基于低溫環(huán)境的冰凍輔助微小孔加工方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種微小孔加工方法及裝置，屬于特種加工技術(shù)領(lǐng)域，具體是基于低溫環(huán)境的冰凍輔助微小孔加工方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著航空航天、微細(xì)精密機(jī)械產(chǎn)品的不斷發(fā)展，微小孔結(jié)構(gòu)在航空航天、軍工、精密儀器儀表等領(lǐng)域的應(yīng)用日趨廣泛，如航空發(fā)動機(jī)渦輪葉片氣膜冷卻孔、汽車發(fā)動機(jī)燃油噴嘴等，微小孔可謂無處不在。與此同時，對微小孔結(jié)構(gòu)的要求也越來越高，如無微裂紋、無再鑄層等。微小孔加工是孔加工中最為困難的加工工藝之一。首先，由于孔徑極小，所以微小孔大部分為長徑比大的深孔。其次，需要加工微小孔的零件材料，一般多為高強(qiáng)度高硬度的難加工材料，如耐熱鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金等。
[0003]近年來，微小孔特種加工工藝得到了廣泛的應(yīng)用，如電火花加工、激光加工、超聲加工、電射流加工等，均取得了較快的發(fā)展，成為難加工材料微小孔加工的主要方法。
[0004]2003年12月24日，中國實(shí)用新型專利CN2593944Y公開了一種帶反向沖液裝置的高速電火花小孔加工機(jī)床，該機(jī)床在原有高速電火花小孔加工機(jī)上設(shè)一反向沖液裝置，消除因漏液所帶來的不良效果，提高了孔出口的加工質(zhì)量和加工效率，但該機(jī)床只能進(jìn)行高速電火花穿孔加工。
[0005]2011年5月4日，中國發(fā)明專利CN1851060B公開了一種中空零件電鑄成型中溝槽的填充方法，該方法的特點(diǎn)在于溝槽的填充分兩層進(jìn)行:第一層選用易溶解的塑料作為低層，第二層采用混合一定比例金屬粉的同種塑料，此層作為電導(dǎo)層，具有良好的導(dǎo)電性和機(jī)械加工性能。本發(fā)明適用于中空零件，尤其是細(xì)長通道電鑄成形前的溝槽填充和電鑄結(jié)束后填充物的去除，工藝簡單易行，填充和脫模的周期短，該方法所制造的芯模表面光潔度和尺寸精度高，導(dǎo)電性好，脫模后的零件通道內(nèi)不會殘留填充物。
[0006]2013年6月5日，中國發(fā)明專利CN103128525A公開了一種采用低熔點(diǎn)合金犧牲層的孔加工方法，該方法先在工件預(yù)定加工孔的出口位置涂覆低熔點(diǎn)合金層，形成背襯，然后采用管電極電解加工，該方法提高了管電極電解加工工藝穩(wěn)定性和加工精度。但該方法在工件表面涂覆金屬，對于一些表面不能涂覆金屬的工件則不適用，且金屬層在后續(xù)清洗中不易去除。
[0007]2014年I月I日，中國發(fā)明專利CN103480926A公開了一種微小孔電火花-電解異區(qū)同步復(fù)合加工方法及其專用工具，該方法實(shí)現(xiàn)了同一小孔在不同區(qū)域的同步復(fù)合加工，即在端面時主要通過電火花放電加工，實(shí)現(xiàn)零件高效穿孔，在孔側(cè)壁時主要通過電化學(xué)溶解的方式將電火花加工后形成的再鑄層去除，實(shí)現(xiàn)孔壁的電化學(xué)光整加工。但該方法未提及微小孔加工結(jié)束時流場問題的解決方法。
