汇合后整流作用很大。在气体和流体中分别进行过大量实验，其结果均表明当扩散角为4～10°时，阻力系数最小，因此扩散管的扩散角θ在4～10°之间比较好。为了进一步减小扩散损失，当面积比m<4时，可采用分段扩散的方法，扩散角分别由小到大。本次所需加工的扩散管采用这种结构，所以因其深长结构和分段结构复杂，且表面粗糙度要求很高，在加工制造上有相当难度，加工扩散管一般采用定制刀具做深加工。但本次加工的射流泵，属于小批量定制产品，由于专用的定制刀具设计制造费用较高，为节约成本，考虑使用电火花加工扩散管段。
电火花是通过自激放电，放电的两个电极间在放电前具较高的电压，当两电极接近时，其间介质被击穿后，随即发生火花放电。伴随击穿过程，两电极间的电阻急剧变小，两极之间的电压也随之急剧变低。火花通道必须在维持短暂的时间后及时熄灭，才可保持火花放电的“冷极”特性（即通道能量转换的热能来不及传至电极纵深），使通道能量作用于极小范围。这些通道能量的作用，可使电极局部被腐蚀。这是利用火花放电时产生的腐蚀现象对材料进行尺寸加工来达到需要的尺寸。
1.首次加工扩散管状况
本次加工扩散管所使用电极为黄铜电极，在车床上加工成型，使用电火花放电加工机进行加工，采用煤油作为加工介质。
为减少加工难度，节约加工时间，再电火花加工之前，使用钻床对扩散管初始棒料进行多层递进钻孔，加工到圆锥形状。再使用电火花机床进行深度加工。射流泵用于流体流动，对流场所过表面有要求较高，为保证表面精度，对扩散管段加工分为以去除多余材料为主的粗加工和以保证表面精度为主的精加工。经过了钻孔过程，在粗加工后，扩散管段加工情况良好，但电极尖端出现大量斑状脱落，如图1所示，脱落情况与常规经验情况完全不同。导致扩散管初始段加工情况与原计划相差甚远，加工已经无法按照原计划进行，因此，对电极尖端脱落情况进行深度调研分析。2.电极损耗分析
影响电火花加工中电机损耗的主要因素为：电极对材料、加工过程的各种效应（如极性效应、吸附效应、电化学效应等）、脉冲放电波形、电参数、工作介质性质、被加工对象的形状尺寸和供给方式等[1]其中影响较大的是电极材料、极性、电脉冲参数与波形的影响及极间介质及其对供给方式。
根据常识，电极材料被熔化和气化主要考虑导热率和熔点，两者直接影响到其熔化气化所需最低能量密度。
电脉冲参数和波形对电极材料的影响主要是电流峰值会蚀除过多正极材料，尤其是初始阶段电流对正极冲击作用较强，为减少电极腐蚀应采取初始阶段控制电流上升速度。
3.电火花加工中电极材料蚀除过程仿真
3.1.材料属性设定
由于本次分析只针对温度场，不涉及力学性能，30CrMo钢在温度属性上和45钢相似，因此各项系统参数按照45钢设定。
3.2.温度条件设定
电火花放电加工的过程中由于放电时间短暂，放电点面积小，工作液吸收传导热量等原因，只有放电点附近区域受到热力影响。所以可设置为放电点高温（约10000℃），其他部分设置为加工期间平均温度状态（20℃）。
3.3.仿真求解
电极前端一直处于高温状态，其他部分温度正常，因此，在长时间加工的过程中，电极前端损耗会很大。由于电极前端本身加工工艺和材料的微小差异等因素，其腐蚀脱落也显得不均匀。
3.4.解决方案
射流泵属于流场要求极高设备，如果电极前端腐蚀情况不能得到有效改善，所加工出扩散管流道也不能满足射流需求。但电极前端加工没有更好的办法来保证腐蚀脱落情况满足要求，因此采用一个尺寸与原电极尺寸一致的电极进行补偿加工，之前电极脱落过多导致未加工到的残余加工量较小，可通过二次补偿加工实现完成，因为时间短暂，不会形成过多破损。
于是采用此种方法加工，第二次经过一小时加工时间，加工成型，无需再次精细电火花加工。所加工产品粗糙度达到Ra1.6，能满足射流泵扩散管的需求。
4.结论与展望
4.1.电火花加工中，电极端长期处于高温状态，只要有一点物质不均匀的情况，就容易发生电极腐蚀脱落不均匀，影响加工工件成型。电极材料在使用前，应加大检验力度，杜绝材料元素分布不均及加工不均等情况。（2）加工过程可采用多次加工成型法，使加工工件达到较高表面要求。（3）对于如何克服电极在加工中出现缺陷的情况，有待于进一步研
【参考文献】：
[1]王长法，微细电火花加工中的电极损耗补偿研究[D]，上海交通大学，2009
[2]张天鹏，微细电火花加工工艺的基础性研究[D]，南京航空航天大学，2006
[3]顾丰，电火花微小孔加工工艺参数优化及建模的研究[D]，大连理工大学，2006
[4]王星海，电火花加工液性能改进技术研究[D]，烟台大学，2008
【作者简介】：
多功能电火花加工专用电极夹具 篇3
随着模具应用的高速发展, 电火花成型机床因适用高硬度、难加工以及复杂型腔的导电材料的加工而被广泛用于模具加工。在电火花加工中, 由于不同工艺条件需要使用不同的电极, 电极夹具是电火花加工中不可或缺的部件。现有的电火花机床放电加工, 电极的装夹主要有两种方式:1) 通过各式的连杆装置装夹, 如加工电极和连杆装置一体加工, 直接使用, 存在成本高的问题;2) 在电极上加工螺纹孔, 根据需要选择标准件螺栓和电极连接到一起使用, 是目前最常用方式, 但存在材料浪费, 加工成本有待进一步控制。本文介绍一种功能多样, 装夹方便, 节约电极材料, 降低成本的电火花加工专用电极夹具。
1 专用夹具的组成
多功能电火花电极专用夹具的组成结构如图1所示。
连接杆1和加长连接杆5可与电火花机床主轴联接。连接杆1可与加长连接杆5连接, 实现Z方向加长。连接杆1与固定压板2通过滚珠轴承4和连接螺钉6实现联接固定, 能实现90°旋转。固定压板2与活动压板3通过连接螺钉8联接, 电极通过定位调节螺钉与夹紧螺钉7、8、9夹紧在固定压板2与活动压板3之间。
1.连接杆2.固定压板3.活动压板4.固定压板滚珠轴承5.加长连接杆6.连接杆固定螺钉7.定位调节螺钉8.活动压板连接螺钉 (电极夹紧螺钉) 9.电极夹紧螺钉
这套夹具核心设计组成部件为连接杆1、固定压板2、活动压板3, 其它组成部件都选择标准件。如:固定压板滚珠轴承4为型号626的标准件深沟球滚珠轴承;加长连接杆5可根据加工零件的深度选择不同规格标准件M10的螺栓;定位调节螺钉与连接螺钉7、8、9可根据夹紧电极大小选择合适长度的标准件M10内六角螺钉。整套零件需要加工的部件1、2、3工艺过程简单, 而且也不需要太高的精度, 夹具安装在电火花机床主轴上, 再夹紧电极, 通过主轴调节螺钉调节找正。
