一种超声振动辅助断续式电火花加工方法

1.本发明涉及一种脉动态超声振动辅助电火花加工方法，属于超声电火花复合加工领域。


背景技术：

2.颗粒增强金属基复合材料是以碳化物、氮化物、石墨等颗粒增强相，以金属或合金为基体的复合材料统称。颗粒增强金属基复合材料具有低热膨胀系数、高热导率、高比刚度、低密度、良好的尺寸稳定性以及耐磨、耐疲劳等优异的力学性能和物理性能，在航空航天领域应用前景广泛。中国火星车“祝融号”车身承载结构、机械运动机构、探测器结构等几十种零部件采用了多种不同碳化硅含量的sic
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/al；嫦娥五号月球采样机构关键部件也采用了sic
p
/al。颗粒增强金属基复合材料的力学性能主要与增强相颗粒的体积分数有关，通常认为颗粒含量越高，材料的耐磨性、尺寸稳定性等性能越优异；但是中高体积分数颗粒增强相使得机械切削加工刀具磨损严重、表面加工质量差、加工效率低甚至无法加工，限制了颗粒增强金属基复合材料在航空航天领域的推广和应用。
3.电火花加工技术是基于工具电极和工件之间火花放电时产生的电腐蚀现象来蚀除工件材料，具有加工效率高、加工不存在宏观切削力等特点。只有当极间间隙减小到数十微米时，工具电极和工件之间才会产生火花放电，因此加工区域内极易积聚大量加工产物；同时，由于金属基复合材料含有大量不导电的增强相颗粒，加工过程中很难通过气化或熔化的方式蚀除，极易在加工间隙内集聚，影响工作液介电性能，影响了电火花加工效率和表面质量。研究人员采用削边或开槽电极改善加工区域内产物输运条件，进行颗粒增强金属基复合材料加工，但实际效果并不理想。
4.超声加工时，工具端面做超声频振动，借助工具和工件之间液体中的游离磨料对被加工表面进行机械撞击和抛磨作用，实现工件材料的去除，具有宏观切削力小，表面质量好等优点，通常用于硬脆材料的加工。相较于硬脆材料，颗粒增强金属基复合材料中的金属基体容易发生塑性变形，因此加工过程中磨料极易嵌入金属基体，减弱了磨料的机械撞击和抛磨作用，加工颗粒增强金属基材料时很难获得良好的加工效果；同时，由于增强相颗粒被金属基体完全或部分包裹，超声作用下磨粒只能加工增强相颗粒外露部分，很难获得较高的加工效率。
5.因此，面向航空航天领域迅速发展的颗粒增强金属基体材料制造需求，亟需兼顾加工效率和表面质量的创新加工方法。


