用于高性能金属合金的电腐蚀加工的方法
【技术领域】
[0001]本公开大体指向金属构件的机械加工。在一些特定的实施例中，本公开涉及由先进的结构化的金属和合金形成的构件的电加工。
【背景技术】
[0002]先进的金属材料在现代的制造业中，例如飞机、汽车和工具以及模具制造业中起到日益重要的作用。同常规的材料相比，这些材料通常呈现极大改进的热、化学和机械属性。增强的特定的属性包括强度、耐热性、耐磨性和耐腐蚀性。甚至适度的改进都可能通过改进的产品性能和产品设计而对制造业产生相当大的经济效益。
[0003]虽然先进的材料呈现许多所需的属性，但是它们有时是非常难以加工的。作为一个示例，用于例如钛合金的特殊材料的传统的机械加工和铸造工艺时常是不合适的，并且在形成板、棒等时需要去除大量的原料。此外，操作时常需要通过额外的工艺来补充，诸如多个修整操作。另外，钛和其合金的化学属性和物理属性可能使钻孔操作变得很有挑战，时常导致不符合要求的大的热影响区域(HAZ)。出于这些原因，整体加工成本可能比类似钢的材料高得多。
[0004]已经研究了许多技术来加工类似钛和镍超级合金的先进的材料。放电加工(或EDM)是一种机械加工方法，其主要用于硬质金属或不可能的用传统技术进行机械加工的金属。该技术是在存在高能电场的条件下利用在电极(刀具)和工件之间的快速再生的电弧放电来实现。EDM刀具沿着非常靠近工件的所需路径进行引导，但其不会接触工件。该技术有时被称为“电腐蚀”。其它电加工技术在本领域中也是已知的，包括电化学加工(ECM)、电化学研磨(ECG)和电化学放电加工(ECDM)，它们全部在美国专利7，741，576 (A.Trimmer等人)中描述。
[0005]虽然当前电加工工艺在许多情况下是可接受的，但是对于各种高性能合金的额外的设计和性能要求已经在激励对工艺中相当大的发展的寻求。作为一个示例，由钛和其合金形成的某些构件可能由于低的热导率以及不能保持机械加工区域免除工艺碎肩而仍然是非常难以加工的。如下面所述，机械加工的碎肩可能危害电腐蚀工艺，并且可能导致对机械加工装备和工件的损伤。此外，在工业环境中仍然需要改进用于机械加工高性能合金的材料去除率(MRR)，因为过量的机械加工时间和对于许多其它工艺步骤的需求可能降低整体工艺的经济活力。因此，在本领域中解决这些挑战中的一些的改进的电腐蚀工艺将是受欢迎的。
【发明内容】
[0006]本发明的一个实施例指向一种利用机械加工装置对由钛基材料形成的工件进行机械加工的方法。该方法包括如下步骤:
(a)在相对于钛基工件预选定的距离和位置提供包含在芯轴组件内的导电电极；同时利用电源电驱动电极和工件； (b)通过机械加工装置中的至少两条路径使流体电解质循环；其中一条路径包括位于芯轴组件内的内部导管；并且第二路径包括位于芯轴组件外面并且至少部分地位于电极和工件之间的间隙中的外部导管；以及
(C)在切入运动中使电极相对于工件移动，以在相对高的速率下，利用高速电腐蚀(HSEE)工艺从工件去除材料。
[0007]另一实施例指向一种机械加工钛基构件的方法，其中材料通过利用高速电腐蚀(HSEE)工艺从构件的选定的区域去除，其中导电电极可控制地在切入(型腔成形运动)中相对于构件移动和旋转；以及其中流体电解质通过电极内的内部路径和位于电极外面并在电极和构件之间的间隙内的外部路径而循环。在该实施例中，循环电解质流体的总的压力值和电极的转速同时受到自动化机构的控制，以便极大化从构件中去除钛的效率。
[0008]本发明的第一技术方案提供了一种利用机械加工装置对钛基材料形成的工件进行机械加工的方法，方法包括如下步骤:(a)在相对于钛基工件预选定的距离和位置提供包含在芯轴组件内的导电电极；同时利用电源电驱动电极和工件；(b)通过机械加工装置中的至少两条路径使流体电解质循环；其中一条路径包括位于芯轴组件内的内部导管；并且第二路径包括位于芯轴组件外面并且至少部分地在电极和工件之间的间隙内的外部导管；以及(C)在切入运动中使电极相对于工件移动，以利用高速电腐蚀(HSEE)工艺在相对高的速率下从工件去除材料。
[0009]本发明的第二技术方案是在第一技术方案中，电极在HSEE工艺期间以至少大约36，000英寸/分钟的线速度旋转。
[0010]本发明的第三技术方案是在第二技术方案中，线速度在大约7，000英寸/分钟至大约125,000英寸/分钟的范围内。
