高压液束小径加工工艺

高压液束小径加工工艺

电子流加工技术具有成本低、表面完整性好、深度大的特点。其他工艺的加工结构复杂，表面质量要求高，不会重复铸造层的深孔。因此，他被国外航空公司称为“先进现代航空工具制造技术之一”。1利用玻璃管电极加工电射流加工工艺是高压液束小孔加工方法之一,原是国外综合比较激光打孔、电子束打孔、电火花小孔加工方法存在的优缺点后,在金属型管电极小孔加工方法基础上发展起来的一种小孔加工方法。电射流加工示意图见图1。电射流加工小孔时,被加工工件接正极,在呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴中有一个金属丝或金属管接负极,在正、负极之间加上300～1000V高压直流电。小流量的高压耐蚀泵将净化了的电解液压入导电密封头进入玻璃管电极中,被压入玻璃管内的液体(压力一般为0.6MPa左右)以高速流的形式,通过高压电场的作用,射向加工工件的待加工部位,进行“切削”加工。在电射流加工过程中,高速流动的酸性电解液经过高压直流电的作用,在电极和工件中间产生“辉光放电现象”。据国外资料报道,这种加工方法的机理尚不十分清楚,但肯定加工中既有阳极金属溶解的过程,又有化学加工的作用。在实际加工中,去掉的金属量远远大于按法拉第定律计算的电化学作用去除的金属量加上化学作用对金属去除量的总和。与此相应,电流密度也大于在普通电解情况下气泡稳定发生时的电流密度,所以加工效率较高。可以认为:在高电压、大电流密度下,材料去除是电化学作用和强烈的化学溶解作用的结果。玻璃管电极是电射流加工的重要工具,玻璃管一般由石英材料制成。原电射流加工使用的石英玻璃管电极由本体、过渡体和毛细体组成,在加工过程中玻璃管内的金属丝——实际阴极与过渡体转接处的距离一般在6.4～19mm之间。用此法一般加工深径比50∶1的深小孔。采用这种玻璃管加工时,玻璃电极可以送进,也可以不送进。采用不送进加工时,孔径不受电极直径尺寸的限制,故可以加工出直径很小的小孔。不送进法又称为电喷射加工,是电射流加工的一种特例。采用只有毛细管部而无本体及过渡段的玻璃管加工小孔是电射流法的一种派生,加工时采用送进法。国外将此工艺称为玻璃管钻孔,德国称为电化学精密打孔技术。加工时采用100V左右的电压,电解液压力比电射流小孔加工法大。由于需要克服长距离的电极通道阻力作用,所以加工时电解液压力比前者高,最大压力为1.4MPa,该法可加工孔间距更小的深孔(加工〉0.2mm以上的小孔,深径比可达100∶1)。电射流小孔加工技术主要应用于航空发动机高温涡轮叶片深小孔、孔轴线与表面夹角很小的斜孔和群孔加工,尤其是图2所示的特殊位置孔的加工。电射流加工孔径一般为〉0.13～1.3mm。据国外报道,可加工最小孔径为〉0.025mm,加工精度为孔径的±5%或±0.025mm,加工斜面时小孔轴心线与表面夹角最小为10°。2汽车制造的应用电射流加工有下述几个特点:(1)电射流加工方法可达性好。它可以实现其他加工方法不能实现或难以实现的特殊角度位置的小孔加工。目前由于航空发动机新结构设计的要求,出现了许多难以加工的斜孔、深小孔和特殊位置孔,如航空发动机涡轮叶片的干涉孔(鳃孔)和主通道之间的横向连通孔(图2)。这些孔用激光和电子束方法无法加工,特别是某些新机出现的孔轴心线与表面夹角为10°的鳃孔,即使用电火花加工也不能满足其设计要求。(2)加工表面无再铸层、无微裂纹。激光、电子束、电火花加工是使金属熔化去除金属的热物理加工过程,因而会产生再铸层和微裂纹。而电射流加工主要是电化学阳极溶解的过程,系冷态加工法,不会产生再铸层和由热物理加工而产生的微裂纹。无再铸层、无微裂纹的小孔可提高航空发动机零件的抗疲劳强度,这对延长发动机叶片使用寿命有着重要意义,使其工作更可靠、更安全。因此电射流小孔加工方法为长寿发动机叶片加工提供了良好的工艺手段。(3)用电射流加工,孔进出口光滑、无毛刺、加工表面粗糙度低(一般在0.8～3.2μm之间),因而气动性能好,可省去激光打孔加工后去毛刺和再铸层的精整加工工序,尤其出口光滑是其他加工方法难以达到的。(4)与传统电解加工工艺相比,可加工出直径更小的孔。用金属管型电极进行孔加工时,由于电极尺寸的限制,加工直径小于〉0.8mm的深小孔很困难。应用电射流送进法加工的小孔直径可达φ0.125mm,采用不送进法可加工出直径φ0.025mm的小孔。(5)电射流加工方法是无应力切削方法,因此可实现对薄壁零件无应力的切割。