电加工技术:抓住机遇 创新突破展风采——访中航工业北京航空制造工程研究所航空发动机工艺研究室主任兼书记傅军英

<正>:电加工作为一种特种加工技术,已广泛应用于多个制造领域,请您结合实例,重点介绍一下该技术在国内外航空制造领域的应用及发展前景。傅军英:电加工技术是利用电能对材料进行加工的一种方法,包括电化学加工与电火花加工,这两类加工方法又分为多个技术分支。如电化学加工包括电解加工、电液束加工、电镀、电铸等,电火花加工包括放电成形加工、线切割加工、表面强化加工等。这里主要从军工产品的应用角度介绍电解加工及电火花加工技     

中走丝电火花线切割机的特点与发展趋势

电火花线切割加工(Wire Cut Electro Discharge Machining,WEDM)是基于电极与工件之间脉冲放电时的电腐蚀现象,即每次脉冲放电时都会产生大量的热量使放电点附近的32航空制造技术·2011年第8期局部金属瞬时融化和气化,并把熔融和气化的金属抛离工件表面,从而在工件表面形成一个微小的放电凹坑.如果所采用的脉冲放电能量大,则加工速度就快,而加工表面粗糙度变差.     

电火花加工最新技术进展

介绍了近年来日本电火花加工研究的最新进展 ,其中包括弯曲孔电火花加工 ,液中放电表面改性处理 ,绝缘陶瓷电火花加工 ,单次放电微细电极加工 ,放电堆积造型加工 ,气体中放电电火花加工 ,扫描创成电火花加工 ,钛合金电火花线切割表面着色及反复拷贝法微细电极电火花加工等电火花加工最新技术 ,可为我国的电加工研究提供借鉴     

电火花线切割加工的表面完整性

在电火花线切割加工中,有３项影响表面完整性的主要因素,即引起内应力和微裂纹的热作用;侵蚀材料的化学作用;造成表面层软化的电化学作用。为获得良好的表面质量,文中介绍了改善表面完整性的具体措施。     

电火花线切割加工中放电间隙电压变化特性

电火花线切割加工时工具(电极丝)和工件之间的放电电压是对放电加工过程进行实时检测的重要参数.本文在理论分析的基础上,采用正交试验设计,应用极差分析法和方差分析法定量研究了高速走丝电火花线切割加工中放电间隙电压量的变化特性与加工中峰值电流、工件厚度及切割方向之间的关系.研究的结果为准确检测高速走丝电火花线切割加工状态提供了依据.     

大尺寸及异型锗窗高效电火花线切割技术

 研究了N型锗半导体电火花加工时所体现的单向导通性及特殊电特性,建立了电火花加工模型,分别用二极管、可变电阻、稳压管、电阻等器件表征了锗半导体与进电端材料的接触势垒、极间体电阻、介质放电维持电压及工作液电阻。设计了锗半导体电火花线切割专用夹具,采用锗半导体表面涂覆碳浆并用石墨块进电的方式以降低接触势垒、接触电阻,对进电接触点采用吹气方式减少电化学反应导致的不导电钝化膜的产生,保障加工的延续。最后对电阻率为22.3 Ω·cm,高度为170 mm的N型锗进行了电火花线切割,切割效率大于100 mm2/min,并采用数控的方法切割出异型锗窗。检测了放电波形,分析了锗半导体电火花线切割的特性。     

难加工金属材料放电诱导可控烧蚀高效加工技术

介绍了一种放电诱导烧蚀加工方法,即向加工区域可控地通入氧气,在电火花放电诱导作用下首先对加工材料进行活化,而后伴随着氧气的通入产生金属燃烧反应,利用金属燃烧释放的巨大化学能蚀除材料,从而大大提高材料去除率,并通过控制氧气及采用电火花修整以保障加工表面的质量.该加工方法与被加工材料的力学性能无关,仍然属于无宏观切削力方式,其克服了难加工材料机械加工困难及电火花加工效率受制于脉冲电源的难题,适合于“车、铣、钻、成形、打孔”等各种加工形式.该加工方法改变了难加工材料能进行加工的准则,实现了“能烧即能加工”.对淬火Cr12进行放电诱导烧蚀铣削加工,效率比传统电火花加工高10倍以上且表面质量相当;进行放电诱导雾化烧蚀深盲型孔加工,蚀除效率为电火花的5.45倍,最大加工深度达到132mm且还能继续加工.     

