多孔质电极电火花加工新方法及其加工机理研究

A new approach of electrical discharge machining with porous electrode is introduced. Through this approach, the problem of the long period preparetion for complex electrode is overcomed and it is capable of achieving the rapid preparetion for electrodes used in EDM. Also, it is capable of achieving multi-hole inner-flushing EDM which cannot be adopted by solid electrode. The core of this approach can be described as preparing porous electrode rapidly with metal particles by high-temperature sintering method; removing material fast by adopting inner-flushing EDM with porous electrode; improving the EDM efficiency of complex mold cavity by using flushing both at the bottom and the side of electrodes. This project is going to research the mechanism and the process of porous electrode EDM. The research contents include: (1) The sintering process of metal particles and the forming process of the porous structure; (2) The influence of the microcosmic porous structure and the macroscopic electrode morphology on the flow distribution between electrodes; (3) The characteristics of porous electrode EDM processes. The characteristics of this project is that the outlets of the dielectrical fluid spread all over the electrode while the electrode is prepared rapidly. Through inner-flushing, it is capable of achieving high efficiency EDM processes for complex semi-open cavities such as the twisted channels of shrouded turbine blisk.

提出了用于粗加工的多孔质电极电火花加工新方法。该方法克服了复杂形状电极制备周期长的弊端，可实现电极的快速制备；同时克服了常规实体电极无法采用内冲液方式进行加工的弊端，可实现多孔内冲液加工，提高复杂型腔电火花加工的效率。其核心可描述为：采用金属颗粒高温烧结的方法实现多孔质电极的快速制备；采用多孔质电极辅以内冲液实现电火花粗加工过程中材料的快速去除；采用电极端部和侧部冲液相结合的方式提高复杂型腔电火花加工的效率。本课题将深入开展多孔质电极电火花加工方法的加工机理和工艺技术研究，具体的研究内容包括：（1）金属颗粒的烧结过程与多孔结构的形成过程；（2）多孔微观结构与电极宏观形态对极间工作液流场的影响；（3）多孔质电极电火花加工的工艺特性。本课题的特点是：在实现复杂形状电极快速制备的同时，使冲液出口密布于整个电极表面，通过全向的多孔内冲液，有望实现整体涡轮叶盘流道等复杂半开放型腔结构零件的高效加工。

为解决传统电火花加工工具电极制备周期长、成本高，加工效率相对偏低的问题，提出了采用多孔结构工具电极进行电火花加工的新方法。多孔质电极由金属颗粒经高温烧结而成，通过改变烧结模具形状，可快捷制备出具有相应三维形状的多孔质电极，且可利用其内部多孔结构实现三维的大流量多孔内冲液，达到充分降低极间蚀除产物浓度，维护放电过程稳定，提高加工效率的目的。.项目主要研究内容为金属颗粒的烧结过程与多孔结构的形成过程、多孔微观结构与电极宏观形态对极间工作液流场的影响、多孔质电极电火花加工的工艺特性3个方面。.项目在以下6个方面取得了进展：.（1）实现了电火花加工用多孔质电极的可靠制备.采用了将毫米级粒径的铜颗粒置于石墨模具中，在真空环境下高温烧结的多孔质电极制备方法。通过对烧结过程中的烧结温度、保温时间等工艺参数的实验研究，制备出了可实现稳定电火花放电加工、在损耗后不发生颗粒脱落的复杂电极，且使用后的电极还可通过再次烧结制造降低成本。.（2）获得了多孔质电极电火花加工基本工艺规律.与传统电极相比，采用多孔内冲液的多孔质电极在平面上的加工效率略低，但在深孔加工时，可采用小脉宽、小伺服参考电压，以不抬刀方式加工，且加工效率几乎不受加工深度影响。.（3）初步揭示了分布式内冲液对多孔质电极电火花加工性能的影响机理.发现了随冲液流量增大，加工材料去除率曲线呈现独特的双峰值特征。通过对加工过程信号的分析，提出了冲液在降低蚀除产物浓度和扰动等离子体通道两方面对加工过程施加影响，并先后使材料去除率达到峰值的观点。.（4）揭示了极间流场和多孔质电极内部加工液流动特征.建立极间固液两相流模型和电极内部流场模型并进行了数值模拟，揭示了极间流场流速所具有的独特分布式特征，获得了流场外围流速大于中心流速，可将固相蚀除产物沿一定通道高效排出加工区域的重要结论。对电极进行了优化，通过采用裹覆铜箔和中空电极，提高了工作液利用率和流动效率。.（5）实现了复杂型腔多孔质电极电火花加工.制备了复杂型面和弯曲形状的多孔质电极，针对半封闭复杂型腔和弯曲型腔开展了加工实验，在一定程度上模拟了带叶冠整体涡轮叶盘的加工，证明了多孔质电极针对这类零件具有较强的加工能力。.（6）获得了多孔质电极对钛合金和高温合金的基本加工性能.分别进行了TC4钛合金和GH4169高温合金加工实验，其中针对TC4钛合金的加工材料去除率达到实体电极的3倍。