模板陰極電解加工群孔的成形規(guī)律*

李冬林 朱荻 李寒松

(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京 210016)

加工微小群孔的方法有很多,大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)中,一般采用傳統(tǒng)精密機(jī)械加工、激光加工、電火花加工、光化學(xué)加工以及照相電解加工等技術(shù)[1-6].機(jī)械加工易產(chǎn)生變形,尤其是金屬薄板;激光加工效率高,但其加工后的孔壁有再鑄層和微裂紋;電火花加工精度高,但工具電極有損耗[7];光化學(xué)加工與照相電解加工工藝復(fù)雜,周期長,需專用設(shè)備[8-10].文中采用模板陰極電解加工方式加工具有微小群孔的薄板,以簡單形狀的工具陰極,基于電化學(xué)陽極溶解原理高效率地加工型孔.

1 數(shù)學(xué)模型

圖1示出了模板陰極電解加工群孔,模板陰極由兩部分組成,一層為導(dǎo)電層(銅層),另一層為絕緣層,加工時絕緣層緊貼于工件.絕緣板置于模板陰極上并與其保持一定間隙,電解液在間隙中高速流動,排除電解產(chǎn)物并帶走加工過程中產(chǎn)生的熱量.

圖1 模板陰極電解加工群孔示意圖Fig.1 Schematic diagram of matrix-hole by electrochem ical machining with template cathode

圖2 模板陰極電解加工群孔原理Fig.2 Principle of matrix-hole by electrochemical machining with temp late cathode

圖2示出了模板陰極電解加工群孔原理,模板陰極導(dǎo)電層與工件構(gòu)成電解加工中的陰、陽極,加工初始時,未被絕緣層遮蔽的工件表面被加工,形成凹坑,隨著電解加工的進(jìn)行,凹坑逐漸變深,貫穿工件形成孔.圖2中P0為工件表面加工區(qū)上任一點(diǎn),點(diǎn) P0經(jīng)加工時間為 t和t+Δt后,分別蝕除到點(diǎn)Pi和點(diǎn) Pi+1.同理,在工件表面加工區(qū)內(nèi)取若干初始點(diǎn),經(jīng)過t+Δt后形成新的點(diǎn),把這些點(diǎn)與Pi+1連接起來,形成了凹坑輪廓曲線.模板陰極加工方式具有獨(dú)特的加工特性,其電場、流場具有特殊的分布規(guī)律.

由電場理論知,電流密度 J為電解液電導(dǎo)率 γ與電場強(qiáng)度E的乘積:

由電解加工原理知,工件的蝕除速度為

式中:η為電流效率;ω為工件體積電化學(xué)當(dāng)量.采用非線性NaNO3電解液加工時,由于NaNO3溶液的非線性特性使得工件不同部位對應(yīng)的 ηω是不相同的.ηω與所采用的電解液成分、濃度、溫度、電流密度和工件材料等因素相關(guān).在電解液參數(shù)與工件材料確定后,可用實(shí)驗(yàn)的手段(實(shí)驗(yàn)時陰極形狀采用平板陰極)測定所需電解液的ηω-J曲線.其中,

式中:m為每次加工試驗(yàn)結(jié)束后,稱量所得工件的質(zhì)量;V為工件材料溶解的體積;I為電解電流;t為加工時間;ρ為工件材料的密度.由此可求得ηω與J的曲線圖.

實(shí)驗(yàn)所用工件材料為SS304,實(shí)驗(yàn)結(jié)果是一組離散的數(shù)據(jù)點(diǎn),利用Matlab多項(xiàng)式曲線擬合得到電流效率曲線,如圖 3所示.ηω-J曲線的擬合公式為

從有限元模塊中提取E值,由式(1)、(4)可得到工件上不同部位所對應(yīng)的ηω值.

圖3 NaNO3電解液中加工SS304時的ηω-J曲線Fig.3 ηω-J curve of SS304 in NaNO3 electrolyte

取加工前陽極上的任一點(diǎn)P0(x0,y0)(如圖2所示),經(jīng)加工時間t后,P0被蝕除到Pi(xi,yi)點(diǎn),再經(jīng)Δt后,點(diǎn)Pi蝕除到點(diǎn)Pi+1(xi+1,yi+1),則

式中:Ex、Ey分別表示電場強(qiáng)度在x、y軸上的分量,其數(shù)值可以從有限元分析模塊中直接提取,因此,根據(jù)有限元模擬加工原理,只要知道初始的電場情況,就可以利用式(5)計(jì)算出任一時刻的工件形狀.

在電解加工過程中,加工區(qū)的電解產(chǎn)物和流動介質(zhì)為氣體、固體和液體,同時區(qū)域內(nèi)的電場強(qiáng)度不斷變化,為使數(shù)學(xué)模型求解時不失其準(zhǔn)確性,對加工過程中某一時刻進(jìn)行分析,將該時刻外接直流電源的兩極間電場近似地看作穩(wěn)恒電場,不計(jì)電極界面上電化學(xué)反應(yīng)所引起的過電位對加工間隙電場分布的影響.

