电火花诱导可控烧蚀金属材料高效切削加工方法

摘要

一种基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是：导电轮盘做高速旋转运动，在直流或脉冲电源的作用下使导电轮盘的导电齿与难加工金属材料之间产生火花放电，同时向加工区域连续或间歇性地通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体，使难加工金属材料加工区域处于电火花诱导放电——烧蚀并软化——切削加工的状态。电火花放电作用使难加工金属材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，与助燃气体发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工区域材料基体，使难加工金属材料加热软化甚至达到熔融状态，然后通过轮盘上的磨粒或切削齿的机械切削作用将烧蚀产物和软化甚至熔融的金属材料去除。本发明具有加工效率高，功耗低且环保、安全的优点，特别适合难加工金属材料的切削加工。

权利要求

1.一种基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料高效切削加工方法，其特征是它包括以下步骤：

首先，使具有机械切削作用的轮盘式切削刀具导电并做旋转运动；

其次，在直流或脉冲电源的作用下使轮盘式切削刀具的导电部分与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工金属材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体使难加工金属材料发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域加热软化甚至达到熔融状态；

再后，利用轮盘式切削刀具的机械切削作用将烧蚀产物和软化或熔融状态的金属材料去除；

重复进行上述加工过程，使电火花诱导作用下的可控烧蚀与机械切削两种状态始终交替进行直至加工结束。

2.根据权利要求1所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是所述的助燃气体为能与难加工金属材料发生燃烧放热反应的氧气、氯气、氮气、氟气中的一种或其几种的组合。

3.根据权利要求1或2所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是所述的助燃气体的工作压力为0.01~90 MPa。

4.根据权利要求1所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是所述的轮盘式切削刀具为砂轮或铣刀；所述的助燃气体可以从轮盘的内部输入到加工区域或从轮盘的体外输入到加工区域。

5.根据权利要求4所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是所述的砂轮为采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，或为由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮，所述铣刀为导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀，绝缘切削齿为金钢石、立方氮化硼或陶瓷，通过电镀、夹紧或焊接的方式固定在铣刀轮盘上。

6.根据权利要求1所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是所述的难加工金属材料为能与助燃气体产生氧化反应的钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料。

7.根据权利要求1所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是所述的切削加工包括采用导电砂轮作为工具的磨削加工和采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀作为工具的铣削加工。

8.根据权利要求1所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的高效切削加工方法，其特征是在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的助燃气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液。

9.根据权利要求1所述的基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料的切削加工方法，其特征是通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移，从而达到向加工区域间歇供应助燃气体，进而控制烧蚀释放的热量。

说明书

电火花诱导可控烧蚀金属材料高效切削加工方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种金属材料的切削加工方法，具体地说是一种能提高难加工金属材料加工效率，将轮盘式切削（磨削和铣削）与电火花烧蚀相结合的快速去除难加工金属材料并保障加工表面质量与精度的电火花诱导可控烧蚀金属材料的高效切削加工方法。

背景技术

[0002] 随着工业生产和科学技术的进步，新材料不断涌现，在这些新材料中，许多是难加工金属材料，如高温合金、钛合金、高强度钢、不锈钢等。这些材料具有比强度高、硬度高、耐高温、耐腐蚀、耐磨等优点，但新材料的出现也给传统切削加工方式带来极大的困难。比如在传统的机械切削中，这些难加工材料消耗于塑性变形的能量大，切削力比切削普通金属材料时大得多；切削温度高，切削时产生的大量切削热很难向材料内部传导，甚至在工件表面会出现烧伤、裂纹等质量问题；刀具易磨损；加工硬化现象严重等。这些问题使得这些难加工金属材料的传统机械切削加工难度增加，刀具损耗严重，甚至无法加工。

[0003] 作为特种加工技术之一的电火花加工主要是利用电能和热能去除材料，工具和工件之间不存在宏观的机械切削力，适合于难加工金属材料和复杂型面零件的加工。但由于加工能量受脉冲电源能量输出的限制，加工区域又集中在很小的放电通道附近，传输到被加工材料基体的热量十分有限且利用率较低，因此加工的效率较低。同时，由于传统电火花加工采用煤油等工作介质，会产生有毒气体排放及易燃等一系列的环境和安全隐患问题。