[0008]哈爾濱工業(yè)大學(xué)劉晉春等進(jìn)行了非導(dǎo)電陶瓷材料電解電火花打孔工藝研宄(制造技術(shù)與機(jī)床，1998，(10):12?13)，在分析研宄現(xiàn)有非導(dǎo)電材料電解電火花加工原理和現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，提出了一種新型的非導(dǎo)電陶瓷材料充氣電解電火花復(fù)合打孔工藝，其具有加工效率高、能耗小等優(yōu)點(diǎn)，但該工藝主要針對非導(dǎo)電材料進(jìn)行復(fù)合制孔加工，加工過程會產(chǎn)生較多的熱量，不適宜推廣到金屬材料的無再鑄層制孔加工。南京航空航天大學(xué)朱荻教授提出了電火花-電解組合加工工藝(電加工與模具，2010，(2):33?37)，將電火花和電解加工有機(jī)地組合在一起，實(shí)現(xiàn)電火花加工和電解加工在同一機(jī)床、同一工位、同一管電極下完成，提高了制孔效率和質(zhì)量，但該工藝方法加工效率相對較低，且加工過程易產(chǎn)生短路現(xiàn)象，對加工成功率有一定影響。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]本發(fā)明旨在提高微小孔加工精度和表面質(zhì)量，提出的一種工藝穩(wěn)定性好、通用性強(qiáng)、成本低、實(shí)現(xiàn)方便的基于低溫環(huán)境的冰凍輔助微小孔加工方法。
[0010]本發(fā)明特征在于利用低溫環(huán)境，在工件背面形成冰凍結(jié)構(gòu)，通過冰凍輔助方式保持加工穩(wěn)定性、改善工作液流場、提高加工精度、改善微小孔加工出口質(zhì)量。
[0011]一種基于低溫環(huán)境的冰凍輔助微小孔加工方法，其特征在于包括以下過程:
步驟1、將待加工工件固定在夾具上并置于容器中，將制冰溶液加入容器或注入空心零件中，至少保證待加工工件的制孔出口面被溶液淹沒；
步驟2、采用低溫實(shí)施措施，對加工區(qū)域進(jìn)行降溫處理，為整個加工營造低溫環(huán)境；
步驟3、在低溫環(huán)境下，至少使得待加工工件的制孔出口面所處部位的溶液被凍結(jié)，形成冰層，并和待加工工件自然地凍結(jié)在一起且具有連接強(qiáng)度，形成冰凍輔助結(jié)構(gòu)；
步驟4、工作液采用管電極內(nèi)沖液，即工作液從中空管電極內(nèi)流入，從管電極和孔側(cè)壁的間隙流出。隨后進(jìn)行電火花、電解、電火花電解復(fù)合、電液束微小孔加工。對于電火花微小孔加工，在孔剛穿通的瞬間電火花放電產(chǎn)生的熱量使冰層局部融解，保證孔出口處充足的工作液供應(yīng)，使加工順利進(jìn)行，從而改善孔出□質(zhì)量；對于電解微小孔加工，在孔剛穿通的瞬間從管電極中沖出的溶液的熱量使冰層局部融解，保證出口處充足的工作液供應(yīng)，使加工順利進(jìn)行，從而改善孔出口質(zhì)量；對于電液束微小孔加工，在孔剛穿通的瞬間從管電極中沖出的溶液的熱量使冰層局部融解，從而保證出口處充足的工作液供應(yīng)，使加工順利進(jìn)行，從而改善孔出口質(zhì)量；對于電火花電解復(fù)合加工，在孔剛穿通的瞬間電火花放電產(chǎn)生的熱量使冰層局部融解，加工中同步實(shí)現(xiàn)電火花高速穿孔，以及電解加工。通過冰凍作用減小電火花熱影響層和電解非加工面雜散腐蝕層，同時通過冰層保證穿透瞬間的電解液流場穩(wěn)定，從而提尚加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量；
步驟5、加工結(jié)束后，提高加工環(huán)境溫度，待冰凍結(jié)構(gòu)融化取出被加工工件。
