针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工方法

摘要

本发明公开了针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工方法，涉及特种加工技术中复合加工领域，将电火花放电加工、激光束扫描加工和电解加工三种非接触式加工方法同时作用于工件表面从而实现工件的减材加工。具体的，在工具电极内部进行激光高速扫描以去除加工区氧化层并提高电解区域温度；在工具电极外部进行高频振动的放电加工以消除增材制造低精度表面的未融化的金属颗粒和工件原始表面的氧化物；激光扫描和电火花放电加工内外结合共同为高效电解铣削加工扫除障碍，促进电解铣削加工的高效进行。本发明通过三种非接触加工方式的高效融合，互相取长补短，可实现增材制造金属粗糙表面快速减材加工。

说明书

技术领域

本发明涉及特种加工技术中复合加工领域，尤其涉及到一种针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工方法。

背景技术

为了减轻重量的同时保证强度，很多航空航天零部件为钛合金薄壁件，比如航空发动机机匣和叶片等。这些钛合金薄壁件在生产过程中材料去除率非常高，通常在70％以上，给机械减材制造带来了巨大困难。

为了降低材料去除率、提高材料利用率和减轻后续减材加工的压力，很多国家考虑采用增材制造技术进行钛合金薄壁件的生产制造。但目前钛合金增材制造技术存在加工效率与加工精度之间的矛盾。高速增材制造后的工件表面通常精度较低且非常粗糙。为了提高工件表面精度和降低表面粗糙度，必须对增材制造后的工件表面进行进一步的减材加工，目前这一步骤采用机械切削加工完成。但是，钛合金材料本身属于难切削加工材料，机械切削加工过程中刀具磨损十分严重，频繁更换刀具降低了综合加工效率和加工精度。此外，钛合金薄壁件在机械切削加工中也容易发生轻微的变形最终导致零件的整体形状精度降低。

发明内容

针对现有技术中存在不足，本发明提供了一种针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工方法，通过电火花放电加工、激光束扫描加工和速射流电解加工三种非接触方式同时作用于加工表面，共同实现工件粗糙表面的高效减材，本发明方法提高了工件的表面质量。

本发明是通过以下技术手段实现上述技术目的的。

针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工方法，将电火花放电加工、激光束扫描加工和电解加工三种非接触式加工方法同时作用于工件表面从而实现工件的减材加工。

进一步的，所述工件为增材制造的工件。

进一步的，所述电火花放电加工通过如下方式实现：金属管电极外圈设有尼龙套，尼龙套外圈设置有铜合金电极或者铜电极；所述金属管电极与铜合金电极或者铜电极之间相对运动，且铜合金电极或者铜电极与工件之间连接有第一脉冲电源。

进一步的，所述金属管电极与工件之间连接有第二脉冲电源，激光束和电解液经金属管电极中心到工件加工区域。

进一步的，所述铜合金电极或者铜电极以尼龙套为滑轨沿竖直方向高频振动。

进一步的，所述金属管电极为不锈钢管电极。

进一步的，第一脉冲电源的电压高于第二脉冲电源的电压。

进一步的，由金属管电极、尼龙套和铜合金电极或者铜电极嵌套而成的复合工具电极在增材制造的工件表面扫描移动，通过多种能量场复合同时作用于增材制造的工件待加工表面以实现减材加工；具体为：

复合工具电极扫描过程中，铜合金电极或者铜电极与增材制造的工件之间接通第一脉冲电源，同时铜合金电极或者铜电极以尼龙套为滑轨沿竖直方向高频振动，对增材制造的工件待加工表面进行电火花放电加工以去除增材制造粗糙表面未融化的金属颗粒和氧化层；

复合工具电极扫描过程中，激光束穿过高速流动的电解液在增材制造的工件加工表面高速扫描，快速去除增材制造的工件加工表面因电化学反应而形成的氧化物并提升加工区的温度；

复合工具电极扫描过程中，金属管电极与增材制造的工件之间接通第二脉冲电源，金属管电极内腔中流动的电解液冲击加工区域，通过电解作用去除激光加工产生的热影响区，并通过电解液的高速冲刷带走加工产物和热量。