2 专用夹具在电火花加工中的应用
电火花加工技术日新月异的发展, 机床厂家也对生产技术进行改进, 向着精密化, 智能化、自动化、复合化发展, 三轴电火花机床因此被广泛应用, 可以实现X、Y、Z三轴全部由机床控制, 可加工出更复杂的型腔。这套夹具不管在普通电火花机床还是在三轴电火花机床中, 都可以广泛使用。下面介绍这套夹具的使用方法。
1) 夹具的安装与调整。本夹具设计了连接杆1和加长连接杆5, 根据加工电极深度要求, 把连接杆1或加长连接杆5直接装在电火花机床主轴的钻夹头上锁紧。
2) 电极的装夹。根据电极的形状、大小, 可选择不同的装夹方式如下:
a.电极装夹宽度小于30 mm情况下, 通过连接螺钉8把固定压板2与活动压板3锁紧, 把电极放在固定压板2与活动压板3之间, 通过电极夹紧螺钉9把电极夹紧装夹在夹具上, 如图2所示。
b.电极装夹宽度大于30 mm小于70 mm情况下 (装夹宽度大于70 mm的情况下不建议使用本夹具装夹) , 通过连接螺钉8把固定压板2与活动压板3调整到合适的宽度, 把电极放在固定压板2与活动压板3之间, 调整定位调节螺钉7, 通过锁紧连接螺钉8把电极夹具在夹具上, 如图3所示。
c.加工深腔侧面的情况下, 根据加工深度选择长度合适的标准件M10的螺栓 (加长连接杆5) 与连接杆1通过螺纹连接, 松开连接杆固定螺钉6, 旋转至90°位置锁紧, 装夹电极, 即可实现深腔侧面的放电加工, 如图4所示。
d.加工深腔小电极的情况下, 根据加工深度选择长度合适的标准件M10的螺栓 (加长连接杆5) , 在小电极底面加工M10螺纹孔, 把电极直接装夹在加长连接杆5上, 即可实现深腔小电极的放电加工, 如图5所示。
3) 电极调整。在电火花加工设备上, 电极通过专用夹具装夹在主轴, 需要通过打表或者放电加工找正电极与工件的相对位置, 夹具和电极作为一个整体, 通过调节电火花机床主轴上的6个调节螺钉, 确定电极的位置关系。如需调整较大角度, 可直接松开连接杆固定螺钉6, 调整电极角度, 再通过主轴上的六个调节螺钉调整。
4) 电火花加工。零件与电极找正完成后, 启动放电加工程序, 即可进行放电加工。如同一电极需在不同表面加工时 (零件装夹底面除外) , 只需要调节夹具角度与主轴上的6个调节螺钉找正, 无需重新拆装电极与零件, 即可实现放电加工。
3 专用夹具设计特点
1) 提高生产效率。专用夹具的设计采用各种快速高效的装夹机构, 缩短辅助时间, 提高生产效率。
2) 工艺性能好。专用夹具的结构简单、合理, 便于制造、装配、维修等。
3) 使用性能好。专用夹具的操作简便、省力、安全可靠, 可实现电极90°旋转, 在三轴电火花机床中可实现一次装夹找正零件, X、Y、Z轴三个方向的放电加工, 无需重新装夹找正零件。
4) 经济性好。专用夹具尽可能使用了标准件, 力求结构简单、制造容易, 以降低夹具的制造成本;电极上也不用加工螺纹孔, 减少加工工序, 节约材料, 降低生产成本。
4 结语
本文介绍的多功能电火花专用夹具结构简单, 制造容易, 适用于普通电火花机床与三轴电火花机床各类电极的装夹, 应用范围广、操作简便、安全可靠, 是一套功能全面、经济性能高的电火花专用夹具。
摘要：采用了各种快速高效的装夹机构设计夹具, 操作方便, 可缩短辅助时间, 提高生产效率, 节约材料, 降低生产成本, 在电火花机床加工中可广泛使用。
关键词：电火花加工,电极专用夹具,夹具设计
参考文献
[1]董海涛.一种简易的电火花专用夹具[J].机械工程师, 2012 (4) :108-109.
电极加工 篇4
近年来,钛及其合金已被广泛应用于航空、航天、原子能、海洋开发以及医疗器械等方面,这是与其诸多优良性能分不开的。钛合金的密度小,强度高,不生锈,抗冲击,并具有优异的耐热和耐腐蚀性能。然而,钛合金的导热性差、黏性大、塑性低、硬度高、弹性变形大等特点,导致其机械加工困难,是具有代表性的难切削材料之一[1]。
电火花加工[2]电极和工件不直接接触,不存在机械应力,依靠两极间脉冲性火花放电产生大量的热量,使材料熔化、气化并抛离基体,因此可缓解钛合金机械加工难的问题。
但钛合金电火花加工也有其特殊性。与常规金属相比,钛合金材料放电加工有下列加工特性[3]:1) 钛合金的热传导率极差(约为黑色金属的1/5),电火花加工过程中的极间热量不能及时向外传播,同时火花油局部高温分解后可能在极间积碳,严重时会产生拉弧,烧伤电极。2) 钛合金在高温时其化学活性很高,电火花放电后与O2,H2,CO,CO2等气体及加工介质中析出的碳发生化学反应,并会生成TiC,TiN等更高熔点的薄膜,使表面硬化、变脆,增大电火花加工的难度。3) 钛合金的化学亲和力大,易与放电产物发生粘附,引起电弧放电、二次放电等现象,也会导致极间局部积碳,烧伤电极,导致电极损耗严重、零件表面品质降低等后果。
从上述特性可以看出采用传统的油类工作介质对钛合金进行放电加工,电极损耗大、加工效率低,西南交通大学的强华等[4]采用紫铜电极对TC4钛合金进行电火花成形加工实验,测得精规准时电极相对损耗率高达45%。
为改善油类工作介质对钛合金放电加工的负面影响,有些学者以水作为工作介质代替火花油行试验研究。台湾国立中央大学的萧至君[5]和S.L.Chen[6]分别研究了火花油、蒸馏水对钛合金放电加工特性的影响,发现采用蒸馏水作工作介质可获得较高的材料去除率和低的电极相对损耗,且加工更稳定。但并未给出这一现象产生的机制解释。
本文以钛合金TC4为加工对象,使用紫铜电极在蒸馏水和火花油中进行电火花加工对比试验,分别探讨钛合金TC4在两种工作介质中放电加工的电极损耗机理,进而为制定减少电极损耗的工艺措施提供理论指导和实践依据。
1 试验条件
1)试验设备:
NH7125数控电火花成形加工机床;
2)试验材料:
TC4钛合金(Ti-6Al-4V,密度4.5g/cm3);
电极材料:紫铜(直径d10.0mm,密度8.9g/cm3);
3) 工作液:
蒸馏水、火花油;
4) 检测设备:
优利德公司的UT2000数字存储示波器、日本日立公司S3400扫描电子显微镜、FA1004电子天平。
2 试验内容