[0004] 为了弥补传统电火花加工的不足，国内外学者提出了气中电火花加工、液中喷气电火花加工、喷雾电火花加工等新型电火花加工方法。日本东京农工大学国枝正典提出的气中电火花加工方法，在一定程度上解决了环境和安全问题，同时，加工中部分熔融工件金属材料飞溅粘附在工具电极上，补偿了工具电极损耗，可得到较低的电极损耗率。但由于其放电间隙较小，易发生短路或拉弧现象，使得放电状态变差、加工效率大大降低。上海交通大学提出了液中喷气电火花加工方法和喷雾电火花加工方法。液中喷气电火花加工相对于气中电火花加工具有更高的加工效率、更好的表面质量和同样低的电极损耗。喷雾电火花加工结合了液中和气中电火花加工方法的优点使放电间隙大于气中和液中电火花加工，电介质容易击穿形成放电通道，高压雾气具有比气中加工更好的冷却作用，可以提高放电通道的爆炸力，提高加工速度。

[0005] 上述各种方法加工时的能量大小仍然主要依赖于脉冲电源的输出，而一般脉冲电源的能量利用率不到总能量的一半，此外，用于加工的能量只有部分分配给工件，还有一部分能量在传递过程中散失到周边介质中，这就使得加工能量的利用率不高。如果电源的输出能量提高，电火花加工效率也会提高，但电源的输出能量越大，分配到工具电极上的能量越大，相应的电极损耗也越大，工件表面质量也越差。因此，上述方法的加工效率及表面质量均受到制约。

发明内容

[0006] 本发明的目的是针对目前难加工金属材料加工效率低的问题，发明一种将机械切削中常用的磨削、铣削加工与电火花加工相结合，通过可控烧蚀方式使被加工区域的难加工金属材料快速软化而后进行切削去除的加工方法。

[0007] 本发明的技术方案是：

[0008] 一种基于电火花诱导可控烧蚀的难加工金属材料高效切削加工方法，其特征是它包括以下步骤：

[0009] 首先，使具有机械切削作用的轮盘式切削刀具导电并做旋转运动；

[0010] 其次，在直流或脉冲电源的作用下使轮盘式切削刀具的导电部分与难加工金属材料之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体使难加工金属材料发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域加热软化甚至达到熔融状态；

[0011] 再后，利用轮盘式切削刀具（导电整体砂轮或开槽断续砂轮的磨粒或组合铣刀的绝缘切削齿）的机械切削作用将烧蚀产物和软化或熔融状态的金属材料去除；

[0012] 重复进行上述加工过程，使电火花诱导作用下的可控烧蚀与机械切削（磨削或铣削）两种状态始终交替进行直至加工结束。

[0013] 所述的助燃气体为能与难加工金属材料发生燃烧放热反应的氧气、氯气、氮气、氟气中的一种或其几种的组合。

[0014] 所述的助燃气体的工作压力为0.01~90 MPa。

[0015] 所述的轮盘式切削刀具为砂轮或铣刀；所述的助燃气体可以从轮盘的内部输入到加工区域或从轮盘的体外输入到加工区域。

[0016] 所述的砂轮为采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，或为由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮作为工具的磨削加工，或为采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀，绝缘齿为金钢石、立方氮化硼或陶瓷，通过电镀、夹紧或焊接的方式固定在铣刀轮盘上。

[0017] 所述的难加工金属材料为能与助燃气体产生氧化反应的钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料。

[0018] 所述的切削加工包括采用导电砂轮作为工具的磨削加工和采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀作为工具的铣削加工。

[0019] 在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的助燃气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（如乳化液或复合工作液）。

[0020] 通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体，进而控制烧蚀释放的热量。本发明在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的气体的同时，还向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（如乳化液或复合工作液）。

[0021] 本发明可通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体从而达到控制烧蚀释放热量的目的。

[0022] 本发明的加工方法还可进一步描述为：

[0023] 第一、导电的轮盘（采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，也可以是由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮作为工具的磨削加工或采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀）与难加工金属材料分别接电源的两极，在轮盘与难加工金属材料之间产生放电，使难加工金属材料加工区域达到燃点温度以上并产生活化，同时对加工区域通入氧气（或其它助燃气体），在氧气（或其它助燃气体）作用下形成高温烧蚀，释放热量。

[0024] 第二、烧蚀的热量作用于难加工金属材料加工区域基体，使基体材料加热至软化甚至熔融状态。烧蚀热量的控制可以依靠气体的间歇供给或气体连续供给时气体流量、压力、轮盘转速等进行调整。所述的气体的工作压力为0.01~90 MPa。

[0025] 第三、在磨削或铣削的切削作用下将难加工金属材料的软化部分切削去除，露出新的基体材料表面，随着工件的进给重复上述加工过程。

[0026] 整个加工过程中可以利用高压液体工作介质冲刷加工区域，包裹气体，也可以采用将整个加工区域浸入工作液并结合高压冲液的方式以压迫气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出。所述的加工介质为水或非可燃水溶性工作液（乳化液、复合工作液等）[0027] 本发明的有益效果：

