開放式三維流道高速電弧放電層掃加工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及的是一種金屬加工領域的技術，具體是一種針對復雜的幾何特征的開放式三維流道高速電弧放電層掃加工方法。
【背景技術】
[0002]三維流道廣泛存在于發動機、汽輪機、離心泵、壓縮機等動力設備的關鍵零部件上，比如葉輪、渦輪等。對開放式三維流道的加工，常見有機械切削方法、電火花成型加工方法、電化學加工方法等。
[0003]機械切削方法根據流道特征通過立銑刀分層側銑、插銑、甚至車銑復合等方式切除材料，機械切削加工對于硬度低的材料可以獲得較好的加工效率，然后對于難切削材料的流道加工，其效率低下，刀具損耗嚴重，并且對于部分形狀復雜的三維流道，機械切削往往由于干涉而無法正常加工；電火花放電加工容易獲得較好的表面質量和精度，然而其效率有限，因此電火花放電加工三維流道，存在的主要問題之一是加工效率低下。
[0004]而電化學加工也存在效率問題，如文獻《整體葉輪分步法數控電解加工工藝與關鍵技術》(華南理工大學學報(自然科學版)，38 (8)，2010:71 -77)披露一種電化學加工方法，該方法采用的直流電壓為12V，電解液為20 %的NaN03溶液，工作壓力為0.8MPa，加工進給速度為2mm/min。從加工參數可見，電化學加工涉及的電解過程較慢，其進給速率低，并且電解過程容易產生重金屬等有害物質，后續凈化處理過程復雜。
[0005]為解決開放式三維流道加工效率問題，本發明引入高速電弧放電加工。高速電弧放電區別于傳統的電火花放電加工，電弧放電具有更高的能量密度，其單位時間材料去除率遠遠高于電火花放電加工，如專利號ZL 201110030724.7的授權文獻《集束電極高速電弧放電加工》(趙萬生等，上海交通大學)公開了一種電弧放電加工技術領域的集束電極高速放電加工方法，該技術在峰值電流635A時，配合適當的沖液壓力及脈沖參數對鈦合金材料進行加工，其材料去除率達6844mm3/min。
[0006]然而，雖然利用高速電弧放電加工可以獲得比普通電火花加工高若干倍的加工效率，但是對于開放式三維流道，無論采用集束電極或者其它成型電極進行放電加工，均容易由于排肩不暢引起短路而無法正常加工；并且，由于工具電極上加工有沖液孔，沖液孔處由于無法放電而導致工件被加工處留有殘余凸起。此外，以往加工三維流道為點加工方式，不利于加工效率的優化提尚。

【發明內容】

[0007]本發明針對現有技術存在的上述不足，提出一種開放式三維流道高速電弧放電層掃加工方法，基于流體動力斷弧的高速電弧放電，實現開放式三維流道的高效分層加工，消除工件上由于電極上開孔導致加工后遺留的殘余凸起。
[0008]本發明是通過以下技術方案實現的:
[0009]本發明涉及一種開放式三維流道高速電弧放電層掃加工方法，將具有六自由度的工具電極與待處理工件以相互垂直的方式設置，電弧放電過程中工具電極在垂直于其安裝軸的平面或曲面內按照封閉軌跡進行掃掠位移。
[0010]所述的六自由度是指:垂直坐標系下的XYZ方向直線運動以及分別繞XYZ軸的ABC向轉動。
[0011]所述的相互垂直設置是指:安裝軸線相互垂直。
[0012]所述的掃掠位移的路徑滿足:在對應的待處理工件的流道特征、工具電極幾何形狀及加工余量的條件下，工具電極在該路徑下運動所行成的包絡空間與工件重合的空間不超過流道預定加工腔體尺寸。
[0013]進一步地，當待處理工件上的加工流道為彎曲型面或圓弧底面時，則工具電極設置為掃掠位移的同時繞其余兩個轉動自由度進行進給，具體為:
[0014]a)當X向安裝軸的待處理工件上的加工流道為彎曲型面，則Z向安裝軸的工具電極設置為掃掠位移的同時繞C軸進行進給，實現彎曲型面聯動加工；
[0015]b)當X向安裝軸的待處理工件上的加工流道底面為圓弧型面，則Z向安裝軸的工具電極設置為掃掠位移的同時繞B軸進行進給，實現圓弧底面聯動加工；
[0016]在上述任一過程中，工作液被擊穿后形成電弧放電而切除材料。
[0017]所述方法包括以下步驟:
[0018]第一步、將工件和工具電極分別設置于轉臺及機床的主軸上，工具電極的安裝軸軸線與工件軸線相垂直；同時，將水箱中的水基工作液通過工具電極上的沖液孔及水槽形成沖液回路，工具電極上的沖液孔位于其底面，即與工件軸線垂直相對的一側；
[0019]第二步，將工件和工具電極分別接電源的兩極，使得工件和工具電極通過水基工作液形成放電回路；
[0020]第三步，工具電極在X，Y，Z方向進給后沿工具電極的安裝軸線的垂直平面或曲面作小幅封閉軌跡掃掠運動，以去除工件殘留凸起，實現三維開放流道的面加工。
[0021]根據被加工流道特征，工具電極可沿C軸轉動，進行彎曲型面聯動加工，工件可沿B軸擺動進行圓弧底面聯動加工；此過程中，水基工作液被擊穿后形成電弧放電而切除材料；
[0022]第四步，在完成單個流道的若干層層掃切削后，工件繞A軸分度至下一個待加工流道位置，重復放電過程直至完成所有流道加工。
技術效果
[0023]與現有技術相比，本發明通過引入高速電弧放電，給出開放式三維流道層掃加工方法，解決了如下問題:
[0024]I)提高了開放式三維流道加工效率，加大了材料去除率；
[0025]2)通過面加工，代替以往的點加工，進一步提高材料去除率；
[0026]3)增強了加工過程的穩定性，即具備良好的斷弧特性，防止了工件燒蝕；
[0027]4)提高了加工切肩的排除有效性，排肩方便，降低了短路幾率。具體來說，利用高速電弧放電層掃，提高了其加工效率，并有效去除材料上殘余的凸起；同時，利用水基工作液作為放電介質，通過工具電極和工件間沖液進行流體動力斷弧，并結合脈沖電氣斷弧，有效提高了加工過程穩定性，降低了工件燒蝕概率；此外，通過曲線軌跡層掃式運動，在加工過程中產生充足的切肩排除空間，改善了由于排肩不暢(甚至無法排肩)而導