进一步的，第一脉冲电源的电压为70～120V；第二脉冲电源的电压为10～40V。

进一步的，电解液的流速为20～30m/s。

本发明的有益效果为：

1.本发明方法中，电火花加工是通过放电加工消除增材制造低精度表面的未融化的金属颗粒和工件原始表面的氧化物，为紧随其后的电解铣削加工扫清障碍，促进电解铣削加工的高效进行；通过激光高速扫描以去除加工区氧化层并提高电解区域温度，通过电解铣削加工去除激光扫描产生的热影响区，实现激光加工与电解加工的优势互补。

2.铜合金电极和不锈钢电极之间通过尼龙套或者聚四氟乙烯隔绝开，避免两电极之间产生相互干扰和磨损。尼龙套或者聚四氟乙烯本身具有润滑和绝缘的属性，可以避免用于电火花放电的铜合金电极和用于电解加工的不锈钢电极之间产生电路干扰。

3.复合工具电极扫描过程中，对增材制造的工件待加工表面进行电火花放电加工以去除增材制造粗糙表面未融化的金属颗粒和氧化层；激光束在增材制造的工件加工表面高速扫描，快速去除增材制造的工件加工表面因电化学反应而形成的氧化物并提升加工区的温度；通过电解作用去除激光加工产生的热影响区，并通过电解液的高速冲刷带走加工产物和热量。

4.铜合金电极沿尼龙套高频振动从而避免连电弧损伤电极。

附图说明

图1为本发明实施例涉及到的针对增材制造金属粗糙表面的多能场复合减材加工示意图。

附图标记：

1-增材制造的工件；2-氧化层；3-未融化的金属颗粒；4-聚焦透镜；5-激光束；6-不锈钢管电极；7-尼龙套；8-铜钨合金电极；9-电解液。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“轴向”、“径向”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

结合附图1，由不锈钢管电极6、尼龙套7和铜钨合金电极8嵌套而成的复合工具电极在增材制造的工件表面扫描移动，通过多种能量场复合同时作用于增材制造的工件1待加工表面，实现高速高质量减材加工。

加工之前，不锈钢管电极6内部通过电解液9，电解液9高速冲刷增材制造的工件1待加工区域；

当开始加工时，铜钨合金电极8与增材制造的工件1之间接通70～120V的脉冲电源，同时铜钨合金电极8以尼龙套7为滑轨沿竖直方向高频振动，对增材制造的工件1待加工表面进行电火花放电加工以去除增材制造粗糙表面未融化的金属颗粒3和氧化层2；

同时，不锈钢管电极6与增材制造的工件1之间接通10～40V的脉冲电源，不锈钢管电极6内腔中以20～30m/s流动的电解液9冲击加工区域；激光束5穿过20～30m/s流动的电解液9在增材制造的工件1加工表面高速扫描，快速去除工件加工表面因电化学反应而形成的氧化物并提升加工区的温度，为电解射流加工创造有利条件；电解作用去除激光加工产生的热影响区，通过电解液的高速冲刷带走加工产物和热量。复合工具电极在增材制造工件1表面不断扫描移动，通过激光束扫描加工、高速射流电解加工和电火花放电加工三种非接触方式同时作用于加工表面，共同实现增材制造工件1粗糙表面的高效减材加工。

本发明中，工具电极相对工件在水平方向上的移动速度为1～100mm/min，取决于电极的尺寸和加工参数；

工具电极相对工件的加工间隙：电解加工0.2～0.5mm，电火花加工间隙0.05～0.2mm；

本发明中采用纳秒激光器，激光频率532ns；

本发明中可采用尼龙或者聚四氟乙烯，两者都有润滑作用和绝缘作用；

本发明中，电火花加工电极材料可选用紫铜或者铜钨合金；紫铜或者铜钨合金电极材料电火花加工过程中损耗少；

本发明方法针对的加工对象为增材制造的工件或者其它方式得到的工件。

本发明方法一方面，在工具电极内部进行激光高速扫描以去除加工区氧化层并提高电解区域温度；另一方面，在工具电极外部进行高频振动的放电加工以消除增材制造低精度表面的未融化的金属颗粒和工件原始表面的氧化物；激光扫描和电火花放电加工内外结合共同为高效电解铣削加工扫除障碍，促进电解铣削加工的高效进行。本发明通过三种非接触加工方式的高效融合，互相取长补短，可实现增材制造金属粗糙表面快速减材加工。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。