[0028] 本发明通过在导电轮盘（采用整体或开槽断续的导电整体砂轮，也可以是由导电齿及磨削齿组成的开槽断续砂轮作为工具的磨削加工或采用导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀）与难加工金属材料之间的电火花诱导作用下，连续或间歇地通入能与难加工金属材料（钛合金、高温合金等）能发生烧蚀反应的气体（如氧气），释放出大量的热（比同一时间内电火花放电能量输出高出4个以上数量级），这些热量能够直接扩散至难加工金属材料加工区域基体，使基体材料产生软化效应，然后在磨削或铣削的切削作用下被去除。加工过程中轮盘所受到的切削力很小，因此可以进行大深度切削，并且由于切削力很小，使得对机床的刚性要求可适当降低，刀具的寿命可以大大延长。

[0029] 本发明通过电火花的诱导作用，利用难加工金属材料烧蚀释放的大量化学能，软化加工区域的难加工金属材料，提高了加工效率。由于大大的减小了切削力，使得刀具损耗较小，延长了使用寿命，降低了加工功耗。烧蚀热量的控制可以依靠气体的间歇供给或气体连续供给时气体流量、压力、轮盘转速等进行调整。

[0030] 本发明与常规电火花切削加工相比可数十倍地提高材料去除效率，很好地解决了难加工金属材料加工效率低的难题，对降低难加工金属材料的加工成本，扩大应用范围有很大的作用。

[0031] 本发明切削力较小，对于机床刚性的要求可以适当降低；由于采用了水或非可燃水溶性工作液作为工作介质，不存在传统电火花加工油性工作介质易产生环境污染，火灾隐患等问题，是一种高效、低损耗、低成本、安全、无污染的加工方法。

附图说明

[0032] 图1是本发明的磨削加工装置原理示意图。

[0033] 其中：

[0034] 图1（a）是砂轮导电齿电火花放电诱导活化难加工金属材料示意图。

[0035] 图1（b）是在氧气作用下难加工金属材料烧蚀过程示意图。

[0036] 图1（c）是砂轮上磨削齿依靠磨粒的机械磨削力去除难加工金属材料过程示意图。

[0037] 图2是本发明的铣削加工过程示意图。

[0038] 其中：

[0039] 图2（a）是铣刀上导电齿与难加工金属材料之间的放电引燃示意图。

[0040] 图2（b）是在氧气作用下难加工金属材料烧蚀过程示意图。

[0041] 图2（c）是铣刀上绝缘切削齿切削难加工金属材料过程示意图。

具体实施方式

[0042] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

[0043] 实施例一。

[0044] 如图1所示。

[0045] 一种基于电火花诱导可控烧蚀及放电磨削加工难加工金属材料的新方法，它包括以下步骤：

[0046] 首先，使具有机械切削作用的砂轮导电并做旋转运动；导电砂轮可为圆形或开槽断续的，助燃气体从可从砂轮体内输入到加工区域或从砂轮体外输入到加工区域；

[0047] 其次，在直流或脉冲电源的作用下使砂轮的导电部分与难加工金属材料（如钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料）之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工金属材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体（控制助燃气体的工作压力为0.01~90 MPa，可为氧气、氯气、氮气或氟气中的一种或几种）使难加工金属材料发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域加热软化甚至达到熔融状态；在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的助燃气体的同时，还可向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（如乳化液或复合工作液），此外还可通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用砂轮的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体，进而控制烧蚀释放的热量。

[0048] 再后，利用导电整体砂轮或开槽断续砂轮的磨粒所具有的机械切削作用将烧蚀产物和软化或熔融状态的金属材料去除；

[0049] 重复进行上述加工过程，使电火花诱导作用下的可控烧蚀与磨削两种状态始终交替进行直至加工结束。

[0050] 导电砂轮轮盘与难加工金属材料分别接脉冲电源的两极，采用复合工作液作为液体工作介质，高压氧气周围由复合工作液包围，直接利用导电砂轮轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到在加工区域实现间歇性气流供气的效果，通过向加工区域喷射复合工作液以压迫可燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出。

[0051] 电火花诱导可控烧蚀及磨削加工。该加工方法从微观上分为三个过程：

[0052] 1、如图1(a)所示，在电火花放电诱导作用下，导电砂轮导电齿与难加工金属材料之间形成放电通道，少量难加工金属材料被火花放电蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近金属材料由于温度较高，形成活化区，表面材料达到燃点温度以上；