试验选用三组不同的电参数和2种工作液(蒸馏水和火花油)对TC4进行电火花加工实验。主要电参数如表1所示。由于钛合金在蒸馏水中采用正极性加工时,会在加工区域的周围产生蓝紫膜,而负极性加工没有蓝紫膜产生,因此本试验采用负极性加工。加工时间为10min,加工前后用电子天平FA1004(分辩率为0.1mg)称出工具电极的质量(称前用超声清洗机清洗并吹干),进而比较两种工作介质的电极相对损耗率。
3 试验结果与讨论
从图1中可以看出:两种加工条件电极绝对损耗相差不大,均较小,并且在条件2和3时,蒸馏水加工中的电极损耗均比火花油小,而在条件1时比火花油大。分析认为:在蒸馏水中加工在电极表面会产生钛的氧化物,加上工件的飞溅产物,将形成一层与火花油中产生的覆盖层相似的保护层,有效地降低电极损耗。随着脉宽及电规准的增大,火花油中碳的覆盖效应愈加明显,能更有效地减少电极损耗,而蒸馏水中不存在碳元素,不会产生碳的覆盖效应,
从图2中可以看出:1) 无论使用火花油还是蒸馏水作工作液,钛合金放电加工电极相对损耗均随着电规准的减小而增大。分析认为:脉宽变大,单位时间内脉冲放电次数减少,使放电击穿过程引起的工具电极损耗的影响减少;同时,负极(工件)承受正离子轰击的机会增多,正离子加速的时间也长,极性效应比较明显。另外,脉冲时间的延长,电极覆盖效应增加,对电极表面起的补偿作用也减少了。2) 在任一条件下,钛合金在蒸馏水中放电加工的电极相对损耗率均小于火花油。分析认为:蒸馏水的流动性和冷却性均比火花油好,能及时将蚀除产物排出加工间隙,且及时冷却放电通道,消电离较充分,加工时能更好地改善极间的工作状况,加工过程更稳定,大大提高了脉冲利用率,从而降低了电极相对损耗率。
因此,采用蒸馏水作为工作介质进行钛合金TC4的放电加工,电极绝对损耗与火花油相差不大,而相对损耗却大大降低。
为进一步分析钛合金在蒸馏水和火花油中加工的放电状态,进而研究电极损耗的机理,下面从蒸馏水和火花油的放电波形和电极表面微观形貌进行分析。
3.1 波形分析
图3为在条件3时分别在蒸馏水和火花油中加工所采集的典型的放电波形。从图中可看出:火花油中的放电间隙电压比蒸馏水大。分析认为:火花油的绝缘性较蒸馏水强,即极间电阻大,则两极间的放电维持电压较高,导致单脉冲放电能量增加,极间放电后产生的发热量增加。
另一方面,考虑加工的连续状态,采集了连续加工波形如图4所示。从图4中可以看出:钛合金在蒸馏水中的加工多为正常放电状态而火花油中的加工存在部分拉弧放电状态,即钛合金在蒸馏水中的加工状态比在火花油中稳定。分析认为:蒸馏水的流动性和导热性好,有利于消电离的进行,保证了加工的稳定性,另外其脉冲利用率高,加工效率快;而火花油中部分击穿延时时间为零表明放电间隙小,极间介质的物理状态恶化(蚀除产物浓度过大或是局部温度过高),从而造成电弧放电。且火花油的导热性和流动性差,热量扩散缓慢,热量主要集中在两极之间。从而使电极吸收的能量过大,损耗率也大大提高,同时也降低了加工效率。
钛合金TC4由于热导率(15.24W·m-1·k-1)较低,所吸收的能量也少,而紫铜电极的热导率(386.4W·m-1·k-1)较高,所吸收的热量较多,但是其所能吸收的热量是一定的,那么剩余的热量只能向工作介质传递。由于蒸馏水的导热率(0.54W·m-1·k-1)大约是火花油(0.12 W·m-1·k-1)的4倍,其带走的热量比火花油多,且其流动性好,能带走更多的热量和极间的离子,因此消电离就充分,放电加工稳定。而火花油的流动性差,能带走的热量有限,导致其消电离不充分,易引起拉弧放电,增加电极损耗。图4(b)中的异常波形,就是消电离不充分而引起的拉弧放电。
3.2 微观形貌和主要成分分析
a) 微观形貌分析
图5为条件3的电极表面形貌SEM图。可以明显的看出,蒸馏水中加工的电极表面比较平整光滑,而火花油中加工的电极表面较粗糙。分析认为:在电火花加工过程中,每次脉冲放电都会使电极表面的局部金属瞬时熔化和气化,其中有一部分被抛离电极表面而在液体介质中冷却凝固,其余的则在电蚀坑周围重新凝固。蒸馏水的流动性和冷却效果均优于火花油,加工过程中产生的气泡可带走部分热量且极大的改善极间介质的流动状况,因此蚀除产物部分抛离电极表面可迅速得到冷却并被水流带走,这就使得电极表面较为平整,并且电极上分配到的能量也降低,进一步减少了电极的损耗。火花油的流动性差,蚀除产物形成后排出比较困难,部分蚀除产物在加工区域重新冷却凝固在电极表面,形成较大的液滴。此外加工过程的放电能量向外扩散缓慢,集中在两极,导致拉弧现象产生,电极损耗增加。
b) 主要成分分析
试验采用扫描电镜附加的能谱分析仪器对电极表面的主要成分进行分析。图6为蒸馏水和火花油中进行条件3加工的电极表面能谱图。表2为电极表面主要成分表。从表2中可以看出:1) 在蒸馏水中加工的电极表面含有大量钛和氧,其存在形式主要是钛的氧化物。分析认为:加工过程中工件的基体材料熔化、气化,在抛离工件表面后与蒸馏水中的氧气发生氧化反应,并附着在电极表面形成一层保护膜,可减少电极损耗。2) 在火花油中加工的电极表面含有大量钛和碳,其存在形式主要是钛的碳化物。分析认为:在电火花加工过程中,工件的蚀除产物和火花油分解的含碳物附着于电极上,并渗入电极内部,表面形成覆盖层,即覆盖效应。除了碳层的覆盖效应,由于钛的化学活泼性质,工件的蚀除产物钛和火花油的分解产物碳在高温条件下可发生化学反应形成钛的碳化物,并附着在电极表面。
综上所述,电极表面分别出现钛的氧化物和钛的碳化物,钛的碳化物熔点(3150℃)远远高于钛的氧化物熔点(1750℃),因此熔化、气化钛的碳化物所需要的能量更多,即火花油中电极表面的覆盖层更有利于减少电极损耗。但是覆盖层除了钛的化合物还有工件的飞溅产物,从表2中可以看出在蒸馏水中电极表面钛的含量较火花油高,说明工件的飞溅产物较多,使其电极绝对损耗与火花油相当且较小。此外这些钛的化合物同样存在于工件表面,且两者的熔点均高于纯钛的熔点(1660℃),对加工效率产生一定的抑制作用,只是钛的氧化物的熔点与纯钛相差不大,对加工效率的影响较小,而钛的碳化物一旦在工件表面形成,则蚀除更加困难,因此会造成钛合金TC4在火花油中加工效率进一步降低,导致进一步增加了在火花油中加工的相对电极损耗。
4 结论
本文研究了钛合金在蒸馏水和火花油中放电加工的电极损耗机理,得出如下结论:
1) 钛合金在蒸馏水和火花油中加工的电极相对损耗损耗均随着电规准的减小而增加。
2) 由于蒸馏水热导率比火花油高4倍以上,且流动性和冷却性也较好,消电离过程中能带走极间大部分热量和离子,使得消电离较充分,加工稳定,大大提高了加工效率。相应地,电极相对损耗比火花油低。
