用于高性能金屬合金的電腐蝕加工的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開大體指向金屬構(gòu)件的機(jī)械加工。在一些特定的實(shí)施例中，本公開涉及由先進(jìn)的結(jié)構(gòu)化的金屬和合金形成的構(gòu)件的電加工。
【背景技術(shù)】
[0002]先進(jìn)的金屬材料在現(xiàn)代的制造業(yè)中，例如飛機(jī)、汽車和工具以及模具制造業(yè)中起到日益重要的作用。同常規(guī)的材料相比，這些材料通常呈現(xiàn)極大改進(jìn)的熱、化學(xué)和機(jī)械屬性。增強(qiáng)的特定的屬性包括強(qiáng)度、耐熱性、耐磨性和耐腐蝕性。甚至適度的改進(jìn)都可能通過改進(jìn)的產(chǎn)品性能和產(chǎn)品設(shè)計(jì)而對制造業(yè)產(chǎn)生相當(dāng)大的經(jīng)濟(jì)效益。
[0003]雖然先進(jìn)的材料呈現(xiàn)許多所需的屬性，但是它們有時(shí)是非常難以加工的。作為一個(gè)示例，用于例如鈦合金的特殊材料的傳統(tǒng)的機(jī)械加工和鑄造工藝時(shí)常是不合適的，并且在形成板、棒等時(shí)需要去除大量的原料。此外，操作時(shí)常需要通過額外的工藝來補(bǔ)充，諸如多個(gè)修整操作。另外，鈦和其合金的化學(xué)屬性和物理屬性可能使鉆孔操作變得很有挑戰(zhàn)，時(shí)常導(dǎo)致不符合要求的大的熱影響區(qū)域(HAZ)。出于這些原因，整體加工成本可能比類似鋼的材料高得多。
[0004]已經(jīng)研究了許多技術(shù)來加工類似鈦和鎳超級合金的先進(jìn)的材料。放電加工(或EDM)是一種機(jī)械加工方法，其主要用于硬質(zhì)金屬或不可能的用傳統(tǒng)技術(shù)進(jìn)行機(jī)械加工的金屬。該技術(shù)是在存在高能電場的條件下利用在電極(刀具)和工件之間的快速再生的電弧放電來實(shí)現(xiàn)。EDM刀具沿著非?？拷ぜ乃杪窂竭M(jìn)行引導(dǎo)，但其不會接觸工件。該技術(shù)有時(shí)被稱為“電腐蝕”。其它電加工技術(shù)在本領(lǐng)域中也是已知的，包括電化學(xué)加工(ECM)、電化學(xué)研磨(ECG)和電化學(xué)放電加工(ECDM)，它們?nèi)吭诿绹鴮＠?，741，576 (A.Trimmer等人)中描述。
[0005]雖然當(dāng)前電加工工藝在許多情況下是可接受的，但是對于各種高性能合金的額外的設(shè)計(jì)和性能要求已經(jīng)在激勵(lì)對工藝中相當(dāng)大的發(fā)展的尋求。作為一個(gè)示例，由鈦和其合金形成的某些構(gòu)件可能由于低的熱導(dǎo)率以及不能保持機(jī)械加工區(qū)域免除工藝碎肩而仍然是非常難以加工的。如下面所述，機(jī)械加工的碎肩可能危害電腐蝕工藝，并且可能導(dǎo)致對機(jī)械加工裝備和工件的損傷。此外，在工業(yè)環(huán)境中仍然需要改進(jìn)用于機(jī)械加工高性能合金的材料去除率(MRR)，因?yàn)檫^量的機(jī)械加工時(shí)間和對于許多其它工藝步驟的需求可能降低整體工藝的經(jīng)濟(jì)活力。因此，在本領(lǐng)域中解決這些挑戰(zhàn)中的一些的改進(jìn)的電腐蝕工藝將是受歡迎的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例指向一種利用機(jī)械加工裝置對由鈦基材料形成的工件進(jìn)行機(jī)械加工的方法。該方法包括如下步驟:
(a)在相對于鈦基工件預(yù)選定的距離和位置提供包含在芯軸組件內(nèi)的導(dǎo)電電極；同時(shí)利用電源電驅(qū)動電極和工件； (b)通過機(jī)械加工裝置中的至少兩條路徑使流體電解質(zhì)循環(huán)；其中一條路徑包括位于芯軸組件內(nèi)的內(nèi)部導(dǎo)管；并且第二路徑包括位于芯軸組件外面并且至少部分地位于電極和工件之間的間隙中的外部導(dǎo)管；以及
(C)在切入運(yùn)動中使電極相對于工件移動，以在相對高的速率下，利用高速電腐蝕(HSEE)工藝從工件去除材料。