高效放电加工技术研究现状

电火花加工技术经过多年的发展,已经成为一门成熟且不可或缺的加工方法,新工艺、新方法和新装备层出不穷,如何提高加工效率一直是人们所关注的焦点。电火花加工过程中,为防止对工件产生损伤,要避免电弧放电,通过各种工艺手段提高加工效率的效果不明显。通过有效控制电弧通断,利用电弧弧柱极高的能量去除材料,可以极大地提高放电加工效率,是近年来研究高效放电加工的一个新方向。另外,放电烧蚀加工利用电火花放电作为诱导能量,控制金属基体与通入的氧气燃烧产生化学能用于蚀除工件,该能量远远大于脉冲电源的能量,是高效放电加工的另外一个新方向。放电烧蚀加工辅以其他方法形成复合加工,对已烧蚀表面进行优化处理,可以实现高加工效率的同时获得良好的表面质量。综述了电火花加工、电弧加工和放电烧蚀加工技术在高效加工方面的研究现状。     

钛合金TC4电火花诱导可控烧蚀高效磨削技术研究

利用大部分金属尤其是难加工金属的可燃特性,开发一种针对难加工金属材料的新加工工艺——电火花(EDM)诱导可控烧蚀高效磨削技术。采用开槽导电砂轮进行磨削加工,首先利用导电区域与加工材料产生电火花诱导放电并通入助燃氧气,使材料表面产生电火花引燃烧蚀并软化,然后将已烧蚀和软化的材料磨除,对钛合金TC4进行烧蚀磨削试验,并与常规电火花磨削和机械磨削进行对比,分析了材料去除率(RMM)、表面质量和机床主轴电机功率变化等指标。结果表明,在试验条件下,烧蚀磨削在放电利用率提高的同时可获得表面粗糙度为0.59 μm的加工表面,与机械磨削的表面粗糙度值相近,而相同条件下电火花磨削的表面粗糙度为1.29 μm。由于烧蚀后产生了软化层,在切深小于软化层厚度的条件下,相对于电火花磨削和机械磨削状况,烧蚀磨削主轴电机功率相比空载时的增加值分别降低了95.2%和96.8%。此工艺方法可大大提高难加工材料的可磨削性能。     

单晶硅纳米加工机理的分子动力学研究

对内部无缺陷的单晶硅的纳米切削过程进行了分子动力学模拟.通过模拟结果,对单晶硅纳米切削中的切屑形成过程和加工表面的形成过程做出了合理的解释.并用第一原理应力计算方法对单晶硅纳米切削过程中的脆塑转变的可行性进行了研究.     

Effect of no-load rate on recast layer cutting by ultra fine wire-EDM

Via material erosion in wire electrical discharge machining (WEDM), recast layers form on the surfaces of workpiece. In addition, ultra fine Wire-EDM can be usually cut once. To reduce the thickness of the recast layer as much as possible, the wire electrical discharge-electrochemical machining (WEDCM) method was proposed, which is based on the micro conductivity of the dielectric and microelectrolytic characteristics by adjusting the no-load rate of the pulse in the machining process. Furthermore, a state discrimination and servo control system based on discharge current was designed. The experiment results of different no-load rates show that the electrolytic effects increase as the no-load rate increases, and the main machining process is spark discharge erosion with a no-load rate in the range of 10% to 80%. At 90% no-load rate, the amount of recast layer formation in the forward direction of the wire electrode is almost the same as that of electrolytic dissolution, and it can be practically processed without a recast layer. Compared with 10% no-load rate, the kerf width only increases by 7.5%.     