3) 无论参数大小,钛合金在蒸馏水中加工的电极表面均比在火花油中加工的电极表面平整,即钛合金在火花油中加工的电极表面比较粗糙,对加工精度影响较大。
4) 两种加工方式在电极表面均形成覆盖层,其中包括钛的化合物(氧化钛和碳化钛)和工件的飞溅产物。因此,两种加工方式的电极绝对损耗均较小且相差不大。
摘要：针对钛合金TC4在火花油中放电加工电极损耗大的问题,以蒸馏水和火花油为工作介质,进行了钛合金TC4的放电加工试验,分析比较了两者的电极绝对损耗量和相对损耗率的差异,并从加工波形和加工后电极的表面微观形貌及主要成分等几个方面研究了电极损耗机制。结果表明:蒸馏水的绝缘性较差,而流动性和冷却性好,消电离较充分,改善了极间状态,加工稳定,使加工效率大大提高;另外加工过程中产生的少量氧化钛和从工件飞溅的蚀除产物附着在电极表面,形成覆盖层,有效抑制了电极损耗。其电极绝对损耗与火花油加工时相差不大但相对损耗却大大降低。
关键词：钛合金TC4,电火花,电极损耗,机理
参考文献
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电极加工 篇5
在电火花成型加工中, 随着加工深度不断增加, 工具电极进入放电区域的时间是从端部向上逐渐减少的。实际上, 工件则壁主要依靠工具电极底部端面的周边加工出来的。因此加工造成的损耗也必然从底端向上逐渐减久形成损耗锥度。工具电极的损耗锥度反映到工件加工型面上, 即形成加工斜面[1]。故而工具电极的损耗直接影响到被加工件的尺寸精度和仿形精度, 因此研究与电极损耗有关的因素, 是十分重要的。
1 电极损耗的物理本质
从电火花加工原理可知, 在电火花加工中, 阳极和阴极表面分别受到电子和正离子的轰击, 在瞬时高温的作用下, 它们都会受到腐蚀。所以在对工件加工过程中, 不可避免地工具也要发生损耗。单位时间内工件的电蚀量称之为加工速度;单位时间内工具的电蚀量称之为工具损耗速度。单从损耗速度不能衡量出工具耐损耗的程度, 还要看同时能达到的加工速度。因此, 一般在生产实际中采用相对损耗θ作为衡量工具电极耐损耗的指标, 即
电火花加工是通过工具和工件放电时产生的高温来熔化、气化蚀除金属材料的。因此, 放电能量在两个电极上的分配对它们的电蚀量的影响是一个极为重要的因素。设单个脉冲放电能量为W p, 忽略击穿延时时间可得:
式中:为脉冲宽度 (s) ;为放电电压 (V) ;为放电电流 (A) 。
对于矩形放电波形, 的取值如下[2]:
式中:为峰值电流 (A) ;为正整数序列;为脉冲间隔 (s) 。
W p共消耗在三个地方:
(1) 传递给工件的能量。
(2) 传递到工具电极的能量。
(3) 工作液吸收能量。对加工没有贡献, 加工中应尽量减小这部分能量损耗。因此有:
单个脉冲能量中工具电极吸收的部分为
其中, 为工具电极的能量分配系数, 与电极对材料、极间介质、极间间隙等有关。
对于一段加工时间T, 工具电极吸收的能量可看成所有单个的总和[3],
此时, 工具的放电腐蚀量可表示为:
其中, 为比例系数, 与加工极性、极间介质、工具材料、工件材料、电极形状、加工时间以及脉冲电源的各项参数都有密切关系。
由于电火花放电的微观物理过程非常复杂, 每次火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。、与电极材料、极间间隙、工作液等许多因素有关, 而且放电产生的等离子通道中温度分布不均匀, 、的具体值很难确定。但从上面分析可知峰值电流, 脉冲宽度, 占空比对工具能量有着重要的影响。因此本文对这三个影响因素做了实验分析, 研究这三个因素对电极损耗的影响。
2 实验条件和实验内容
2.1 实验条件
机床:HCD300K型电火花机床, 控制柜型号为MD20。
工具电极:紫铜柱状电极, 直径为6.48mm。
工件采用4 5#钢。
工作液:电火花机床专业煤油。
加工极性:负极性加工。
2.2 实验内容
实验重点考虑的参数:脉冲宽度、峰值电流、占空比 (脉冲宽度与脉冲间隔之比) , 其他电加工试验参数设定根据机床本身要求给定。每次加工直径为6.4 8 m m, 深为2 m m的盲孔, 记录下加工所需时间和工具电极损耗的长度。
3 实验结果与分析
3.1 实验结果
实验加工参数如表1所示。
各组加工的实验结果及处理结果如表2所示。
3.2 实验分析
从上述实验结果可以看出, 工具电极相对损耗受到峰值电流、脉冲宽度、占空比共同的影响。
3.2.1 单因素分析
(1) 峰值电流:从前三组实验可以看出, 在其它加工条件相同的情况下, 随着峰值电流的增大, 电极相对损耗也增大, 如图1所示。这是因为在负极性加工中, 工具的损耗主要是由电子流的轰击造成的, 峰值电流的增大, 意味着电子流密度的增大, 造成了工具的较大损耗。另外, 峰值电流的增大也会引起电弧放电的增加, 造成工具的烧伤, 使工具相对损耗增大。再者, 脉冲峰值电流增大, 脉冲能量在短时间过于集中, 不利于“覆盖效应”的利用, 而且火花间隙变小, 间隙电容增大, 从而引起电极损耗的增加。
(2) 脉冲宽度:以第2、4及第5组实验结果比较可见, 在一定的加工条件下, 随着脉冲宽度的增大, 工具相对损耗迅速减小, 如图2所示。这是因为单位时间内脉冲放电次数减少, 使放电击穿引起电极。同时由于工具电极表面沉积的碳胶团厚度相应增加, 起到保护电极的作用并且脉冲宽度的增加使得放电间隙内的粘结现象增强, 这也起到了补偿工具损耗的作用, 最终致使阳极的蚀除减缓, 而此时阴极的蚀除量一直在按放电次数的增加按比例增大, 结果导致了工具相对损耗迅速减小。
(3) 占空比:比较第6、2及第7组实验结果, 一定脉宽时, 刚开始时占空比增大, 工具相对损耗变化不大, 这主要是因为随着占空比的增大, 脉冲频率提高, 工具损耗速度增大, 但同时加工速度也增大, 因此工具相对损耗变化不大。但占空比继续增大时, 即脉冲间隔时间减少, 使得电极表面温度升高, 有利于碳黑膜的形成, 从而电极损耗大幅度地降低。占空比总体上对相对电极损耗的影响如图3所示。
但占空比过大时, 使得放电间隙的电离状态来不及消除, 电蚀产物不能有效地扩散排除, 会产生电弧放电, 以致烧伤工件, 影响正常加工。所以, 实际加工过程中占空比的选择应根据具体情况, 灵活运用, 一般在粗加工和半精加工时, 占空比为1 0至2;精加工时为0.2至0.1[4]。
