阅读说明：本技术 一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统 (Short arc-electrochemical composite milling titanium alloy processing method and system ) 是由 胡国玉 张晟晟 周建平 王立忠 张立 于 2021-02-24 设计创作，主要内容包括：本发明公布了一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统,涉及特种加工领域,在电极和工件之间接入直流电源,具有一定压力的空气和电解液从工具电极的内孔冲入加工间隙。在空气作用下,改善了间隙流场的流速,加快极间电蚀产物快速排出放电区域以减少再铸层的形成,同时具有较高绝缘强度的空气产生电弧放电大余量去除工件材料；当超过放电间隙后,在直流电源作用下,利用电解液的导电特性进行电化学加工,改善钛合金的易钝化属性,增强电化学溶解效率,对短电弧加工遗留的较厚的再铸层进行去除。本发明实现了短电弧加工和电化学加工在同一台机床上同步加工,对实现钛合金工件的高效率高表面质量加工有重要意义。(The invention discloses a short arc-electrochemical composite milling titanium alloy processing method and a system, which relate to the field of special processing. Under the action of air, the flow velocity of a gap flow field is improved, the rapid discharge of interelectrode electric corrosion products out of a discharge area is accelerated to reduce the formation of a recast layer, and meanwhile, the air with higher insulating strength generates large electric arc discharge allowance to remove workpiece materials; when the thickness of the recast layer exceeds the discharge gap, electrochemical machining is carried out by utilizing the conductive characteristic of the electrolyte under the action of a direct-current power supply, the easy passivation property of the titanium alloy is improved, the electrochemical dissolution efficiency is enhanced, and the thick recast layer left by short arc machining is removed. The invention realizes the synchronous processing of short arc processing and electrochemical processing on the same machine tool, and has important significance for realizing the high-efficiency and high-surface-quality processing of the titanium alloy workpiece.)

一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统

技术领域

本发明涉及特种加工领域，具体一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统。

背景技术

钛合金因其具有较高的比强度，耐腐蚀性和高温性能被广泛应用于航空航天、海洋化工、医疗等领域。然而由于该材料的固有特性，如导热性能差和弹性模量低等，使传统的机加工无法满足钛合金的加工要求。目前的非常规加工工艺中，短电弧加工的电极与工件采用非接触式加工，不受材料机械性能的限制，对钛合金的加工适应性强。

短电弧加工利用电热效应去除工件材料，具有极高的脉冲能量，虽然加工效率较高，但加工后的材料表面存在明显的再铸层，严重影响材料的使用性能。通常要对加工后的表面进行电化学加工去除再铸层以达到材料使用要求。因此，对于一批工件的加工，需要在两台及以上不同的设备上进行，增加了生产成本，降低了加工效率。且钛合金属于易钝化金属，使用脉冲电源时，钛合金易在脉冲间隔中形成熔点更高的氧化层，使电化学腐蚀效率降低。这些因素极大限制了钛合金的生产和应用，因此，探究高效率高质量的钛合金的加工工艺具有重要意义。

发明内容

本发明提供了一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统，使用直流电源的短电弧-电化学复合加工可实现短电弧和电化学的同步加工，利用不间断的直流电弧大余量去除材料和氧化层，并通过电化学作用去除短电弧加工后遗留的再铸层问题，以此减少加工工序，实现高效率高质量的钛合金加工。

本发明采用的一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统，包括：

在电极和工件之间接入直流电源，且正极接工件，负极接管状工具电极，具有一定压力的空气和电解液从工具电极的内孔中冲入加工间隙。高速流动的压缩空气改善了间隙流场的流速，并在放电间隙内产生电弧放电大余量蚀除工件材料，当电极继续进给，超过放电间隙后，具有导电特性的电解液在直流电源的作用下进行电化学加工溶解短电弧加工后遗留的再铸层。

进一步地，所述的空气为高速流动的压缩空气，压力控制在0.1MPa~0.6MPa。

进一步地，所述的电解液为NaNO₃、NaCl、NaClO₃、NaSO₄中的一种或几种的组合。

进一步地，所述的电解液浓度为1%~5%，并与蒸馏水配制而成。

进一步地，所述的工具电极为Cu、Zn、Wu、304不锈钢等金属电极或惰性石墨电极。

进一步地，电极的进给速度为2mm/s~30mm/s。

进一步地，间隙电压由所述的直流电源提供，电压范围为15V~35V。

进一步地，所述的管状电极在加工过程中是旋转的，转速为500rpm~3500rpm。

本发明的有益效果：

1.本发明采用一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统，实现了短电弧铣削加工和电化学加工在一台机床上同步进行，利用短电弧加工大余量去除工件材料，并不间断去除材料表面难熔氧化层，当超过放电间隙后，通过电化学溶解短电弧加工后工件表面遗留的再铸层，可实现钛合金这种易钝化金属的高效高质量加工。