[0012]本發(fā)明還提供了一種實(shí)現(xiàn)所述的基于低溫環(huán)境的冰凍輔助微小孔加工方法的裝置，其特征在于:該裝置包括制冰系統(tǒng)；該制冷系統(tǒng)包括容器、工件夾具，該工件夾具將工件安裝于容器內(nèi)，且使工件底部與容器底部預(yù)留制冰空間的夾具；
該制冷系統(tǒng)還包括用于使制冰溶液凍結(jié)成冰的制冰部件。
[0013]所述的工作液溫度控制系統(tǒng)，可以連續(xù)的調(diào)節(jié)加工時管電極中沖出的工作液的溫度，工作液的溫度一方面可以控制孔穿通時，出口處冰融化凹坑的大??；另一方面可以控制打孔過程中電火花加工，電解反應(yīng)的速度。
[0014]所述的冰層厚度從0.1?10mm ;所述的制冰溶液為水、酒精、NaCl溶液、NaNO3S液、NaClO3溶液、乳化液、水基工作液中的一種或幾種組合；所述的用于加工的工作液與用于制造冰凍結(jié)構(gòu)的溶液可相同也可不同；所述的制冰溶液濃度為0.05%?20% ;所述的低溫溫度范圍為-50?0°C ;所述的低溫實(shí)施措施包括液氮制冷、半導(dǎo)體制冷、空氣壓縮制冷等；該方法可用于加工平面結(jié)構(gòu)、復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)、中空零件、細(xì)長通道零件及實(shí)心零件等；
本發(fā)明的有益效果在于:
1、在孔的出口區(qū)涂覆上一層冰，可在孔部分穿通的瞬間，通過冰層的背襯，使得工作液的流向不發(fā)生改變，穩(wěn)定工作液流場，從而保證出口處充足的工作液供應(yīng)，提高了孔的加工精度。同時電火花加工時局部熱量使冰層局部融解，形成微小凹坑結(jié)構(gòu)，有助于在小孔穿透的瞬間，工具電極的進(jìn)一步進(jìn)給，而不發(fā)生工具電極和背襯冰層的干涉，使加工繼續(xù)順利進(jìn)行。同時從噴嘴中持續(xù)不斷的噴出液氮，對工件和冰塊可進(jìn)行持續(xù)冷卻，因?yàn)槔鋮s而使冰塊因受熱而溶解的凹坑區(qū)域不會太大，從而保證工件上其他區(qū)域和冰塊保持良好的接觸。
[0015]2、在孔的出口區(qū)涂覆一層冰不會對工件基體造成損傷。由于冰融化后成水，不會粘結(jié)在工件表面，更容易在加工后去除，后期工序簡單，節(jié)省時間，加工后的去除物是冰水混合物對環(huán)境污染小。由于水的流動性好，可以填充到任意復(fù)雜的型面、型腔、中空零件、細(xì)長通道中，提高了工件上微小孔的可加工范圍，例如現(xiàn)代先進(jìn)的航空發(fā)動機(jī)普遍采用渦輪葉片型腔的填充。加工時管電極中沖出的工作液溫度可調(diào)，工作液的溫度一方面可以控制孔穿通時，出口處冰融化凹坑的大小；另一方面可以控制打孔過程中電火花加工，電解反應(yīng)的速度。
[0016]3、相較于常溫加工，本發(fā)明采用的低溫環(huán)境對電火花加工和電解加工均有許多優(yōu)點(diǎn)。例如，對于電火花放電作用來說，由于電火花加工是利用電、熱能量進(jìn)行加工的，通過給被加工材料施加低溫環(huán)境，有望在加工中控制局部熔化、氣化，減少周圍熱效應(yīng)的產(chǎn)生，進(jìn)而可以減少再鑄層的厚度，提高工件的加工精度和表面質(zhì)量。對于電解加工來說，其是一種利用電化學(xué)陽極溶解原理進(jìn)行材料去除的，在低溫環(huán)境下，溶液活性減弱，可以減少低溫非加工區(qū)材料的雜散腐蝕，從而提高工件的加工質(zhì)量。
[0017]4、本發(fā)明工作液采用管電極內(nèi)沖液，即工作液從中空管電極內(nèi)流入，從管電極和孔側(cè)壁的間隙流出。隨后進(jìn)行電火花、電解、電液束和電火花電解復(fù)合微小孔加工。對于電火花微小孔加工，在孔剛穿通的瞬間電火花