钛合金混合气体雾化烧蚀成形高效加工

【作者】 孔令蕾； 刘志东； 邱明波； 陈庆才； 白松凯；

【机构】 南京航空航天大学机电学院；

【摘要】 钛合金材料因具有强度高、耐高温、耐腐蚀等特点而被广泛应用于航空航天领域,是典型的难加工材料,特别适用于电火花加工。雾中电火花加工是采用空气与液体两相介质作为放电介质,在某些加工钢材料的情况下可获得比传统电火花加工较高的加工效率,较低的电极损耗率及较好的表面质量,但是常规雾中电火花加工钛合金的研究鲜有报道。放电诱导烧蚀加工是利用氧气与极间火花放电活化的金属发生剧烈氧化烧蚀反应,释放的巨量化学能实现材料的高效蚀除。该加工技术在钛合金、高温合金等难加工材料方面具有较大的应用潜力,但是钛合金材料具有化学活性高、亲氧能力强等特点,使得在放电烧蚀加工时易发生过度烧蚀现象而导致工件表面被损坏,无法完成高质量的钛合金零部件成形加工。为了避免钛合金在烧蚀加工过程中出现过度烧蚀现象而损坏工件,提出一种钛合金混合气体雾化烧蚀成形高效加工方法。该加工方法采用氧气与氮气等杂质气体混合形成氧气浓度一定的混合气体介质,然后将之与水经过高压雾化形成雾化介质作为放电烧蚀加工介质;利用混合气体介质中的氧气与火花放电后的活化金属发生剧烈的氧化燃烧反应,释放出大量的化学能量快速蚀除钛合金材料;利用杂质气体与液相雾化介质控制钛合金的氧化烧蚀反应剧烈程度,实现钛合金的稳定高效成形加工。基于扩散理论建立了雾化烧蚀成形加工中的氧气扩散模型,分析认为液相雾化介质在高压喷射作用下快速在加工表面形成一层含有气泡的液膜,与杂质气体一同在加工表面形成阻碍层,减缓氧气介质向基体材料扩散的速度,有效控制极间参与氧化烧蚀反应的氧气量,实现钛合金稳定的烧蚀成形加工。通过与传统电火花加工钛合金实验进行对比研究,实验结果显示采用氧气与氮气浓度比为6∶1的混合气体雾化介质,同等条件下雾化烧蚀成形加工的材料去除率是传统电火花加工的5-10倍,电极相对损耗率降低93%-98%;在所选电流、脉宽及脉间条件下,雾化烧蚀加工的材料去除率均大于传统电火花加工;材料去除率随着电流、脉宽以及气体压力的增加而增加,随着脉间的增加而减小,随着雾化量的增加呈现先增加后降低的趋势。相同加工时间内,成形加工深度是传统电火花的近12倍,实现了深径比大于12的钛合金异型盲孔高效加工,且型孔的垂直度、入口及底面成形精度均高于传统电火花加工。更多还原