电火花诱导烧蚀加工基础研究

摘要

电火花加工具有加工精度高、不受材料力学性能制约等特点，非常适合难加工金属材料的加工。然而电火花加工能量受制于脉冲电源，导致其加工效率较低。为此，本文提出了电火花诱导烧蚀加工方法（以下简称烧蚀加工），该方法的加工效率较电火花加工可提高几倍、十几倍、甚至更高，为金属材料高效加工开辟了一条全新的途径。首先，发展出一种新颖的电火花放电引燃技术，通过火花放电将金属表面放电区域加热至燃点并形成活化区，借助放电点的分散特性使燃烧点分布更加均匀，获得较高的引燃效率；其次，通入氧气与活化金属发生氧化反应，释放出的热量用于蚀除材料和加热下层金属，加工区域获得的能量大幅度提高，有效提高材料蚀除率；最后，借助电火花放电对烧蚀表面进行修整，清除表面残留的熔融金属。由于该方法已经超越原有的电火花加工技术，需要建立一种全新的加工体系，以研究其机理及工艺规律。
　　本文的主要研究工作如下：
　　(1)研究了烧蚀加工的基本过程，包括引燃、氧化蚀除和放电修整三个阶段。烧蚀加工的单次放电过程同时伴随着材料氧化，所形成的氧化膜具有电阻特性。基于此，建立了烧蚀加工放电等效模型，为分析烧蚀加工机理提供了理论依据。分析了电火花和氧气流在烧蚀加工中的作用。
　　(2)采用自行研制的RC脉冲电源、放电检测系统、进给控制系统以及三维工作试验平台，构建了单脉冲试验系统。研究了烧蚀加工机理：将烧蚀加工微观过程分为放电活化、快速氧化、氧化受阻、氧化扩展、氧化渐止五个阶段；理论证明单次放电中用于加热与熔化材料的能量足以将全部被蚀除材料加热至燃点；试验表明烧蚀加工受制于放电能量，其蚀除坑直径随放电能量变化规律与电火花一致；分析了烧蚀加工存在通道性扩展和传播性扩展两种扩展方式；提出了烧蚀加工中存在放电模式、燃烧模式和燃爆模式三种加工模式。
　　(3)研究了烧蚀加工的可控蚀除特性。提出了基于限制气体的间歇通氧烧蚀加工和基于控制放电脉冲的钛合金单脉冲放电高效烧蚀穿孔加工两种可控实现方式。分析了间歇通氧烧加工的基本原理，以及烧蚀铣削的理论加工速度。搭建了烧蚀铣削专用加工系统，证实了烧蚀铣削加工在材料蚀除率、相对电极损耗和加工表面质量方面的优势，并分析了烧蚀加工极性效应产生的原因。进行了单脉冲高效穿孔机理和试验研究，其加工机理是利用气压分布引导烧蚀的传播性扩展方向，进而沿管壁形成圆周蚀除，最后通过逐层烧蚀的方式形成高效穿孔，成功实现了在10mm厚钛合金板材上单脉冲高效穿孔。研究了采用添加辅助电流抑制钛合金烧蚀及放电加工型腔外围杂散腐蚀的方法。
　　(4)研究了烧蚀加工的持续蚀除特性。提出以气雾介质作为烧蚀加工放电介质进行烧蚀加工的雾化烧蚀加工方法，可同时实现对氧化过程的控制以及加工表面的修整。验证了极间双介质特性，分析了雾化烧蚀加工中放电间隙增大的原因。构建了雾化烧蚀单脉冲放电试验系统，研究了雾化烧蚀加工机理，其微观过程分为引燃阶段、快速氧化阶段和无氧维持阶段三个阶段。搭建了雾化烧蚀加工系统，进行了高深径比小孔雾化烧蚀加工试验，研究了介质雾化对烧蚀加工材料蚀除率、加工表面质量和相对电极损耗的影响，并在模具钢Cr12上实现了深径比为20的小孔加工。
　　(5)提出了机械修整辅助烧蚀加工方法，分析了烧蚀修整加工的机理和技术特点，构建了烧蚀修整加工专用试验设备。研制了基于有效放电概率的烧蚀电极伺服控制系统和基于切削力的机械刀具伺服进给控制系统，提高了材料烧蚀效率，可实现对软化层进行精确的机械蚀除。进行了烧蚀修整加工与烧蚀加工和常规电火花加工的对比试验，研究了放电参数和气体参数等对烧蚀修整加工的影响。

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文中主要符号的物理意义

第一章 绪论

1.1 难加工材料高效加工技术

1.2 基于气体介质的电火花加工技术

1.3 本课题的研究意义及主要研究内容

第二章 烧蚀加工原理与系统

2.1 烧蚀加工基本原理和规律

2.2 烧蚀加工放电模型的建立

2.3 单脉冲试验系统

2.4 本章小结

第三章 烧蚀加工微观机理

3.1 烧蚀加工微观过程

3.2 放电活化阶段

3.3 快速氧化阶段

3.4 氧化受阻阶段

3.5 氧化扩展阶段

3.6 氧化渐止阶段

3.7 烧蚀材料蚀除

3.8 烧蚀加工的三种模式

3.9 本章小结

第四章 间歇通氧及高效穿孔可控烧蚀加工

4.1 金属烧蚀工艺

4.2 间歇通氧烧蚀铣削加工工艺

4.3 单脉冲高效烧蚀穿孔

4.4 杂散腐蚀抑制策略

4.5 本章小结

第五章 雾化持续烧蚀加工

5.1 烧蚀成形加工的表面特性

5.2 雾化烧蚀原理与装置

5.3 雾化烧蚀加工机理研究

5.4 雾化烧蚀特性试验

5.5 高深径比小孔试验

5.6 本章小结

第六章 机械修整辅助烧蚀加工

6.1 烧蚀修整加工机理与特点

6.2 试验原理和设备

6.3 烧蚀修整伺服控制策略

6.4 综合效果对比试验

6.5 基本规律与验证试验

6.6 本章小结

第七章 总结和展望

7.1 主要工作和总结

7.2 主要创新工作

7.3 工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文