[0053] 2、如图1(b)所示，活化区材料在氧气(或其它可燃气体)的作用下，发生剧烈的烧蚀反应，使活化区进一步扩大，同时释放出大量的热量，热量作用于难加工金属材料加工区域基体，使其加热至软化甚至熔化状态，从而形成软化区；

[0054] 3、如图1(c)所示，在氧气的持续作用下，难加工金属材料的软化区也进一步扩大，然后在砂轮磨削齿的磨粒的作用下，仅需要很小的磨削力便可将难加工金属材料的软化区磨削去除。通入氧气的压力可在0.01~90 MPa之间选择。重复上述过程直至加工完成。

[0055] 具体加工过程中，进给及轨迹控制可通过使难加工金属材料相对于导电砂轮作伺服进给运动，并采用轨迹控制蚀除难加工金属材料，完成加工形状及精度的控制。

[0056] 实施例二。

[0057] 如图2所示。

[0058] 一种基于电火花诱导可控烧蚀及铣削加工难加工金属材料的新方法，它包括以下步骤：

[0059] 首先，使具有机械切削作用的铣刀导电并做旋转运动；铣刀可由导电齿、绝缘切削齿和轮盘组合而成，绝缘齿可以是金钢石、立方氮化硼或陶瓷，通过电镀、夹紧或焊接的方式固定在轮盘上，助燃气体可以从轮盘内输入到加工区域或从轮盘外输入到加工区域；

[0060] 其次，在直流或脉冲电源的作用下使铣刀的导电部分与难加工金属材料（如钛合金、高温合金、高强度钢或不锈钢材料）之间产生火花放电，利用电火花放电作用，使难加工材料表面达到燃点温度以上而处于活化状态，同时向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体（控制助燃气体的工作压力为0.01~90 MPa，可为氧气、氯气、氮气或氟气中的一种或几种）使难加工金属材料发生烧蚀反应，生成烧蚀产物并释放出大量热量，这些热量又作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域加热软化甚至达到熔融状态；在向加工区域连续或间歇通入能与难加工金属材料产生烧蚀放热效应的助燃气体的同时，还可向加工区域以包裹气体的方式喷射工作液或将加工区域浸没在工作液中以压迫助燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出，所述的工作液为水或非可燃水溶性工作液（如乳化液或复合工作液），此外还可通过气流控制装置的主动间歇控制或直接利用轮盘的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到向加工区域间歇供应助燃气体，进而控制烧蚀释放的热量。

[0061] 再后，利用铣刀所具有的机械切削作用将烧蚀产物和软化或熔融状态的金属材料去除；

[0062] 重复进行上述加工过程，使电火花诱导作用下的可控烧蚀与铣削两种状态始终交替进行直至加工结束。导电齿与绝缘切削齿组合成的铣刀与难加工金属材料分别接脉冲电源的两极，采用复合工作液作为液体工作介质，高压氧气周围由复合工作液包围，直接利用铣刀的高速旋转运动使烧蚀区域强迫转移从而达到在加工区域实现间歇性气流供气的效果，通过向加工区域喷射复合工作液以压迫可燃气体，强化烧蚀作用，并加速加工产物的排出。

[0063] 电火花诱导可控烧蚀及铣削加工从微观上分为三个过程：

[0064] 1、如图2(a)所示，在电火花放电诱导作用下，铣刀上的导电齿与难加工金属材料之间形成放电通道，少量难加工金属材料被火花放电蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近金属材料由于温度较高，形成活化区，表面材料达到燃点温度以上；

[0065] 2、如图2(b)所示，活化区材料在由凹槽带入的氧气作用下，发生剧烈的烧蚀反应，使活化区进一步扩大，同时释放出大量的热量，热量作用于难加工金属材料加工区域基体，使其加热至软化甚至熔融状态，从而形成软化区；

[0066] 3、如图2(c)所示，在氧气的持续作用下，难加工金属材料的软化区也进一步扩大，然后在铣刀绝缘切削齿的作用下，仅需要很小的切削力便可将难加工金属材料的软化区切削去除。通入氧气的压力可在0.01~90 MPa之间选择。重复上述过程直至加工完成。

[0067] 具体加工时进给及轨迹控制时可使难加工金属材料相对于铣刀作伺服进给运动，并采用轨迹控制蚀除难加工金属材料，完成加工形状及精度地控制。

[0068] 本发明的放电诱导加工的进一步的工作原理可参见申请号为201010545526.X和201010544351.0的中国专利申请的相关内容。

[0069] 本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。