3.2.2 奇异数据分析
(1) 第2组和第8组实验结果分析。
按前面分析, 峰值电流的增加, 工具电极损耗理论上应该是增加的, 但从2、8组实验结果却出现了减小的现象。拿电极表面图 (图4) 比较可以看出, 第2组的电极表面较洁白, 而第8组的表面有明显的一碳黑层。这主要是由于第2组的脉冲间隔较大, 不利于在前一个放电点附近形成重复放电, 不易形成碳黑层。同时, 由于脉冲间隔较大, 脉冲频率变小, 加工速度变慢, 从而使得工具电极的相对损耗比第8组的损耗大。
(2) 第4组和第9组实验结果分析。
比较第9组和第4组的实验, 二者脉宽相同, 前者的峰值电流比后者的大, 同时, 前者的占空比后者小, 这两个因素都导致前者的工具电极相对损耗都比后者大, 但实验结果却是二者的工具电极相对损耗几乎相等。这是由于实验测量的是电极损耗的长度, 仅能获得单一方向上的电极损耗状态, 在径向方面没有考虑, 从图5可以看出, 由于一直没有修正和更换电极, 使得工具电极凸台, 则测出来的电极损耗应该比实际的小的多, 即测量问题导致了第4组和第9组的电极相对损耗相近的结果。
图5所示的工具电极成了明显的凸台的形状, 造成如此形状的原因是由于一直使用同一根电极加工, 工件表面不是很平整, 电极损耗各部位损耗不均匀, 而且工作液中的电蚀产物增加导致的二次放电, 使得工具电极的边角部分出现了严重的损耗, 故而工具电极形成了凸台状。用有明显凸台状的电极在加工时, 将导致加工中无法达到实际加工尺寸, 而且加工出的形状不能满足要求。因此, 有必要对电极进行修正或更换。若是不能进行修正或更换电极时, 只能通过电极损耗的在线补偿技术保证被加工件的尺寸精度和仿形精度。
4 结语
由实验结果可知, 这些实验基本上与符合一般情况下的电火花加工电极损耗的规律, 即在碳氢化合物为加工液, 采用负极性加工时, 小电流、宽脉冲、窄脉冲间隔都使电极损耗减少。在实际电火花加工中应根据加工的要求以及电极与工件材料、加工工艺指标、经济效果等因素来合理地转换和匹配电参数, 方能在粗加工中使工件蚀除速度最高, 工具电极损耗最小。
同时, 在模具型腔加工中, 加工了一段时间后, 电极将会出现明显的钝化, 形成明显的凸台状, 从直接影响到被加工件的尺寸精度和仿形精度, 因此应该及时修正或更换电极。由于在某些场合电极的损耗难以减小, 而且电极的修整或更换不可能频繁进行, 解决电极损耗问题的根本策略是电极损耗的在线补偿技术, 如采用电极等损耗加工的方法进行工具电极的补偿或利用数学工具计算, 对加工过程电极损耗进行数值仿真实现电极的补偿, 从而降低电极损耗, 使其满足被加工件的尺寸精度和仿形精度。
摘要：本文在进行了电火花机床加工盲孔的实验的基础上, 从实验结果分析了峰值电流、脉冲宽度和占空比对电极相对损耗的影响。并从实验加工后的电极形状出发, 说明了在不能修正和更换电极的情况下, 模具型腔加工中电极在线补偿的重要性。
关键词：电极损耗,峰值电流,脉冲宽度,占空比
参考文献
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电极加工 篇6
关键词：电解加工,电流阈值控制,短路
0 前言
对于用难加工材料, 如高温耐热镍基合金、钴基合金制成的空心冷却涡轮叶片和导向器叶片, 其上有许多小孔, 特别是深小孔和呈多向不同角度分布的小孔, 用普通机械钻削方法加工特别困难;用激光加工和电火花加工又存在表面再铸层问题[1,2,3];而管电极电解不仅可以加工微孔、深径比较大的孔、椭圆孔、矩形孔以及复杂端面孔[4], 而且具有加工效率高、加工表面品质好等优点。
但是管电极电解加工还存在一些问题限制了它的发展与应用, 例如:火花短路、杂散腐蚀等[5]。电解加工为了获得较好的加工品质, 加工间隙稳定维持在比较小的水平, 但是加工间隙过小, 电解液不易完全冲走加工间隙内的电解产物, 使加工状态不稳定, 容易发生短路现象, 从而导致阳极工件与阴极工具出现烧损[6]。另外, 在管电极电解加工中, 往往是通过在设备中预先设定进给深度开环控制它的加工过程。这种加工方式存在着一些问题, 当进给深度不足时, 整个孔没有完全打通;当进给深度过大时, 孔出口处出现过腐蚀现象。
本文所提出电流阈值控制方案进行短路监控和抑制孔出口处的杂散腐蚀, 基于LabVIEW进行管电极电解加工监控系统的设计。
1 管电极电解加工系统
试验采用的电解加工机床由机床主体、供液系统、电源以及控制系统等组成 (图1) 。试验采用LabVIEW虚拟仪器技术来建立电流阀值控制系统, 主要完成运动控制、数据采集、数值计算、电路通断控制、前面板显示等功能[7]。这样不仅使得系统硬件结构简单, 软件开发、维护方便、开发周期短, 而且系统具有良好的柔性, 可根据要求升级。运动控制卡PCI-7344 拥有的2个68针I/O口可输出5V电压控制固态继电器的通断, ADC输入通道用于采集采样电阻两端的电压。采样电阻串联在整个回路中, 阻值为1Ω, 其两端电压的变化可反映整个回路电流的变化。
2 问题分析
当管电极电解加工达到加工平衡状态时, 有以下关系式:
推算出到达平衡间隙的加工电流
undefined (3)
式中:Δb——加工平衡间隙;
v ——阴极工具进给速度;
η ——电流效率;
ω ——体积电化学当量;
κ ——电导率;
S ——管电极的端面面积;
UR ——间隙电解液中的电压降。
短路时, 电流信号会急剧变大, 因此可以用实时监测加工过程的电流值I与某阈值进行比较来判断加工是否进入危险状态。
之前, 有学者采用式 (3) 计算出来的加工电流Ib作为阈值[8]。但是在实际电解加工过程中, 电流信号存在波动性 (图2) 。这是由于加工电流通过电解液而产生焦耳热, 使电解液温度也沿流程增加, 从而使电解液的电流效率直接产生变化。另外, 电解加工过程中, 阴极反应中会有大量氢气析出, 阳极反应也可能有氧气、氯气和二氧化氮等气体析出。析出的气体以微小气泡形式混合在流过加工间隙的电解液中, 形成气液两相流, 从而引起电导率发生变化。而这一变化, 又促使电流密度产生变化。电流效率与电流密度的变化都将最终导致平衡间隙的电流信号产生波动。所以采用式 (3) 计算出来的加工电流Ib作为阈值是不准确的。