A hybrid chemical modification strategy for monocrystalline silicon micro-grinding: Experimental investigation and synergistic mechanism

For high performance manufacturing of micro parts and features, a hybrid chemical modification strategy is proposed to decrease critical energy barrier of mechanical removal of hard and brittle crystal material by refining localized machining condition. The strategy, namely UV-light and IR-laser hybrid chemical modification (UVIR-CM) strategy, includes two steps, an ultraviolet light (UV-light) catalytic advanced oxidation and an infrared laser (IR-laser) assisted selective modification based on Fenton liquid–solid reaction for monocrystalline silicon. The modification effects of UVIR-CM strategy were investigated by surface morphology micro-observation, cross-section transmission electron microscopy (TEM) observation, Raman spectroscopy analysis and nanoindentation test. Experimental results demonstrated that varied degrees of laser texturing appeared on different strategy samples’ IR-laser scanned area. And the IR-laser thermal damage has been successfully inhibited due to the refraction and reflection of energy by bubbles in liquid medium. But for the UVIR-CM strategy, a uniform and amorphous silicate layer is detected in a certain boundary. The UV-light promotes oxidation cycle ability of the chemical solution and ensures sufficient oxide modified layer for subsequent step. Attributing to synergism of photochemical, photothermal and kinetic effects induced by IR-laser, the modified layer displays layered structure with about 600 nm thickness, (2.7 ± 0.60) GPa nanohardness, and (93.7 ± 22.9) GPa indentation modulus. And the layered structure is amorphous layer, nanocrystal and micro-twins layer from the surface to the interior of sample. Consequently, it reveals that the subsequent mechanical removal will become easy due to decreasing energy barrier of monocrystalline silicon in selective area. Meanwhile, its original excellent mechanical properties also are maintained under a certain depth. The results contribute to develop a novel combined micro-machining technology to achieve collaborative manufacturing of structure shape and surface integrity for micro parts and feature.     

冲击载荷作用下38CrMoAl渗氮钢损伤机理和耐腐蚀性能

为研究38CrMoAl渗氮钢材料在冲击载荷与海洋环境侵蚀共同作用下的损伤机理和耐腐蚀性能,对渗氮处理前后的38CrMoAl钢材料进行了冲击加载试验和腐蚀性能测试。研究发现渗氮38CrMoAl钢材料在高应变率下具有较强的正应变率敏感性。在冲击载荷作用下,试件表面渗氮层出现裂纹,并伴随着渗氮层的部分脆性剥落,但裂纹长度均在500~700 μm,裂纹只在渗氮层中扩展,并没有继续延伸至非渗氮层的金属基体内部。渗氮处理提高了材料表面硬度和强度,但降低了韧性。电化学测试结果表明渗氮处理显著提高了材料的耐腐蚀性能,其自腐蚀电位相对于未渗氮试件由-726.24 mV正移至-174.42 mV。但冲击加载后的渗氮试件由于表面渗氮层的破损,部分金属基体露出并与未发生破坏的表面形成电势差,进而发生较为强烈的电偶腐蚀。扫描开尔文探针测试结果表明,渗氮件表面阴阳极电位差及电位分散程度相对于未渗氮件增大,渗氮件更易发生局部腐蚀。冲击加载改变了渗氮层的表面状态,阴阳极电位差增加,使材料表面腐蚀变得更加不均匀。对试件耐腐蚀性能进行了盐雾试验验证,盐雾试验结果与电化学测试分析结果相一致,在舰载机维护保养中,应关注受冲击部位渗氮层的裂纹检查,并做好相应的防腐处理。     