[0011]本发明的第四技术方案是在第二技术方案中，电极在至少大约15amp/mm2的电流密度下进行操作。
[0012]本发明的第五技术方案是在第一技术方案中，流体电解质为工件以及为工件和电极之间的间隙提供冷却，同时还冲洗掉机械加工所得的碎肩。
[0013]本发明的第六技术方案是在第五技术方案中，流体电解质包括一种或更多种添加剂，以用于增加在工件和电极之间的放电。
[0014]本发明的第七技术方案是在第一技术方案中，芯轴组件包含在多轴线机器中或用其他方式连接至该多轴线机器，该多轴线机器构造为支撑电极并使电极旋转。
[0015]本发明的第八技术方案是在第七技术方案中，多轴线机器与控制器操作通信，该控制器构造为用于将间歇的多个电弧分布在电极和工件之间。
[0016]本发明的第九技术方案是在第一技术方案中，切入运动是轴向的，并且大体垂直于需要去除材料的工件表面。
[0017]本发明的第十技术方案是在第九技术方案中，切入运动在工件表面中切出型腔孔。
[0018]本发明的第十一技术方案是在第一技术方案中，工件是涡轮发动机的构件或飞机机身的一部分。
[0019]本发明的第十二技术方案是在第二技术方案中，循环电解质流体的总的压力值和电极的转速同时受到自动化机构的控制，以便极大化从工件去除钛的效率。
[0020]本发明的第十三技术方案是在第十二技术方案中，电极通过带有阈电流的电源来激励，该电源在工件和电极之间施加电势差AV ;方法还包括:
(i)在机械加工期间以选定的间隔测量电流；
(ii)比较测量的电流与阈电流，以确定测量的电流是否指示失控状态；
(iii)在指示失控状态后产生控制信号，控制信号导致(I)电极转速或(II)电解质冲洗压力中的至少一个的调整，以便使机械加工步骤返回受控状态。
[0021]本发明的第十四技术方案提供了一种机械加工钛基构件的方法，其中材料通过利用高速电腐蚀(HSEE)工艺从构件的选定区域去除，其中导电电极在切入的型腔孔成形运动中相对于构件可控制地移动和旋转；以及其中流体电解质穿过电极内的内部路径以及电极外面并在电极和构件之间的间隙中的外部路径两者而循环；以及其中循环电解质流体的总的压力值和电极的转速同时受到自动化机构的控制，以便极大化从构件去除钛的效率。
【附图说明】
[0022]图1是根据本发明的一些实施例的用于执行机械加工工艺的装置的示意图。
[0023]图2显示了为本发明的实施例所采用的芯轴组件。
[0024]图3是根据一些创新的实施例的各种机械加工步骤的图示。
[0025]图4是根据本发明的一些实施例为机械加工工艺选择的控制和监测步骤的图示。
[0026]图5是根据本发明的一些实施例由型腔-切入所得的孔的照片。
[0027]图6是曲线图，其描绘了根据一些创新的实施例的用于机械加工工艺的材料去除率特征。
【具体实施方式】
[0028]关于本公开，本文中公开的任何范围都是包含且可组合的(例如，“高达大约25wt%”或更具体地“大约5wt%至大约20wt%”的成分范围包含端点和该范围的所有中间值)。此外，词语“第一”、“第二”等在本文中并不表明任何顺序、数量或重要性，而是用于将一个元件与另一元件区分开来。词语“一”和“一个”在本文中并不表明数量的限制，而是表明至少存在其中一个所指事物。此外，本文中遍及说明书和权利要求使用的近似语句可应用于修饰任何数量表述，其可在不导致其相关的基本功能发生变化的条件下准许进行修改。因此，由诸如“大约”的词语或多个词语修饰的值并不局限于所规定的精确值。在一些情况下，近似语句可与用于测量该值的仪器的精度相对应。
[0029]钛和其合金在时常涉及航空、核和电子工业的许多重要的应用中找到用途。然而，如之前所暗示的，常规技术对于机械加工钛以及其它硬质金属时常是低效的。根据本文中描述的实施例，被称为高速电腐蚀(HSEE)机械加工的特殊类型的放电加工的使用可导致对钛基工件的有效的机械加工。如本文中所使用的，“钛基”指合金，其按重量计算包含至少大约50%的钛，并且在一些实施例中，按重量计算至少大约75%的钛。在一些关键的实施例中，受益于这种类型的机械加工技术的工件是涡轮发动机的构件或飞机机身的一部分。
[0030]图1是根据本发明的一些实施例的用于执行工艺的说明性的机械加工装置10。芯轴组件1