[0007]另一實(shí)施例指向一種機(jī)械加工鈦基構(gòu)件的方法，其中材料通過利用高速電腐蝕(HSEE)工藝從構(gòu)件的選定的區(qū)域去除，其中導(dǎo)電電極可控制地在切入(型腔成形運(yùn)動)中相對于構(gòu)件移動和旋轉(zhuǎn)；以及其中流體電解質(zhì)通過電極內(nèi)的內(nèi)部路徑和位于電極外面并在電極和構(gòu)件之間的間隙內(nèi)的外部路徑而循環(huán)。在該實(shí)施例中，循環(huán)電解質(zhì)流體的總的壓力值和電極的轉(zhuǎn)速同時(shí)受到自動化機(jī)構(gòu)的控制，以便極大化從構(gòu)件中去除鈦的效率。
[0008]本發(fā)明的第一技術(shù)方案提供了一種利用機(jī)械加工裝置對鈦基材料形成的工件進(jìn)行機(jī)械加工的方法，方法包括如下步驟:(a)在相對于鈦基工件預(yù)選定的距離和位置提供包含在芯軸組件內(nèi)的導(dǎo)電電極；同時(shí)利用電源電驅(qū)動電極和工件；(b)通過機(jī)械加工裝置中的至少兩條路徑使流體電解質(zhì)循環(huán)；其中一條路徑包括位于芯軸組件內(nèi)的內(nèi)部導(dǎo)管；并且第二路徑包括位于芯軸組件外面并且至少部分地在電極和工件之間的間隙內(nèi)的外部導(dǎo)管；以及(C)在切入運(yùn)動中使電極相對于工件移動，以利用高速電腐蝕(HSEE)工藝在相對高的速率下從工件去除材料。
[0009]本發(fā)明的第二技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，電極在HSEE工藝期間以至少大約36，000英寸/分鐘的線速度旋轉(zhuǎn)。
[0010]本發(fā)明的第三技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，線速度在大約7，000英寸/分鐘至大約125,000英寸/分鐘的范圍內(nèi)。
[0011]本發(fā)明的第四技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，電極在至少大約15amp/mm2的電流密度下進(jìn)行操作。
[0012]本發(fā)明的第五技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，流體電解質(zhì)為工件以及為工件和電極之間的間隙提供冷卻，同時(shí)還沖洗掉機(jī)械加工所得的碎肩。
[0013]本發(fā)明的第六技術(shù)方案是在第五技術(shù)方案中，流體電解質(zhì)包括一種或更多種添加劑，以用于增加在工件和電極之間的放電。
[0014]本發(fā)明的第七技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，芯軸組件包含在多軸線機(jī)器中或用其他方式連接至該多軸線機(jī)器，該多軸線機(jī)器構(gòu)造為支撐電極并使電極旋轉(zhuǎn)。
[0015]本發(fā)明的第八技術(shù)方案是在第七技術(shù)方案中，多軸線機(jī)器與控制器操作通信，該控制器構(gòu)造為用于將間歇的多個(gè)電弧分布在電極和工件之間。
[0016]本發(fā)明的第九技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，切入運(yùn)動是軸向的，并且大體垂直于需要去除材料的工件表面。
[0017]本發(fā)明的第十技術(shù)方案是在第九技術(shù)方案中，切入運(yùn)動在工件表面中切出型腔孔。
[0018]本發(fā)明的第十一技術(shù)方案是在第一技術(shù)方案中，工件是渦輪發(fā)動機(jī)的構(gòu)件或飛機(jī)機(jī)身的一部分。
[0019]本發(fā)明的第十二技術(shù)方案是在第二技術(shù)方案中，循環(huán)電解質(zhì)流體的總的壓力值和電極的轉(zhuǎn)速同時(shí)受到自動化機(jī)構(gòu)的控制，以便極大化從工件去除鈦的效率。