Electrolytic Passivation of Nitinol Shape Memory Alloy in Different Electrolytes

The corrosion behavior of the nitinol alloy was studied in various corrosion media of different Cl–ion concentrations. The results demonstrate that the Cl–ion concentration has significant influences on the corrosion behavior of the nitinol alloy. In order to enhance the corrosion resistance, protective films were generated on the surface of the nitinol alloy by means of the electrochemical passivation method, for which five different electrolytic solutions were investigated. The surface analysis indicates full growth of all samples pas-sivated in the different electrolytic solutions with layers, however, showing different morphological features. Without any defects like micro-cracks and pores, the surface of the samples passivated in the molybdate solution turns out smoother and denser than those pas-sivated in other solutions. It is shown that the electro-chemical passivation will reduce Ni content but increase Ti content in the surface, reaching the Mole ratio of Ti:Ni=9.01:1 on the outermost surface. Potentiodynamic polarization test demonstrates that the samples electrochemically passivated in the molybdate solution present a significant increase in breakdown potential due to titanium enrichment on the outermost surface.     

旋转状态下气膜冷却特性的数值研究

 通过对带有气膜孔倾斜角度为30°,60°和90°圆柱形交错孔排的涡轮叶片模型进行数值模拟,得到了不同平均吹风比、雷诺数和旋转数情况下前缘面侧与后缘面侧的气膜冷却流动与换热特性及各气膜孔流量系数的分配规律。结果表明,冷气受到离心力与哥氏力的共同作用在前缘面侧向高半径处发生偏转,导致壁面冷却效率降低;雷诺数的增大会降低壁面上的气膜冷却效率,高吹风比则不利于紧贴气膜孔下游区域的冷却;各气膜孔的流量系数随着平均吹风比的增大而增大,随旋转数的提高而减小;受哥氏力作用的影响,相同工况下后缘面侧各气膜孔的流量系数明显高于前缘面侧对应气膜孔的值。     

复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型

经过推导给出了具有孔内和内外表面对流换热及外表面热辐射复杂边界条件下的多层多孔壁温度场的计算模型,并以具有陶瓷隔热涂层的全气膜覆盖气冷叶片为例进行了温度场计算。计算结果表明：陶瓷涂层具有明显的隔热效果,并可明显地减小冷却空气用量;燃气温度对壁温影响较大;考虑热辐射将更加符合实际物理过程;对于涡轮叶片若不考虑热辐射将低估壁温 1. ５％ ～3. ５％ 。该模型可用于多层多孔壁冷却结构形式的发动机高温部件的优化设计。     

微小孔电化学去毛刺试验研究

采用电化学方法对不锈钢管壁上钻削的微小孔与不锈钢管内壁相贯处难到达区域的毛刺进行去除。实验研究了加工时间、电解液成分与浓度、电解液流动方式对微小孔毛刺去除质量的影响以及相应条件下阴阳极极间电压的变化规律。研究结果表明:在优选的加工工艺参数条件下,可有效地去除微小孔毛刺。     

冰层辅助对电火花-电解复合穿孔的影响

电火花-电解复合穿孔(ECDD)加工方法有望实现难加工材料涡轮叶片气膜冷却孔无重铸层高效加工,为了进一步提升小孔孔壁的加工质量,提出了在工件底部填充冰层的电火花-电解复合穿孔加工新方法。分析了冰层辅助对复合加工过程中两极之间电流电压的波形、复合穿孔的加工效率、小孔的出入口孔径、孔壁重铸层去除等的影响,进行了冰层辅助与无冰层辅助电火花-电解复合穿孔对比试验。试验表明:冰层辅助加工可以在小孔穿透之后形成充分的反向冲液,有效地解决小孔穿透之后的漏液问题。在增加底部停顿时间的基础上,即小孔穿透后管电极到达预设深度继续停留一段时间,延长管电极对孔壁的电解作用时间,可以显著提高重铸层的去除效果,有望实现小孔整个孔壁重铸层的完全去除。