基于叠片电极的高速电弧放电加工工艺研究

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在航空航天领域,越来越多的新型材料得到广泛应用,典型材料有镍基高温合金、金属基复合材料、钛合金等。这些材料普遍具有难切削的特点,给传统的切削加工方式带来了严峻的挑战。而我国新一代大推力重载火箭所采用的闭式整体涡轮叶盘的尺寸显著增大,这对加工能力和成本都提出了更高的要求。高速电弧放电加工是一种新型的高效放电加工技术,在继承电加工技术不受工件硬度影响的优势的同时,又充分利用了电弧的大能量来提高材料去除率,实现了难切削导电材料的高效加工,因此在难切削材料半封闭空间特征的高效粗加工方面有很好的潜力。  根据加工对象和要求的不同,高速电弧放电加工电极可分为旋转电极和成形电极。旋转电极主要用于实现开放空间特征的类铣削式加工,而典型的成形电极如集束电极和一体成形电极主要用于特定的开式轮廓特征的加工,以上两种类型的电极均无法实现闭式涡轮叶盘的加工。为解决此问题,本文提出了基于叠片电极的高速电弧放电加工,实现了闭式整体叶盘流道的多轴联动沉入式成形加工,在400 A电流条件下可以达到6,988 mm3/min的材料去除率,验证了BEAM在半封闭空间加工方面的能力。  高速电弧放电加工的核心机制是流体动力断弧,在加工过程中要保证持续的高速冲液,采用叠片电极形式的目的就在于内部的冲液流道可以依据电极的外形设计成弯曲的形状。本文提出了一套完整的叠片电极设计理论,主要包括电极外形、装夹部分和内部流道容腔的设计。进而采用石墨加工中心铣削结合线切割作为叠片电极的加工方法,完成了CAM电极制备。  本文利用COMSOL Multiphysics多物理场仿真软件对叠片电极内部冲液流场进行了仿真分析。在特定的入口流体速度及出口压力情况下,得到其内部流场区域的速度及压力分布图,结果显示工作液在经过叠片电极之后,流速从入口的5.0 m/s到出口位置提升至了最大为21.2 m/s,足以保障流体动力断弧机制的有效作用,从而实现稳定高效的加工。  本文通过工艺实验来研究叠片电极应用于高速电弧放电加工的可行性与工艺性能。搭建实验平台,设计并实施了三因子二水平完全析因实验,分析了峰值电流、脉宽和冲液压力对工艺性能的影响,研究了三个因子对材料去除率(MRR)和相对电极损耗率(TWR)的主效应与交互效应,得到了响应与因子的拟合方程,为进一步实践应用和工艺优化提供了有价值的数据参考。最后进行了电极负极性与电极正极性组合加工试验,成功地加工出闭式涡轮叶盘的流道,分析了 MRR和TWR以及工件金相,验证了叠片电极应用于粗加工领域的工艺可行性,获得了较高的效率和较好的表面质量。
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