[发明专利]复合能场作用下磨料射流加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及复合能场作用下磨料射流加工方法，属于难加工材料的加工技术领域。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，特别是航空航天、国防军工等尖端科学技术的突飞猛进，为了提高产品的性能及可靠性，各种新型材料不断涌现，如钛合金以及各种金属基和非金属基复合材料在航空航天领域得到越来越广泛的应用。由于这些材料都属于难加工材料，因此伴随而来的加工技术难题也始终受到各国的高度关注与重视。为了解决难加工材料的加工技术难题，一方面，各国的研究人员致力于对传统切削加工技术进行改进，如采用高速切削加工的方法对钛合金零件等进行切削加工，但是难加工材料的切削性能很差，不仅对加工设备的性能要求十分严格，同时刀具磨损问题也一直是制约难加工材料切削加工领域的瓶颈问题；此外，切削加工的技术特点决定了其不可避免地会产生表面/亚表面损伤，这些表面/亚表面损伤层的存在会严重地影响到零件的使用性能，降低其使用寿命。另一方面，特种加工技术如电火花加工、电化学加工在难加工材料的加工技术领域有着十分重要的地位。这是由于放电加工是靠工件与电极放电瞬间产生的高温高压来实现材料的去除，能够实现所有金属材料以及通过特殊加工工艺实现部分非金属材料的加工。但是电火花加工的加工效率较低，表面质量不高，加工后的表面会形成一层坚固的重铸层，重铸层的存在会严重影响工件的使用性能，同时电火花加工技术还存在电极损耗以及复杂电极设计困难等问题，上述缺点的存在限制了电火花加工技术的应用范围。电化学加工具有加工效率高，表面质量好等优点，但是加工精度较难控制，同时也存在电化学加工专用电极设计困难等问题。

为了解决电化学加工专用电极设计困难等问题，日本东京农工大学WataruNatsu等人提出了利用电化学射流加工实现材料去除加工的新方法。该方法将电解液通过专用喷射装置喷射到工件表面，同时在工件和专用喷射装置之间加入一定电压（工件接正极，专用喷射装置接负极）来实现对工件材料的电化学去除。通过研究发现材料的去除过程只发生在专用喷射装置中心附近的区域，因为通过专用喷射装置的电解液建立的电场在喷射装置中心区域最大，偏离中心位置后电场迅速减弱，利用该技术可以有效地控制电化学喷射加工的加工精度，通过轨迹控制还可以实现具有复杂形状曲面零件的精密加工。通过改变电源极性还可以实现电化学沉积、镀膜以及着色等工艺。因此，该工艺的应用范围十分广泛。但是采用单一能量形式电解液喷射方式进行加工时，为了提高加工精度，一般采用钝性电解液，利用该类电解液进行加工时，加工过程产生的钝化膜会严重影响该方法的加工效率。

为了提高电化学射流加工的加工效率，英国格拉斯哥苏格兰大学的P.T.Pajak等人提出了利用复合能量形式的激光辅助电化学进行材料去除加工的新方法。该方法通过在电化学射流加工的喷射装置中心处加入一定能量的同轴激光，利用激光对工件的辅助加热作用来增强电化学反应的动能，同时辅助分解电化学射流加工产生的钝化膜，以此来提高电化学射流加工的效率。由于采用复合能量形式进行加工，该技术在提高材料的去除效率和加工精度方面都较为显著。但由于该方法需要保证激光与电解液射流束的中心同轴，否则会严重影响材料的去除效果，降低加工效率，但是要求激光与电解液射流束中心严格同轴从技术实现上较为困难，并且激光与电解液射流束中心的同轴度还受到加工环境条件（如射流束动力学行为、负极在加工过程中产生的气泡以及电解液中杂质含量等）的影响，同时激光在电解液射流束中易于分散难于聚焦到所希望的区域上，从而影响该种加工工艺的实际加工效果。同时，该方法还存在加工设备复杂，设备维护成本高等问题。

磨料射流加工技术是利用高速喷射微细磨料对工件表面的机械冲蚀作用实现对工件材料的去除加工。由于磨料射流加工具有设备简单，使用方式灵活，能够实现对多种材料的加工去除等特点，自上世纪80年代产生以来，已经在各种材料的切割、加工方面得到了极为广泛的应用。但是研究发现，利用磨料射流加工技术对SKD61模具钢进行抛光加工时，磨料射流加工过程中微细磨料的硬度、形状和颗粒的大小直接影响到加工效率和加工表面质量，当采用#2000SiC磨料进行加工时，加工效率较高，表面粗糙度值能达到Ra0.28μm，而采用#8000SiC磨料进行加工时，表面粗糙度值能达到Ra0.13μm，但加工效率降低了50%。以上分析可以看出，采用单一能量形式的磨料射流进行加工时，加工效率和表面质量是相互制约的。

发明内容

本发明目的是为了解决现有的金属基难加工材料加工方法存在加工效率低、刀具磨损严重以及加工成本高的问题，提供了一种复合能场作用下磨料射流加工方法。