[0020]本發(fā)明的第十三技術(shù)方案是在第十二技術(shù)方案中，電極通過帶有閾電流的電源來激勵(lì)，該電源在工件和電極之間施加電勢差A(yù)V ;方法還包括:
(i)在機(jī)械加工期間以選定的間隔測量電流；
(ii)比較測量的電流與閾電流，以確定測量的電流是否指示失控狀態(tài)；
(iii)在指示失控狀態(tài)后產(chǎn)生控制信號，控制信號導(dǎo)致(I)電極轉(zhuǎn)速或(II)電解質(zhì)沖洗壓力中的至少一個(gè)的調(diào)整，以便使機(jī)械加工步驟返回受控狀態(tài)。
[0021]本發(fā)明的第十四技術(shù)方案提供了一種機(jī)械加工鈦基構(gòu)件的方法，其中材料通過利用高速電腐蝕(HSEE)工藝從構(gòu)件的選定區(qū)域去除，其中導(dǎo)電電極在切入的型腔孔成形運(yùn)動中相對于構(gòu)件可控制地移動和旋轉(zhuǎn)；以及其中流體電解質(zhì)穿過電極內(nèi)的內(nèi)部路徑以及電極外面并在電極和構(gòu)件之間的間隙中的外部路徑兩者而循環(huán)；以及其中循環(huán)電解質(zhì)流體的總的壓力值和電極的轉(zhuǎn)速同時(shí)受到自動化機(jī)構(gòu)的控制，以便極大化從構(gòu)件去除鈦的效率。
【附圖說明】
[0022]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于執(zhí)行機(jī)械加工工藝的裝置的示意圖。
[0023]圖2顯示了為本發(fā)明的實(shí)施例所采用的芯軸組件。
[0024]圖3是根據(jù)一些創(chuàng)新的實(shí)施例的各種機(jī)械加工步驟的圖示。
[0025]圖4是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例為機(jī)械加工工藝選擇的控制和監(jiān)測步驟的圖示。
[0026]圖5是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例由型腔-切入所得的孔的照片。
[0027]圖6是曲線圖，其描繪了根據(jù)一些創(chuàng)新的實(shí)施例的用于機(jī)械加工工藝的材料去除率特征。
【具體實(shí)施方式】
[0028]關(guān)于本公開，本文中公開的任何范圍都是包含且可組合的(例如，“高達(dá)大約25wt%”或更具體地“大約5wt%至大約20wt%”的成分范圍包含端點(diǎn)和該范圍的所有中間值)。此外，詞語“第一”、“第二”等在本文中并不表明任何順序、數(shù)量或重要性，而是用于將一個(gè)元件與另一元件區(qū)分開來。詞語“一”和“一個(gè)”在本文中并不表明數(shù)量的限制，而是表明至少存在其中一個(gè)所指事物。此外，本文中遍及說明書和權(quán)利要求使用的近似語句可應(yīng)用于修飾任何數(shù)量表述，其可在不導(dǎo)致其相關(guān)的基本功能發(fā)生變化的條件下準(zhǔn)許進(jìn)行修改。因此，由諸如“大約”的詞語或多個(gè)詞語修飾的值并不局限于所規(guī)定的精確值。在一些情況下，近似語句可與用于測量該值的儀器的精度相對應(yīng)。
[0029]鈦和其合金在時(shí)常涉及航空、核和電子工業(yè)的許多重要的應(yīng)用中找到用途。然而，如之前所暗示的，常規(guī)技術(shù)對于機(jī)械加工鈦以及其它硬質(zhì)金屬時(shí)常是低效的。根據(jù)本文中描述的實(shí)施例，被稱為高速電腐蝕(HSEE)機(jī)械加工的特殊類型的放電加工的使用可導(dǎo)致對鈦基工件的有效的機(jī)械加工。如本文中所使用的，“鈦基”指合金，其按重量計(jì)算包含至少大約50%的鈦，并且在一些實(shí)施例中，按重量計(jì)算至少大約75%的鈦。在一些關(guān)鍵的實(shí)施例中，受益于這種類型的機(jī)械加工技術(shù)的工件是渦輪發(fā)動機(jī)的構(gòu)件或飛機(jī)機(jī)身的一部分。
[0030]圖1是根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例的用于執(zhí)行工藝的說明性的機(jī)械加工裝置10。芯軸組件1