开放式三维流道高速电弧放电层扫加工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及的是一种金属加工领域的技术，具体是一种针对复杂的几何特征的开放式三维流道高速电弧放电层扫加工方法。
【背景技术】
[0002]三维流道广泛存在于发动机、汽轮机、离心泵、压缩机等动力设备的关键零部件上，比如叶轮、涡轮等。对开放式三维流道的加工，常见有机械切削方法、电火花成型加工方法、电化学加工方法等。
[0003]机械切削方法根据流道特征通过立铣刀分层侧铣、插铣、甚至车铣复合等方式切除材料，机械切削加工对于硬度低的材料可以获得较好的加工效率，然后对于难切削材料的流道加工，其效率低下，刀具损耗严重，并且对于部分形状复杂的三维流道，机械切削往往由于干涉而无法正常加工；电火花放电加工容易获得较好的表面质量和精度，然而其效率有限，因此电火花放电加工三维流道，存在的主要问题之一是加工效率低下。
[0004]而电化学加工也存在效率问题，如文献《整体叶轮分步法数控电解加工工艺与关键技术》(华南理工大学学报(自然科学版)，38 (8)，2010:71 -77)披露一种电化学加工方法，该方法采用的直流电压为12V，电解液为20 %的NaN03溶液，工作压力为0.8MPa，加工进给速度为2mm/min。从加工参数可见，电化学加工涉及的电解过程较慢，其进给速率低，并且电解过程容易产生重金属等有害物质，后续净化处理过程复杂。
[0005]为解决开放式三维流道加工效率问题，本发明引入高速电弧放电加工。高速电弧放电区别于传统的电火花放电加工，电弧放电具有更高的能量密度，其单位时间材料去除率远远高于电火花放电加工，如专利号ZL 201110030724.7的授权文献《集束电极高速电弧放电加工》(赵万生等，上海交通大学)公开了一种电弧放电加工技术领域的集束电极高速放电加工方法，该技术在峰值电流635A时，配合适当的冲液压力及脉冲参数对钛合金材料进行加工，其材料去除率达6844mm3/min。
[0006]然而，虽然利用高速电弧放电加工可以获得比普通电火花加工高若干倍的加工效率，但是对于开放式三维流道，无论采用集束电极或者其它成型电极进行放电加工，均容易由于排肩不畅引起短路而无法正常加工；并且，由于工具电极上加工有沖液孔，沖液孔处由于无法放电而导致工件被加工处留有残余凸起。此外，以往加工三维流道为点加工方式，不利于加工效率的优化提尚。
【发明内容】
[0007]本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种开放式三维流道高速电弧放电层扫加工方法，基于流体动力断弧的高速电弧放电，实现开放式三维流道的高效分层加工，消除工件上由于电极上开孔导致加工后遗留的残余凸起。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0009]本发明涉及一种开放式三维流道高速电弧放电层扫加工方法，将具有六自由度的工具电极与待处理工件以相互垂直的方式设置，电弧放电过程中工具电极在垂直于其安装轴的平面或曲面内按照封闭轨迹进行扫掠位移。
[0010]所述的六自由度是指:垂直坐标系下的XYZ方向直线运动以及分别绕XYZ轴的ABC向转动。
[0011]所述的相互垂直设置是指:安装轴线相互垂直。
[0012]所述的扫掠位移的路径满足:在对应的待处理工件的流道特征、工具电极几何形状及加工余量的条件下，工具电极在该路径下运动所行成的包络空间与工件重合的空间不超过流道预定加工腔体尺寸。
[0013]进一步地，当待处理工件上的加工流道为弯曲型面或圆弧底面时，则工具电极设置为扫掠位移的同时绕其余两个转动自由度进行进给，具体为:
[0014]a)当X向安装轴的待处理工件上的加工流道为弯曲型面，则Z向安装轴的工具电极设置为扫掠位移的同时绕C轴进行进给，实现弯曲型面联动加工；
[0015]b)当X向安装轴的待处理工件上的加工流道底面为圆弧型面，则Z向安装轴的工具电极设置为扫掠位移的同时绕B轴进行进给，实现圆弧底面联动加工；
[0016]在上述任一过程中，工作液被击穿后形成电弧放电而切除材料。
[0017]所述方法包括以下步骤:
[0018]第一步、将工件和工具电极分别设置于转台及机床的主轴上，工具电极的安装轴轴线与工件轴线相垂直；同时，将水箱中的水基工作液通过工具电极上的冲液孔及水槽形成冲液回路，工具电极上的沖液孔位于其底面，即与工件轴线垂直相对的一侧；
[0019]第二步，将工件和工具电极分别接电源的两极，使得工件和工具电极通过水基工作液形成放电回路；
[0020]第三步，工具电极在X，Y，Z方向进给后沿工具电极的安装轴线的垂直平面或曲面作小幅封闭轨迹扫掠运动，以去除工件残留凸起，实现三维开放流道的面加工。
[0021]根据被加工流道特征，工具电极可沿C轴转动，进行弯曲型面联动加工，工件可沿B轴摆动进行圆弧底面联动加工；此过程中，水基工作液被击穿后形成电弧放电而切除材料；
[0022]第四步，在完成单个流道的若干层层扫切削后，工件绕A轴分度至下一个待加工流道位置，重复放电过程直至完成所有流道加工。
技术效果
[0023]与现有技术相比，本发明通过引入高速电弧放电，给出开放式三维流道层扫加工方法，解决了如下问题:
[0024]I)提高了开放式三维流道加工效率，加大了材料去除率；
[0025]2)通过面加工，代替以往的点加工，进一步提高材料去除率；
[0026]3)增强了加工过程的稳定性，即具备良好的断弧特性，防止了工件烧蚀；
[0027]4)提高了加工切肩的排除有效性，排肩方便，降低了短路几率。具体来说，利用高速电弧放电层扫，提高了其加工效率，并有效去除材料上残余的凸起；同时，利用水基工作液作为放电介质，通过工具电极和工件间冲液进行流体动力断弧，并结合脉冲电气断弧，有效提高了加工过程稳定性，降低了工件烧蚀概率；此外，通过曲线轨迹层扫式运动，在加工过程中产生充足的切肩排除空间，改善了由于排肩不畅(甚至无法排肩)而导