在相同参数的条件下, 每次正常的管电极电解加工的电流信号基本上如图2所示。在加工起始阶段, 加工电流逐渐变大, 最后达到稳定平衡状态, 加工电流信号波动较小。这是因为随着电化学加工的进行, 加工电流和加工间隙逐渐变化;而这一变化又会引起间隙中的电场分布的变化, 从而引起阳极蚀除速度的变化;进而又引起电场变化;如此交互影响, 最后达到稳定平衡加工状态, 则此时的加工电流信号称为稳恒状态电流。如图2所示, 可以推算出稳恒状态电流的最大波动值为:
式中:Imax——稳恒状态电流的最大值 (0.64A) ;
Imin ——稳恒状态电流的最小值 (0.52A) ;
Imean ——稳恒状态电流的平均值 (0.58A) 。
考虑某些相对波动较大的加工状态, 则判断短路的阈值应该大于稳恒状态电流的1.102倍。
另外从多次试验发现, 加工结束过早, 孔出现未完全打通;加工结束过迟, 孔出口处出现杂散腐蚀。从图2可以看出, 加工过程中电流信号急剧下降, 但是并没有下降为零。对比未打通孔之前的状态与打通孔之后的状态, 发现两个状态最大的区别就是通孔之后电化学反应面积减小, 这样必将导致电场强度发生变化如图3所示。在通孔之后, 由于侧面间隙的存在, 通孔处存在电解液, 而加工电压仍在施加, 所以孔出口处发生电化学反应, 从而出现了杂散腐蚀现象。
3 控制系统及策略设计
本试验通过对LabVIEW程序的编辑, 实现阈值Ic柔性设置, 即把阈值Ic设置在LabVIEW程序的“阈值比较”FOR循环之外, 这样每次进行“阈值比较”FOR循环之前就要把阈值Ic重新读入。在加工过程中, 就可以根据前面板所观察到的稳恒状态电流信号来设置与更改阈值Ic, 从而更加符合实际情况。
在事先设置好采样频率的情况下, 当加工过程中的电流值I>Ic时, 则判断加工处于危险状态, LabVIEW程序立即通过运动控制卡PCI-7344使步进电机停止进给一段时间, 以便使间隙内的电解蚀除物得到充分的排出, 同时让程序中的计数器开始累计短路次数, 即电流值I每大于Ic一次, 短路次数加一。当短路次数在短路次数阈值nc的范围内, 电流信号又恢复平衡稳定状态, 则判断纯属“瞬间短路”, 这时由LabVIEW程序控制步进电机按原进给速度继续进给加工;当短路次数大于短路次数阈值nc时, 说明电解液仍然无法充分排出蚀除物, 加工处于无法挽救的状态, 则判断为“持续性短路”, 这时由LabVIEW程序通过运动控制卡PCI-7344的I/O通道, 给固态继电器输出5V电压, 让其切断回路电流, 同时通过运动控制卡让电机带动阴极工具快速回退, 从而对整个加工系统起到良好的保护作用。
另外, 考虑到在通孔时刻管电极电解加工电流信号下降的特性, 可以用电流信号与某阈值Id比较来判断加工是否完毕。当电流信号
4 试验安排及结果分析
试验中, 阴极工具为涂绝缘层的不锈钢型管, 内径0.5mm, 外径0.8mm;绝缘层材料是聚酯, 厚度为0.05mm;阳极工件材料为厚度1.9mm的不锈钢。电解液采用浓度为17%的硝酸钠溶液, 工作温度为室温。加工采用直流电源。电源的加工电压为10V, 阴极工具进给速度为0.9mm/min, 初始间隙为0.2mm, 泵压为0.5MPa。在相同设备中共进行36组试验。在无电流阈值控制的时候, 试验中设置进给深度为1.9mm;在具备电流阈值控制的时候, 试验中取稳恒状态电流的1.5倍作为判断短路的阈值Ic, 再分别取稳恒状态电流的80%, 60%, 40%, 30%作为判断是否加工完毕的阈值Id。两种情况各重复试验18次。
4.1 过程稳定性及系统保护效果的比较
在所有无电流阈值控制的试验中, 共发生8次短路, 而且每次短路都导致阴极工具端面出现烧伤区, 局部绝缘层脱落, 阳极工件出现亮点如图5所示。这是因为当加工过程中发生瞬间短路时, 阴极工具依然进给, 电解蚀除物难以充分排出, 因此导致每次加工都无法延续。另外, 由于系统采用人为观测短路打火现象再关闭电源的策略, 这样当发生持续性短路打火现象时, 阴极工具不能及时快速回退, 滞后的时间已经足以让阳极工件和阴极工具绝缘层被烧坏。
而在采用电流阈值控制的加工试验中, 共发生3次瞬间短路, 4次持续性短路。当发生瞬间短路时, 阴极工具停止进给, 间隙中的电解蚀除物得到电解液的充分排出, 从而使电流信号恢复正常, 则阴极工具按原进给速度继续进给加工 (图6) 。
当然, 有时电解蚀除物来不及被充分排出, 加工一直处于短路状态, 则判断为“持续性短路”。这时, 程序立即通过运动控制卡的I/O通道给固态继电器输出5V电压, 让其切断电路, 同时通过运动控制卡控制步进电机让阴极工具快速回退, 从而对加工系统起到良好的保护作用, 在18组试验中阴极工具仅一次被烧毁。但是从试验中也可以发现, 采用电流阈值控制, 短路问题难以彻底解决。
4.2 孔出口效果的比较
在无电流阈值控制的试验中, 加工正常完成的工件孔出口处出现明显杂散腐蚀现象, 阳极工件的成型精度较差 (图7) 。这是因为阴极工具在达到进给深度之前已经把孔完全打通。而电压还在施加, 孔出口处仍在发生电化学反应, 则产生了孔出口处尺寸过大的过腐蚀现象。
采用电流阈值控制的加工效果如图8所示。在Id为80%稳恒电流和60%稳恒电流的试验中, 工件出现未完全打通孔。这是因为固态继电器断电过早, 孔加工还没有完全结束。在Id为30%稳恒电流的试验中可以发现, 工件孔背面出现微弱的过腐蚀, 说明固态继电器断电微迟, 加工完成后电化学反应仍在进行。
而在Id为40%稳恒电流的试验中发现, 工件孔恰好被完全打通, 孔出口处基本无杂散腐蚀。这是因为在完全打通孔瞬间, 固态继电器刚好切断电路, 从而保证了阳极工件的孔出口品质。
5 结论
用电流阈值控制方案实现了管电极电解加工控制系统的设计并验证了它的可行性。采用电流阈值控制的机床系统不仅可以减少持续性短路, 同时避免因短路而造成阳极工件与阴极工具损坏, 而且工件孔出口处不会出现过腐蚀与通孔过小等现象。
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电极加工 篇7
1 齿轮型芯电极设计
电火花加工是利用火花放电产生的电腐蚀现象对金属材料进行加工的方法。电火花加工按工艺方法可分为电火花成型加工、电火花线切割加工、其他类型电火花加工。电火花加工有便于加工用机械加工方法难以加工或无法加工的材料、电极和工作在加工过程中不直接接触而没有机械切削力、电极材料不必比工件材料硬等优点。电火花成形加工是利用电腐蚀原理将电极的形状精确地复制在零件上, 齿轮型芯的加工精度与电极的精度有着密切的关系, 为了保证电极的精度, 在电极设计时, 必须选择合适的电极材料、合理的几何尺寸以及较好的加工工艺性。