2.本发明采用的工作液为具有一定压力的压缩空气和电解液的混合介质，压缩空气可提高间隙流场的流速，促进蚀除产物快速排出放电间隙，降低不均匀放电和二次放电概率以减少再铸层的形成，同时，绝缘性能优于自来水的空气为电弧放电的发生提供了可能；电解液浓度区别于电火花-电化学复合加工和传统的电化学加工，所述电解液浓度大于电火花-电化学复合加工的工作液浓度，由于短电弧加工较电火花加工产生的更厚的再铸层，因此提高电化学溶解效率去除再铸层，所述电解液浓度小于电化学加工的工作液浓度，以保证间隙内混合介质的绝缘性能，平衡短电弧加工和电化学加工的比例，避免引弧不充分；采用的电解质均为中性盐溶液，避免腐蚀机床。

3.本发明采用直流电源，可为短电弧加工提高更高的能量以提高加工效率，并避免了采用脉冲电源易钝化金属在脉冲间隔内形成难熔氧化物，增强电化学溶解效率以提高加工质量。

4.本发明采用电极旋转式加工，可有效拉断电弧避免连续电弧烧伤工件，改善了局部间隙流场的分布状况，促进蚀除产物排出放电间隙，同时使电解液与压缩空气混合，使放电点和电化学溶解区域趋于均匀。

5.本发明采用正极性加工，利用电化学加工中的阴极沉积效应，减少短电弧加工导致的工具电极损耗。

6.本发明相较于短电弧加工和电化学加工，实现了钛合金的高效高质量加工。

附图说明

图1为本发明的

具体实施方式

示意图；

图2为本发明的加工原理示意图；

图3为本发明的短电弧-电化学溶解氧化层原理示意图；

图中标号：1-水箱；2-电解液；3-水泵；4-空气压缩机；5-压力表；6-水箱过滤器；7-工作台过滤器；8-工件夹具；9-外冲液喷头；10-电极夹头；11-工具电极；12-工件；13-工作台；14-机架；15-直流电源；16-数控电柜；17-压缩空气；18-放电通道；19-电蚀颗粒；20-气泡；21-再铸层；22-氧化层；微裂纹-23。

具体实施方式

为使本发明能更加清晰的说明实施例的目的、技术方案和优点，下面将结合附图对本发明开展详细的描述。

图1为本发明的具体实施方式示意图，水泵3从水箱1中将已经配制好的电解液2泵入管道，空气压缩机4抽吸环境中的空气加压生成压缩空气17送入管道，在工具电极11的上方管道与电解液2汇合，加速电解液2的流动，一部分通过工具电极11内孔冲入加工间隙，另一部分通过外冲液喷头9冲入加工间隙，提供电弧放电和电化学加工介质并将蚀除产物冲出间隙，直流电源15正极接入工件12，负极接入工具电极11，提供直流电压，工件12固定在工作台13上，数控电柜16控制工具电极11旋转并匀速向工件12一侧进给，实现短电弧加工和电化学加工的同步进行。

图2为本发明的加工原理示意图，工具电极11旋转使压缩空气17和电解液2充分混合后冲入加工间隙，在直流电源15和具有绝缘性能的压缩空气17的作用下，工具电极11的圆角处和侧面与工件12处于短电弧放电间隙，生成等离子放电通道18，产生大量热能去除工件12材料，形成电蚀颗粒19和少量气泡20，压缩空气17和电解液2的混合物继续冲入加工间隙带走大部分电蚀产物，一部分电蚀产物来不及冲入间隙而快速凝固在工件12表面形成再铸层21，当加工当超过放电间隙后，在直流电源15和具有导电性能的电解液2的作用下，工具电极11的端面与工件12的加工表面发生电化学作用，溶解表面遗留的再铸层21，并生成大量气泡20。

图3为本发明的短电弧-电化学溶解氧化层原理示意图，当电化学无法充分溶解再铸层21表面生成的难熔氧化层22时，在新生成的电蚀颗粒19与气泡20随介质流动过程中，间隙内不间断产生短电弧放电，破坏难熔氧化层22，产生微裂纹23，使电解液2流入在再铸层21内部，提高电化学溶解效率。

具体地，所述的空气为高速流动的压缩空气，压力控制在0.1MPa~0.6MPa。

具体地，所述的电解液为NaNO₃、NaCl、NaClO₃、NaSO₄中的一种或几种的组合。

具体地，所述的电解液浓度为1%~5%，并与蒸馏水配制而成。

具体地，所述的工具电极为Cu、Zn、Wu、304不锈钢等金属电极或惰性石墨电极。

具体地，电极的进给速度为2mm/s~30mm/s。

具体地，间隙电压由所述的直流电源提供，电压范围为15V~35V。

具体地，所述的管状电极在加工过程中是旋转的，转速为500rpm~3500rpm。

本发明提供的是一种短电弧-电化学复合铣削钛合金加工方法及系统的相关技术方案，而非对其限制，本领域的普通技术人员依然可以对本发明的技术方案进行修改或者全部技术特征进行等同替换，而这些修改或替换，这些修改和替换也应视为本发明的保护范围。并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。本发明中未明确的技术方案均可用现有技术加以实现。