难切削材料的高效电弧放电轮廓切割加工基础研究

The high energy density of electrical arcing makes it a new promising method for machining difficult-to-cut material in aerospace industries. In order to improve the bulk machining efficiency of those difficult-to-cut parts that have ruled surfaces, a novel high efficient arc machining process named arc contour cutting was proposed. This process performs contour cutting process by using a rotating rod electrode and the arc discharge happens between the side surface of the electrode and the workpiece. In consideration of the influence of special working conditions on the arc breaking effect, such as high machining energy, deep cutting depth and narrow discharging gap, a high speed electrode rotating and coaxial external flushing were applied to achieve an efficient arc breaking mechanism, which combined the mechanism of mechanical motion arc breaking mechanism and hydrodynamic arc breaking mechanism. Besides, a vibration along the feeding direction was applied on the electrode to improve the debris expelling effect. In this project, the developing of the plasma column that influenced by the composite effect of two arc breaking mechanism will be studied, and the nature and the critical conditions of arc breaking will be investigated. A novel material removal model will be developed based on the multi-field effect to disclose the unique mechanisms of high efficient arc machining. Meanwhile, arc plasma transformation and its erosion process will be observed based on an in-situ developed experimental equipment. Finally, the machining processes will be optimized based on design of experiments methods to realize the high efficient arc outline cutting process.

高能量密度的电弧具有高效蚀除材料的能力，这使其成为解决航空航天难切削材料加工难题的新途径之一。针对具有直纹面特征、大去除量的难切削零部件的高效加工需求，本项目提出了高效电弧放电轮廓切割加工技术。该技术采用细长棒状电极，利用电弧侧面放电实施轮廓加工。针对大能量、大切深及窄缝的特殊工况，拟利用电极高速旋转和同轴外冲液来实现基于机械运动和流体动力的复合断弧，并借助辅助振动解决高效排屑的问题。本项目将对等离子体弧柱在两种断弧机制综合作用下的物理演化过程进行分析，探明断弧的物理本质及复合断弧的临界条件；探索并完善多场作用下的材料蚀除模型，揭示电弧切割加工之所以高效的独特机制。同时，使用专用试验台对电弧在多场耦合作用下的状态及蚀除效果进行观测。最终，采用实验设计与分析的方法建立并优化电弧高效切割加工工艺，从而为最终实现大厚度难切削材料构件的高效电弧放电轮廓切割加工提供可靠理论依据并奠定坚实的工艺基础。

为解决具有直纹面轮廓特征的难加工材料部件的加工难题，提出了高速电弧轮廓切割方法，通过应用具有高能量密度的电弧采用“轮廓切割加工方式”，实现难加工材料的直纹面整体大余量高效、低成本去除加工。针对切割加工中的较大厚度较大、加工间隙较窄的缝加工工况，提出采用复合流体动力断弧和机械运动断弧的复合断弧机制来实现对放电电弧的有效控制，以及并改善促进放电蚀除产物的高效排出效果。从复合断弧机制下电弧等离子体的现象观测入手，深入开展了相关机理研究，完成搭建基础工艺平台的搭建并开展了相关工艺验证实验。研究表明，电弧放电切割加工可以实现难切削材料的高效加工，为航空航天领域中开敞式或中空式结构零件的大余量、高效去除提供新的技术途径。本研究取得以下成果：.1.设计并搭建了具有复合断弧功能的电弧放电加工观测平台，观测了无断弧作用、单因素一条件断弧、和复合断弧条件下的电弧等离子体偏移过程和放电蚀坑形貌，分析了实现断弧的临界条件。在复合断弧作用下，等离子体热源在工件表面移动效果更加明显，放电蚀坑为长且浅的长条形状，且高速流场和相对运动都能促进熔融金属高效排出；基于单因素断弧机制下的等离子体偏移演变和蚀坑形貌研究结果，得到了复合断弧机制的临界条件。.2.建立了基于平衡放电理论的电极-等离子体-工件全区域模型，研究分析了电弧等离子体通道内能量转换、等离子体温度分布、和电极和及工件热蚀除等过程情况。.3.分析了电弧等离子体通道演变规律，推导了适用于电弧加工的等离子体通道体积扩张方程，并通过等离子体观测实验验证了扩张公式的合理性。.4. 基于电弧等离子体观测、仿真和理论分析，开展了复合断弧机制下电弧加工材料蚀除建模研究，实现了等离子体作用于工件的热源等效处理，建立了考虑等离子体通道扩张的“移动热源和移动工件”材料蚀除模型。.5.搭建了电弧轮廓切割加工实验平台，实施了电弧轮廓切割加工验证工艺试验，以SiC/Al金属基复合材料为对象开展了关键加工参数对切割面积效率和材料去除率影响的试验研究，并进行了大厚度工件切割加工和典型结构件样件加工试验，效率达6,500 mm3/min，验证了电弧轮廓切割加工的可行性和高效性。.本研究共发表SCI检索论文12篇，EI检索英文会议论文2篇，授权发明专利3项，申请中3项，指导博士生毕业2人。