(1) 电极材料的选择:电极材料的选择原则是:损耗小、成形快, 加工稳定性好, 机械加工工艺性好, 价格适宜和来源广。由于紫铜加工稳定性好、电极损耗较小, 齿轮型芯电极采用紫铜, 但机械加工性能稍差。
(2) 电极的结构设计:由于齿轮型芯较小, 电极尺寸较小, 结构不太复杂, 采用整体式电极。
(3) 电极的制造工艺方法:铜的质材较软, 加工时易变形, 加工后电极表面粗糙度较差。切削加工时, 进刀量要尽可能小, 并用肥皂水作工作液。铜电极的磨削特别困难, 容易堵塞砂轮, 磨削砂轮粒度不能太细, 同时要采用低转速、小进给量, 并使用工作液。
齿轮型芯电极共2个, 分为主体电极和小电极, 每个电极均有电极头、避空位、基准板三部分组成。
1.1 主体电极设计
电极设计时采用初始化电极项目、抽取、桥接、通过曲线网格、拉伸、修剪体、艺术曲面、拉伸、扫掠、拉伸、动态WCS、基准平面、修剪的片体、有界平面、缝合命令, 再利用毛坯设计、倒斜角、隐藏命令。主体电极设计如图3所示。
1.2 小电极设计
小电极设计采用初始化电极项目、抽取、扫掠、拉伸、动态WCS、基准平面、修剪的片体、有界平面、缝合、镜像体命令、毛坯设计、倒斜角、隐藏命令。小电极设计如图4所示。
2 齿轮型芯电极EDM图
电极EDM图主要是用来反映电极在模具中的具体位置, 以便操作工能清楚地校表并取得准确的碰数。主体电极EDM图如图5所示。小电极EDM图与主体电极EDM图相似, 这里从略。
3 齿轮型芯电极数控加工
齿轮型芯电极的工件尺寸为50mm x38mm x16mm, 材料使用紫铜。在UG加工模块下, 毛坯为自动块且XM+、XM-、YM+、YM-、ZM+均为1mm, ZM-为0mm。主体电极数控加工过程如下:
1.电极头、避空位及基准板粗加工;2.电极头、避空位半精加工;3.电极头及避空位陡峭面精加工;4.电极头平面精加工;5.基准板顶面精加工;6.基准板侧面 (直立面) 精加工。
主体电极的数控加工仿真如图6所示, 小电极的数控加工方法与主体电极相似, 这里从略。
4 结语
电极加工 篇8
关键词：整体叶盘,电解加工,轨迹,切向恒速
0 引言
电解加工是一种利用电化学阳极溶解原理去除材料的加工方法[1], 由于其所具有的突出优点, 在航空航天、兵器、汽车、模具等行业中得到了广泛的应用[2]。航空发动机整体叶盘叶栅通道扭曲、空间狭窄, 制造难度大, 若采用机械加工会受到刀具成本、生产效率及刀具易与工件干涉等诸多因素的限制[3,4], 而电解加工具有加工效率高、无刀具损耗、不受工件材料限制等诸多优点[5,6], 已成为其最主要的加工方法之一。一般来说, 整体叶盘叶片的电解加工分为两步:首先粗加工出一个叶间通道, 然后让成形电极运动到叶间通道中加工叶片型面。因此, 叶盘通道的加工是叶盘叶片加工不可缺少的步骤。国内外学者对整体叶盘叶间通道的电解加工开展了有益的研究。康敏等[7]采用数控展成电解加工加工整体叶轮, 电极在工件轴线方向的直线进给速度相同, 但合成进给速度在加工过程中并不相同。文献[8]采用一种环形或倒置杯形的电极进行叶盘的电解加工研究。
本文提出了一种工具电极相对于工件运动轨迹的切向速度在加工过程中保持恒定的加工方法, 采用圆管工具电极进行整体叶盘扭曲通道的电解加工, 使加工过程稳定, 工件加工精度高。建立了扭曲通道电解加工的速度计算模型, 讨论了工具电极单向恒速和切向恒速两种运动方式对加工稳定性和加工精度的影响, 并开展了相关工艺试验。
1 单向恒速运动分析
在叶盘通道电解加工过程中, 通常采用工具电极沿毛坯轴向恒速运动的方式, 工件配合工具电极做相应的旋转和平动, 使工具电极相对于工件沿轨迹线L运动。上述运动方式在加工过程中工具电极沿毛坯轴向的分速度v1始终保持恒定, 但合成速度vc (或称切向速度vt) 的大小不同, 导致加工间隙Δb不断变化, 如图1所示。
在上述工具电极运动方式中合成速度vc不断变化, 引起加工间隙时大时小, 导致叶盘通道电解加工始终无法进入平衡状态, 使得加工过程不稳定。当合成速度突然变大时, 由于进给速度大于工件的蚀除速度, 有可能导致加工间隙过小而使电解产物无法及时排除, 严重时容易造成短路。当合成速度突然变小时, 又可能导致工件杂散腐蚀现象加剧, 造成工件局部加工精度下降。
为解决上述问题, 本文采用工具电极在加工轨迹切线方向上的速度保持恒速 (简称切向恒速) 的运动方式, 以提高电解加工稳定性和加工精度。如图2所示, 合成速度vc (切向速度vt) 均一化以后, 加工间隙在加工过程中保持恒定, 一方面有利于加工产物的及时排除, 使加工区中各处电解液压力、流量保持一致, 有利于流场均匀稳定, 使电解加工能够稳定进行, 另一方面由于加工间隙一致, 使得杂散腐蚀现象减弱, 可以提高叶盘通道表面加工精度。
2 扭曲通道电解加工方式
在整体叶盘通道电解加工中, 工具电极接电源负极, 工件接电源正极, 采用的工具电极为一端开口另一端封闭的圆管状电极, 电解液从电极开口端流入, 从工具电极侧壁上规律排布的出液口流出, 进入加工间隙, 不断带走电解产物并及时更新加工区的电解液。
由于整体叶盘通道扭曲程度较大, 为了使叶片不发生过切且余量均匀, 工具电极除了沿工件轴线方向直线运动和工件绕自身轴线转动外, 还需要在加工过程中绕一条垂直于工件上表面的直线进行转动。如图3a所示, 为了使叶盘叶根处的余量均匀, 该直线应通过叶盘的叶根圆与电极轴线的延长线的交点, 电极端部在加工过程中与叶根圆的距离保持不变;若旋转中心不在叶根圆上, 工具电极在转动时叶根处的余量不均匀, 如3b所示。
(a) 中心在叶根圆上 (b) 中心不在叶根圆上
如图4所示, 工具电极沿叶盘毛坯轴线l1方向直线运动, 并绕一条与叶盘轴线平行的直线l2旋转, 同时工件绕自身轴线l1旋转, 通过工具电极和工件的复合运动, 实现扭曲通道的电解加工。
3 进给速度计算的数学模型
