高速电弧放电加工技术原理与应用

《高速电弧放电加工技术原理与应用》系统介绍了作者团队在高速电弧放电加工技术领域多年研究的成果，分析了高速电弧放电加工中放电通道电弧等离子体的主要物理特性，详细阐述了基于流体动力断弧机制的高速电弧放电加工的原理、实现方法，以及利用该加工原理实现的典型加工工艺.以典型样件加工为例总结了该工艺方法的特点和实际加工效果。该书涵盖高速电弧放电加工这一新型高效特种加工方法的机制、加工物理过程的分析与模拟、加工工艺规律等，对于实现航空航天难切削材料的高效加工具有重要的参考价值。
　　《高速电弧放电加工技术原理与应用》可供从事航空航天制造、特种加工及相关技术的科研及工程技术人员参考，并可作为高等院校机械工程专业的研究生专业课教材或本科教学参考书使用。

随着镍基高温合金、金属基复合材料、金属间化合物等先进结构材料在航空航天器中的广泛应用，如何对这些难切削材料进行高效加工的问题也越来越突出。不仅如此，在航空、航天发动机构件中为了提高强度而广泛采用的整体式复杂曲面结构，使从毛坯到成品的材料去除率高达80%以上，进一步增加了制造的难度和成本。当采用传统机加工方法制造这些材料构件时，通常存在加工效率低下、刀具损耗严重等突出问题，部分具有薄壁特征的部件还存在加工变形难以控制的问题。随着更多新型号装备走向批量化生产，这些难切削材料复杂构件的高效加工已成为航空航天制造技术的瓶颈之一。
　　特种加工是利用电、热、光、磁、化学、电化学等特种能场实现材料去除的加工方法的统称。因其去除材料的机制与传统切削完全不同，且通常不存在宏观作用力，适用于难切削材料及复杂结构的加工。其中，放电加工依靠放电等离子体的高温蚀除材料，其加工能力与材料的强度、硬度、韧性等力学性能无关，因此在航空航天、医疗、模具等行业得到广泛应用。然而，长期以来，放电加工的效率偏低，一直被认为是“慢工艺”，这严重限制了该方法在大余量高效去除加工中的应用。利用放电实现高效、低成本加工，一直是几代放电加工研究人员的夙愿。
　　电弧是具有极高能量密度的等离子体，内部温度达数万摄氏度，可熔化甚至气化所有的导电材料，在高效加工方面具有独特的优势。但电弧的高温是把双刃剑，如不能及时、快速地将电弧切断或转移到新的位置，持续地加热会烧伤工件而使其报废。在加工复杂特征构件时如何有效控制电弧，始终是一个难题。长期以来，快速移动或切断电弧是通过电极与工件之间的高速相对运动来实现的，称为“机械运动断弧”。采用这种断弧方法的电弧加工只能实现简单的车或铣加工，无法采用成形电极实现沉入式或扫掠等加工，而且进行电弧铣时电极中心处的线速度几乎为零，严重影响加工质量和效率。
　　2007年，本书作者所在团队发明了集束电极电火花加工方法并获得国家自然科学基金的支持。通过将多根管状电极集束成为所需电极端面形状，实现了多孔强力内冲液并极大改善了极间流场，使电火花加工效率提升了3倍以上。同时，在放电加工区域周围发现了大量“尾状放电痕”，这一独特现象引起了我们的好奇。分析结果表明，多孔结构和高速冲液可使极间流场速度从中心到周边逐渐增强，并引起等离子弧柱的受力偏移。受此现象的启发，我们揭示了流体动力断弧的机制，进而发明了“高速电弧放电加工方法”，这一新的加工方法获得了国家自然科学基金重点项目的支持。构成高速电弧放电加工方法的主要技术要素为：采用流体动力断弧机制；采用多孔内冲液电极；采用水基工作液；采用冲液而不是浸液式加工；以石墨为电极材料。研究结果表明，高速电弧放电加工镍基高温合金的效率是传统电火花加工的30倍以上、传统切削加工的2-3倍，而加工成本下降了400/0以上，在加工高体分金属基复合材料、金属间化合物等难切削材料方面的优势同样显著。
　　本书内容是作者所在团队对高速电弧放电加工多年研究成果的一个系统性总结。第1章介绍了放电加工的国内外研究现状及面临的挑战；第2章为电弧放电加工基本原理及现状：第3章系统地阐述了高速电弧放电加工机制；第4章分析了电弧放电加工中电弧的特性：第5章描述了高速电弧放电加工系统；第6章介绍了高速电弧放电加工工艺基础研究；第7章给出了几种典型难切削材料高速电弧放电加工特性：第8章以典型样件加工为例分析了该工艺方法实际加工效果。
　　高速电弧放电加工技术的研究和发展，离不开作者所在团队诸多师生的共同努力。李磊、徐辉、张发旺、陈吉朋、朱颖谋、洪汉、向小莉、王春亮、何国健等博士，硕士研究生先后参与了高速电弧放电加工的基础研究，并做出了贡献。此外，在本书的写作过程中，博士生朱颖谋、何国健、李珂林，硕士生廖阳稷敛、刘苏毅、杨逸飞、蒋立杰、赫明泽等参与了部分图表的绘制和排版整理工作。
　　本书的研究工作获得了国家自然科学基金（资助号：50575136，51235007，51575351，51975371）、航天先进技术联合研究中心技术创新项目（项目号：USCAST2015-19）、机械系统与振动国家重点实验室开放基金以及多家航天、航空生产单位的大力支持；本书的出版还获得了国防科技图书出版基金的资助，在此一并表示感谢。