技术实现要素：

6.本发明提供一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，以解决现有技术存在的问题，能够有效提高颗粒增强金属基复合材料的加工效率和表面质量。
7.一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，其特征在于包括以下步骤：步骤一：工件接脉冲电源正极，工具电极接脉冲电源负极，同时工具电极(9)按照预设转速绕其轴线高
速旋转，工作液由工具电极内孔喷出，进入到加工区域内，在脉冲电源打开的同时，工具电极沿工具电极进给方向向靠近工件方向进给，工具电极做沿其轴线方向周期为t2，振幅为im的超声振动与沿进给方向周期为t1的低频振动耦合的复合运动，且复合运动的周期为t1；一个复合运动周期t1内包括三个阶段，分别是低频振动进给阶段(a-b段)、耦合运动放电阶段(b-d段)、低频振动回退阶段(d-e段)；步骤二：在低频振动进给阶段(a-b段)，工具电极由侧面最大间隙h2处(a点)逐渐进给至速度最大处(b点)，脉冲电源保持关闭状态，工具电极沿着进给方向恒速进给，且工具电极沿低频振动方向振动进给，侧面加工间隙由最大间隙h2逐渐减小，同时将大量新鲜的工作液带入加工区域内，使加工区域内的工作液恢复到介电状态，脱落的增强相颗粒进入到工作液中并充当磨料；步骤三：在耦合运动放电阶段(b-d段)，工具电极由速度最大处(b点)继续向靠近工件方向低频进给至侧面间隙最小处(c点)，随后又向远离工件方向低频回退至速度最大处(d点)，同时工具电极开始沿轴线方向做超声振动运动，，工具电极与工件之间侧面间隙先逐渐减小后逐渐增大，脉冲电源打开，加工区域内发生多次火花放电，同时工具电极开始沿轴线方向做超声振动，工作液内形成大量微空腔，在超声作用下将大量火花放电产物带离加工区域，且游离的增强相颗粒对工件产生机械撞击和抛磨作用，提高了电火花加工的表面质量。步骤四：在低频振动回退阶段(d-e段)，工具电极由速度最大点(d点)沿低频振动方向回退，侧面加工间隙逐渐增大为h2，工具电极在振动回退时具有极大的加速度，将加工区域内大量的大量火花放电产物带离加工区域，新鲜的工作液回流到加工区域内，使加工区域内工作液恢复到介电状态；步骤五：加工区域不断重复上述步骤二至步骤四这三个阶段，在工具电极低频振动和超声振动复合运动与脉冲电源的断续式加工作用下，实现工件的高质量加工；其中工具电极低频振动与超声振动耦合运动的周期t1等于低频振动进给阶段时间ta、耦合运动放电阶段tb与低频振动回退阶段时间tc之和。
8.在加工过程中，工具电极沿其轴线以很大的加速度快速振动，使得加工区域内工作液产生极强的液压冲击，压缩了加工区域内的等离子体放电通道，避免等离子体通道无效的扩张，减少能量消耗，将更多的能量用于蚀除材料，有利于提高加工效率；同时由于工件中含有大量的增强相颗粒，本发明利用加工过程中脱落的游离于工作液的增强相颗粒，在工具电极超声振动作用下，脱落的增强相颗粒充当磨料，对工件表面产生机械撞击和抛磨作用，有利于提高电火花加工的表面质量。
9.所述的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，其特征在于：工具电极低频振动的幅值为数100微米至4毫米，工具电极超声振动的幅值为1-20微米，超声振动的周期t2为数5-100微秒。
10.工具低频振动幅值远远大于超声振动幅值，可以将加工区域内工作液完全更新，排出加工区域内产生的大量产物，改善加工稳定性。工具电极超声振动幅值较小，振动频率极高，可以快速更新较小区域内的工作液，促进微区域内加工产物的输运。
11.所述的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，其特征在于：低频振动进给时间ta、低频振动回退时间tc与超声振动时间tb均可调整，增大超声振动时间tb以增加能量输入，获得更高的加工效率；增大低频振动进给时间ta、低频振动回退时间tc有利于加速加工区域加工产物输运，获得更好的表面质量。通过调整上述三个阶段的时间，采用一种类型工具电极就可获得不同的加工效果，减少电极设计时间。
12.所述的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，其特征在于：工具电极材料为铜钨合金、石墨、紫铜、紫铜。
13.所述的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，其特征在于：工件为中高体积分数的颗粒增强金属基复合材料。
附图说明
14.图1为本发明提出的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极低频振动进给阶段示意图；
15.图2为本发明提出的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极超声振动阶段示意图；
16.图3为本发明提出的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极低频振动回退阶段示意图；
17.图4为本发明提出的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极复合运动与脉冲电源耦合施加方式示意图；
18.图中标号名称为：1、低频振动方向；2、工作液；3、火花放电产物；4、脉冲电源；5、微空腔；6、工件；7、火花放电；8、增强相颗粒；9、工具电极；10、工具电极进给方向。
具体实施方式
19.下面结合具体附图对本发明做进一步的详细说明。
20.图1是超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极低频振动进给阶段示意图。脉冲电源4保持关闭状态，工件6沿着进给方向10恒速进给，工具电极9沿低频振动方向1低频振动进给，在一个工具电极9复合运动周期t2内低频振动进给时间为ta，且侧面加工间隙由最大间隙h2逐渐减小，底面加工间隙h0保持不变，由于工具电极9向工件移动过程中具有很大的加速度，将大量新鲜的工作液2高速带入加工区域内，使加工区域内的工作液2恢复到介电状态，并且在工作液2的高速冲刷下，脱落的增强相颗粒8进入到工作液2中并充当磨料；
21.图2是超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极超声振动阶段示意图。工具电极9沿低频振动方向1继续低频振动，侧面加工间隙逐渐减小到最小间隙h1，随后逐渐增大，并且工具电极9开始沿轴线方向做超声振动，超声振动的周期为t2、超声振动振幅为im，底面加工间隙在h3～h4之间变化，在一个工具电极9复合运动周期t1内工具电极9超声振动阶段时间为tb；同时，脉冲电源4打开，在超声振动阶段内脉冲电源发出多个脉冲宽度为t
on
、脉冲间隔为t
off
的脉冲电压，此过程加工区域内发生多次火花放电7，在超声作用下工作液2内形成大量微空腔5，微空腔5不断产生闭合引起极强的液压冲击，将大量火花放电产物3带离加工区域，且游离的增强相颗粒8对工件6产生机械撞击和抛磨作用，提高了电火花加工的表面质量；
22.图3是超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极低频振动回退阶段示意图。工具电极9停止超声振动，工具电极9沿低频振动方向1开始低频振动回退，侧面加工间隙逐渐增大为h2，在一个工具电极9复合运动周期t2内工具电极9低频振动回退时间为tc，由于工具电极9低频振动回退时具有很大的加速度，将加工区域内大量的大量火花放电产物3带离
加工区域，新鲜的工作液2回流到加工区域内，使加工区域内工作液2恢复到介电状态；
23.图4是超声振动辅助断续式电火花加工方法工具电极复合运动与脉冲电源耦合施加方式示意图。工具电极9低频振动和超声振动复合运动的周期t1等于低频振动进给时间ta、低频振动回退周期tc与超声振动阶段时间tb之和，超声振动阶段时间tb内工具电极9产生多次振幅为im，周期为t2的超声振动，同时在此阶段脉冲电源4发出多个脉冲宽度为t
on
、脉冲间隔为t
off
的脉冲电压；低频振动进给阶段，侧面加工间隙由h2逐渐减少，底面加工间隙h0保持不变，低频振动回退阶段，侧面加工间隙逐渐增大到h2，底面加工间隙h0保持不变；通过增大一个工具电极9复合运动周期t1内超声振动阶段时间为tb有利于获得更高的加工效率，增大低频振动进给时间ta、低频振动回退周期tc有利于获得更好的表面质量。
24.本发明提出的一种超声振动辅助断续式电火花加工方法，提出了超声振动促进加工产物输运方式，并且结合颗粒增强金属基复合材料特性，拓展了电火花加工技术的应用范围，大大提高增了颗粒增强金属基复合材料加工的加工效率和表面质量，但是以上描述并不能理解为对本发明专利的限制。应该说明的是，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干改善，这些均应落入本发明专利的保护。