在计算工具电极的运动轨迹时, 可假定工件静止, 用工具来分析其运动轨迹, 下文所述的轨迹均指工具电极相对于工件的运动轨迹。然而, 工具电极中心线的轨迹为复杂的直纹面, 难以用数学形式表达。为了计算进给速度, 采用n个等间隔且相互平行的平面P1, P2, …, Pn将该直纹面分成n-1个曲面段, 在每个小曲面段上分析工具电极和工件的运动过程。
如图5所示, P1、P2为相互平行且距离为h的两个平面, 电极中心线在平面P1上的位置为Ⅰ, 工具电极中心线与叶盘径向的夹角为α, 叶盘圆心为O1, 叶盘叶间圆为C1, 圆心在O1圆周过电极端部的圆为D1;工具电极投影到平面P2上的位置为Ⅱ, O1、C1、D1投影到平面P2上依次变为O2、C2、D2。
工具电极自D1至C1的长度上被分为n-1段, 相应的采样点标记为1, 2, …, n, 各点的坐标记为 (xi, yi, zi) (i=1, 2, …, n) 。直角坐标系如图5所示, 其中坐标原点为叶盘圆心O1, Y轴为过采样点1的径向, Z轴垂直于平面P1。
在该曲面段中, 工具电极相对于叶盘从位置Ⅰ运动到位置Ⅳ, 这个复合运动可视为工具电极下面三个独立运动之合成:①工具电极从位置Ⅰ沿叶盘轴向以速度v1直线运动距离h到位置Ⅱ, 工具电极中心线与叶盘径向角度为α;②工具电极从位置Ⅱ绕叶盘圆心O2以角速度v2旋转角度β到位置Ⅲ, 工具电极中心线与叶盘径向角度为α;③工具电极从位置Ⅲ绕其端部O3以角速度v3旋转角度γ到位置Ⅳ。
根据第一步中工具电极的直线速度v1及直线位移h, 可计算出运动时间, 三个独立运动的时间均等于复合运动的时间。再根据第二步的角位移β及第三步的角位移γ可计算出第二步工具电极的角速度v2及第三步的角速度v3, 记合成速度 (切向速度) 为vc。同理, 可计算出工具电极在其他曲面段对应的分速度v1、v2、v3, 由此可获得整体叶盘通道电解加工轨迹。
4 切向恒速运动分析
4.1 通道电解加工数学模型
叶盘扭曲通道电解加工的数学模型如图6所示, 其中, lJc 为工具电极中心线在叶尖圆柱面上的运动轨迹。
端面加工间隙为
式中, η ω为体积电化学当量, mm3/ (A·h) ;U为加工电压, V;δE为电极电位差, V;κ为电解液的电导率, S/m;va为阳极的蚀除速度, cm/min。
由式 (1) 可知, 若每个分段中的切向速度v (i) c不同, 则可能始终无法和工件的蚀除速度相等, 即无法达到动态平衡, 所以端面加工间隙在不断变化。进给速度小时, 加工间隙较大, 电解液能够及时带走电解产物和气泡;进给速度突然变大时, 由于进给速度大于工件的蚀除速度, 导致加工间隙突然变小, 由于速度提高导致加工间隙中温度上升, 电解产物可能无法及时排除, 当这种情况加剧时, 可能导致间隙中工件局部地区蚀除过慢或无法蚀除, 当电极继续进给时, 可能导致加工间隙的进一步减小而发生火花放电甚至造成直接两极接触而短路。
若每个分段中的切向速度v (i) c相同, 则电解加工能够较快地进入平衡状态, 并使端面加工间隙维持恒定, 因此在其他加工参数不变的情况下, 加工电流和电流密度波动较小, 有利于提高电解加工稳定性和加工精度。
4.2 切向恒速运动对加工稳定性的影响
如前文所述, 计算电解加工轨迹时将工具电极的切向速度分为三个独立运动的合成。其中, v (i) 1、v (i) 2和v (i) 3分别为第i个曲面段中工具电极的直线进给速度、工具电极和毛坯转动的角速度, v (i) c为工具电极相对于工件的切向速度, i=1, 2, …, n。
工具电极单向速度相同时, 切向速度大小不同, 为使切向速度均一化, 在诸多大小不一的切向速度中选择一个作为统一的切向进给速度, 该切向速度是使得电解加工能够稳定进行的进给速度vc最大值, 假定其出现在第i行, 即v (i) 为均一化后的切向速度值。其余分段中的速度按相应比例进行修改, 第一个曲面段中的修正系数为
第一个曲面段中的速度矢量变为
按照上述方法, 可获得第j个曲面段的速度矢量为
依次可以获得其余曲面段的进给速度, 具体如表1所示。
分段切向速度在整个加工过程中保持恒定, 端面加工间隙在进入平衡状态后维持恒定, 加工间隙中的电解产物和氢气能够被及时地排出, 电解液流动较为稳定, 短路机率大幅度降低。
5 试验与分析
为了验证切向速度统一之后对加工稳定性的影响, 在自行研制的整体叶盘扭曲通道电解加工机床上开展了工艺试验。图7所示为整体叶盘通道电解加工试验装置。试验工件采用扇段毛坯, 材料为GH4169, 加工电压为20V, 电解液为体积分数为25%的NaNO3, 温度为32±1℃, 进口压力为0.8MPa, 电解液流速约为22m/s。工具为一端封闭的管状不锈钢电极, 电极管壁面上有规律排布的出液口, 电解液从电极管的开口端流入, 从上述出液口流出。
图8为试验控制系统软件界面, 加工轨迹数据从软件后台读取, 由工控机通过运动控制卡发送给电机, 驱动电机带动电极和工件做相应的运动, 以进行整体叶盘通道电解加工。
图9所示为分别采用单向恒速和切向恒速加工出的通道试件, 从图9a可以看出, 由于切向速度大小不一, 试件通道型面在排气边附近区域散蚀现象明显, 加工精度较低;而图9b中的试件采用切向恒速的运动方式进行加工, 加工精度较高。
以第一组通道为例, 说明单向恒速和切向恒速两种情况下加工过程中加工电流的对比情况。从图10可以看出, 当采用单向恒速的运动方式时, 电流波动较大, 在加工至第17个曲面段时发生短路, 因此电流数值剧增, 加工短暂中断后继续加工, 电流仍起伏不定;而采用切向恒速时, 电流平稳上升, 加工至第7个曲面段时已进入加工平衡状态, 电流趋于稳定。
6 结论
(1) 建立了曲面段中电极和工件运动的数学模型, 分析了工具电极和工件的速度匹配方式。
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通过将工具电极相对于工件的运动轨迹分割为若干个小曲面段, 分析了每个曲面段上工具电极和工件运动速度的计算方法, 最终得到叶盘扭曲通道的电解加工轨迹。
(2) 在每个曲面段上电极和工件的切向速度保持恒定, 使得端面加工间隙不变, 电流密度波动较小, 叶盘通道电解加工得以顺利进行。
(3) 工艺试验证明, 采用分段切向速度恒定的运动方式可以减少短路故障的发生, 保证叶盘扭曲通道电解加工稳定进行, 有利于提高工件表面的加工精度。
参考文献
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