短电弧加工过程中等离子体热压缩效应下的材料去除机理研究

在现有用于零件尺寸加工的传统电加工技术中，要求尽量避免电弧放电现象的产生，以防止烧伤工件表面而无法进行尺寸加工，短电弧加工技术恰恰就是利用电弧放电效应进行导电硬面材料的表面高效去除，同时达到尺寸加工的目的。本项目就是以短电弧加工技术现有实验成果为基础，研究在水雾射流作用下，如何进一步压缩电弧通道中的等离子射流，产生更强的热压缩效应，获得能量的高度集中。能量的高度集中不但可以提高短电弧的切削速度，改善切削面的光洁度，还可以有效地克服加工低碳钢时刀盘切入侧壁与工件侧缘挂渣的弊病；同时在工具电极损耗规律的研究基础上，研究减少工具电极损耗和工具电极损耗补偿的方法。本项目的研究在"利用强电弧放电进行工件尺寸加工"新工艺的探索，以及深入挖掘短电弧加工技术的潜力和拓展其应用领域，都具有重要的理论意义和应用价值。

短电弧加工技术是利用水雾射流作用下的电弧放电效应进行导电硬面材料的表面高效去除，同时达到尺寸加工目的。本项目首先搭建和完善短电弧加工电弧放电特性研究平台，包括完善数控短电弧加工车床、全新设计和开发数控短电弧加工铣床，开发了短电弧数控铣床上位机控制软件；项目在分析短电弧放电机理过程中通过高速摄像机记录短电弧放电加工过程，对短电弧加工通道的起弧、连续加工以及灭弧过程的放电特性，以及放电过程中的工艺影响因素进行了实验分析研究；电弧放电过程中，在工具电极轮廓与被加工工件电极之间的放电通道中，电弧在水雾射流的约束作用下，形成较高密度的能束流，对工件表面金属进行熔化和抛洒，实现工件表面金属的蚀除剥离，同时借助水雾射流起到流体断弧和冷却刀具的作用，实验表明工艺因素影响工件表面质量的主次顺序为：气体压力P2→刀盘转速V→液体压力P1→进给速度L，并得出混合介质中液体压力在0.2Mpa、气体压力在1.2Mpa时，可以得到短电弧加工的效率和加工表面质量的最佳值；分析了加工过程中放电参数对工件表面加工质量的影响，并基于60#钢和镍基高温合金GH4269初步总结出了放电频率及占空比对短电弧加工工件表面质量的影响规律研究；初步得出工具电极材料和工具电极形状对工具电极损耗的影响：在相同条件下，石墨电极的损耗要低于铜电极、铝电极、45#钢电极和铁电极，管状工具电极获得的工件表面质量明显好于实心棒状电极；为研究短电弧放电过程中各电参数的影响规律，设计并制作了具有输出脉冲幅值、占空比、频率的连续可调，并且操作灵活方便、性能可靠、适用于大功率场合的多功能大电流宽频数控脉冲电源，电压波形为高低压脉冲电压，脉冲幅值3-36V连续可调，频率0-20KHz连续可调，电流峰值2000A，并在电源满负荷工作状态下进行了外特性测试和加工测试。该项目研究过程中，发表论文10篇，培养研究生8人，实用新型专利授权1项，发明专利受理1项，软件著作权1项。