内冲液流体振动辅助电弧铣削加工技术的基础研究

Electro-arc machining (EAM) is a new kind of electrical discharge machining (EDM) process, whose machining speed is far more than that of conventional EDM. EAM has drawn much research attention recently. However, the machining stability and surface roughness of EAM are lower than that of conventional EDM. To improve the machining process, machining speed and machining surface quality, this project proposes a new kind of compound machining process of EAM which applies vibration on the inner hole flushing. Titanium alloy will be chosen as the workpiece. Single pulsed discharge experiments and EAM milling experiments will be carried out to study the effects of vibration on the machining flow field and debris. Moreover, the action of vibration on the plasma arc, crater, and debris will be studied by single pulsed discharge experiments. Single-factor experiments will be adopt to acquire the effects of inner hole flushing on the machining process and results. Modeling and optimization of the machining process will be done by response surface method (RSM) at the end. The inner flushing liquid vibration assisted electro-arc milling processing technology would be formed, which would promote the EAM process and have remarkable social benefit and economic benefit.

电弧加工是一类新型电火花加工方法，其加工速度远超传统电火花加工，近年来逐渐成为放电加工领域研究的热点。然而，电弧加工的加工稳定性和加工表面质量一般低于传统电火花加工，本课题提出内冲液流体振动辅助电弧铣削加工技术，将振动叠加在内冲液流体中，提升电弧铣削过程的稳定性、加工速度与加工质量。本课题以钛合金（Ti6Al4V）的单脉冲电弧放电与电弧铣削为研究对象，通过理论建模分析内冲液流体振动对加工区域流场与蚀除颗粒的影响，利用单脉冲电弧放电获得内冲液流体振动对放电产生的电弧等离子体、电蚀凹坑和电蚀产物的作用特性与规律，利用单因素加工试验获得内冲液流体振动对加工过程与加工结果的影响规律，最后通过响应曲面试验对内冲液流体振动辅助电弧铣削加工工艺进行优化与建模，进而形成内冲液流体振动辅助电弧铣削加工技术。内冲液流体振动辅助电弧铣削加工技术的研发成功对推进电弧加工具有促进意义，技术效益和社会效益显著。

本项目进行了内冲液流体振动辅助电弧铣削加工技术的基础研究，主要进行了内冲液流体振动电弧铣削加工的仿真研究。分别建立了内冲液流体振动条件下的热源模型，初步获得了随脉冲放电时间持续静止热源在工件表面扩展的规律，并进一步获得了随脉冲放电时间在工件表面移动热源与工件的热传导规律；创新设计5种可以获得流体振动的振动冲液源。并搭建了4款可以获得振动流体的样机，最终优选出1款内冲液振动流体产生方案，分别搭建了2代单脉冲放电试验平台与1代内充液流体振动辅助电弧铣削加工平台；开展了内冲液流体振动条件下单脉冲电弧放电研究。以钛合金（Ti6Al4V）为材料，分析冲液压强、叠加振动对等离子通道的形成、扩张、状态、变化、寿命、断弧与能量分配，以及对电蚀凹坑直径、凸缘和拖尾的影响，确定冲液压强、振动频率与振幅对等离子通道与电蚀凹坑的影响，获得流体冲液与振动对放电过程与材料蚀除的作用机理；进行了内冲液流体振动辅助电弧铣削加工的机理与工艺研究。以45#钢与钛合金（Ti6Al4V）为工件电极，石墨管为工具电极，进行单因素试验与正交试验，分析电极转速、冲液压强、振动频率分别对加工过程与加工结果的作用，获得各个试验因素对材料去除率、工具电极损耗率、工具电极相对损耗率、工件表面粗糙度的影响。建立内冲液流体振动辅助电弧铣削加工工艺模型，获得工艺参数优化方案。为内冲液流体振动辅助电弧铣削技术的开发与应用提供了良好的理论、设备、实践与工艺基础。