前苏联报道电射流不仅可实现二维加工,也可实现三维空间无应力切削,防止零件出现因加工受力而引起的变形。(6)易实现深细小孔的加工。用激光、电子束、电火花加工深细小孔易产生锥度,且用电火花加工深小孔时电极有损耗。用电射流方法加工,电极不损耗。但电射流加工方法存在玻璃管电极极易碰碎的缺点。3电子流加工的循环过程以及电子流加工中的电流和电压变化3.1工作过程:在加工过程中,把铁电射流加工循环过程见图3。该图表示钻一个孔的全过程(从左到右),其过程为程序控制。程序1:电极喷嘴快速接近零件,达到设定距离时由快速进给转到工作进给。程序2:更换速度的同时,接通高压电源,开始产生“辉光放电”,切削作用开始。程序3:在加工过程中,加工参数的选择应符合电射流加工去除金属的速度与预定切削进给速度准确相等的原则,“切削作用”一直持续到把工件穿透为止。程序4:当传感器感应穿透信号时,停止送进,与此同时接通另一只时间继电器。程序5:时间继电器用来确定停止送进以后电源仍然接通的时间。在这段停驻时间内,继续把出口处呈锥形的那部分金属加工掉,以获得在全长上不带锥度的直孔。程序6:停驻时间结束,切断电源,玻璃管电极快速退回。如果需要,将玻璃管喷嘴移动到下一个孔的始动工作位置。3.2电流增加到全值电射流加工电压、电流随时间变化的曲线见图4。当喷嘴向工件进给时,电流随之增大,达到预定的某一间隙时,电流增加到全值。此时进给速度与溶解速度相等,电流趋向于一恒定值,一开始穿透,电流即下降,此时传感器发出指令停驻加工。在加工过程中如玻璃管破裂,则电流突然上升,高频自动检测装置检出并发出信号,停止加工,以防止零件报废。4国内外电波场研究4.1高温齿轮叶片深国内加工工艺国外技术先进国家研究、应用该技术已近40年,解决了新机研制中的许多难题。如美国首先用于加工TF-39涡轮风扇发动机等机种的涡轮叶片及导向叶片气冷孔和J79发动机的加力喷油杆的喷油孔。1991年美国用此法加工了双导向叶片及双排尾缘深小孔。英国R·R公司用玻璃管打孔法加工出高温涡轮叶片尾部直径〉0.4mm、深15mm的小孔。德国用该法加工CF6-50高压涡轮叶片深小孔,用电射流法加工叶片干涉孔。他们都生产了专用机床,并用于生产中。1991年该工艺还被列入VDI工程师协会生产技术委员会编写的工程师工艺指南中。这些国家对此技术不断地进行研究,取得了不少成绩。美国为加工高精度玻璃管电极制造了玻璃管拉伸仪。最近英国不仅研制了防止玻璃管破裂的自动检查装置,还研制了确保加工孔与叶片核心通道位置准确的检测和控制的闭环系统。4.2国内电射流加工工艺的试验研究和试验验证过去我国在电射流加工研究方面尚属空白,北京航空工艺研究所在航空发动机零件小孔加工方面有许多特种加工工艺方法,并在应用中不断发展,在新机研制生产中解决了不少关键问题。在无再铸层深小孔电解加工方面,70年代初,用金属管电极加工了某机主通道深径比为100∶1的各种异型深小孔。加工小孔深径比可达300∶1。80年代,用该法为美国GE公司加工了发动机涡轮轴套深小孔,取得了不少成绩。90年代初新机叶片出现了如图2所示的难加工特殊位置的干涉鳃孔、横向椭圆连通孔结构。我所为满足新机结构的需要和发动机延寿,缩小与国外技术先进国家的工艺技术差距,对电射流工艺展开了试验研究,制造了加工设备,设计了1000V、50A高压直流电源及耐酸、稳压、高精过滤的输液系统,研究制造了各种玻璃管电极,对各种金属材料和高温合金材料进行电射流加工工艺试验,进行了电解液选择试验,对电射流加工孔径与加工参数、电解液参数、进给速度和玻璃管电极尺寸的影响规律进行了研究。经过上述试验:在新机高温叶片上加工出了与叶身表面夹角极小的叶片干涉孔,加工出了高精度的叶片主通道横向椭圆连通孔。用电射流加工最小孔径为〉0.125mm,孔的深径比为50∶1,孔加工表面的进口光滑、无毛刺,表面粗糙度Ra0.8～6.3μm,加工表面无再铸层和微裂纹,无晶间腐蚀。从而结束了我国没有电射流加工工艺的局面。需求即是动力,新型高质量发动机急需无再铸层、无微裂纹、无热影响区的加工工艺。90年代中期,我所在过去研究基础上,对发达国家的先进制造技术应用情况进一步分析,结合研制不断改进,创造性地发展具有我国特点的加工工艺,改称电液束,并加紧对机床设备的研究制造。在此期间我们研制了CNC三坐标数控电液束加工机床,完善了输液控制系统,加强高精度玻璃管电极研制,用机拉法制造高精度电极,为新机制造了特制电极。并对新机单晶材料、定向结晶材料加工工艺参数进行了进一步优选。制造了直流、脉冲加工电源,用电液束加工出深径比150∶1的深小