任選定一個模板陰極上的小孔進(jìn)行電場分析,假設(shè)加工間隙內(nèi)電解液電導(dǎo)率為常數(shù)且各向同性,忽略邊界效應(yīng),根據(jù)電場及電化學(xué)理論,在陰、陽極之間的封閉區(qū)域 Ω內(nèi),各點(diǎn)的電勢滿足拉普拉斯方程:

式中:x、y為間隙內(nèi)各處的坐標(biāo);φ為各點(diǎn)的電勢.由于陰極接電源的負(fù)極,工件接電源的正極.這樣在陰、陽極表面形成兩個等勢面,也就是在這兩個邊界上各加一個第一類邊界條件:

陰極邊界條件為

陽極邊界條件為

式中:φ1、φ2和φ3分別為陰極和陽極電勢;U為陽極表面電位值(即后文中的加工電壓).此外,除去陰、陽極邊界外,其他邊界應(yīng)該封閉,或近似封閉.在這些邊界中,電力線與邊界法向垂直.其邊界條件可表示為

式中:n為邊界表面各處的法向向量,φ4、φ5、φ6、φ7和 φ8為其他邊界的電勢.電場分析就是求拉普拉斯方程(6)滿足邊界條件式(7)、(8)和(9)的解.經(jīng)過后處理可以得出該處電場強(qiáng)度分布.極間間隙內(nèi)模板陰極電場模型見圖4.

模擬加工過程是基于電場的有限元分析方法進(jìn)行加工,并使用APDL編程語言在Ansys平臺上進(jìn)行.計(jì)算出加工過程中工件被蝕除部位的每一點(diǎn)的坐標(biāo)值,并以此坐標(biāo)點(diǎn)為起點(diǎn)計(jì)算經(jīng)過Δt后新的坐標(biāo)點(diǎn).

2 試驗(yàn)安排

為驗(yàn)證仿真的可行性,進(jìn)行了模板陰極微小群孔電解加工試驗(yàn),模板陰極微小群孔電解加工系統(tǒng)如圖 5所示.包括電解液系統(tǒng)、工作平臺、夾具以及電源.電解液為NaNO3水溶液,工件材料為SS304,采用直流形式、側(cè)流沖液方式進(jìn)行加工,加工條件如表1所示.

圖5 模板陰極群孔電解加工系統(tǒng)Fig.5 System ofmatrix-hole by electrochemicalmachining with temp late cathode

表1 實(shí)驗(yàn)加工參數(shù)Tab le 1 Machining parameters for experiment

加工結(jié)束后,對試驗(yàn)測量結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行了對比分析,試驗(yàn)加工出的微小坑的形狀采用ADE公司的MicroXAM3D Profiler進(jìn)行測量,分辨率為0.001μm.

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3.1 凹坑形貌及仿真

加工電壓U=20V,電解液進(jìn)口壓力、溫度和質(zhì)量分?jǐn)?shù),模板陰極上絕緣層、導(dǎo)電層厚度以及陰極上小孔直徑見表 1,加工時間 t分別為 10.0、30.0、50.0s,所得凹坑輪廓二維圖型與仿真曲線見圖6.

由圖6可知.加工時間t=10.0s時,仿真被蝕除的深度h=63μm;加工時間t=30.0s時,仿真蝕除深度h=151μm;加工時間t=50.0 s時,仿真蝕除深度h=211μm.

圖6顯示,隨著加工的進(jìn)行,孔的深度與加工時間呈非正比關(guān)系.電解加工初始時,加工間隙小,工件蝕除速度快;隨著時間的增加,蝕除深度增加,陰、陽極間隙增大,而兩電極所加載的電壓不變,使得間隙內(nèi)的電場強(qiáng)度減弱,蝕除速度減小.

圖6 加工形貌與仿真Fig.6 Machining profile and simu lation

在坑的深度方向上,加工時間為10.0 s時,坑的實(shí)際加工深度大于仿真結(jié)果.加工時間為30.0s時,仿真結(jié)果與蝕除凹坑輪廓相一致.加工時間為50.0s時理論模擬值大于實(shí)際值.這是由于開始加工時,電解液及時流動更新帶走電解產(chǎn)物,加工過程中產(chǎn)生的熱量能及時排出,所以實(shí)際加工深度與仿真結(jié)果相近,如圖6(a)、(b)所示.隨著加工的進(jìn)行,蝕除深度增加,電解液很難充分地沖刷坑的底部,加工中產(chǎn)生電解產(chǎn)物不能及時排出,同時不能有效帶走電解過程中產(chǎn)生的熱量,導(dǎo)致電極極化更加嚴(yán)重,流場的均勻性變差,最終影響了工件蝕除和坑表面質(zhì)量,使加工出的坑深度小于模擬深度,如圖6(c)所示.

3.2 坑的形貌分析

由以上分析可知,隨著加工時間的增加,凹坑的深度增大,流入凹坑底部的電解液減少,流場均勻性變差;同時,少量電解液很難充分沖刷凹坑底部的電解泥,尤其是加工微小孔.圖7為采用Fluent流體仿真軟件進(jìn)行數(shù)值分析所得不同直徑的凹坑底部電解液流速分布.

圖7 凹坑流速分布Fig.7 Distribution of flow velocity in pits

圖7顯示,陰極上小孔直徑越大,電解液越能沖刷到底部,凹坑底部的流場越均勻.反之,電解液很難流入凹坑底部,流場均勻性較差.

不同孔徑隨加工時間變化的凹坑形貌見圖 8.由圖8可知,隨著陰極上小孔直徑(d)的變大,加工出的凹坑直徑增大,凹坑底部沖刷就越充分,加工產(chǎn)生的電解泥能及時排出,凹坑的電解液得到及時更新,凹坑形貌越規(guī)則.

圖8 凹坑形貌Fig.8 Shape of pits

鑒于以上小孔形成過程分析,SS304金屬薄板被貫穿時,貫通并非都在凹坑中心處,工件貫穿時的照片見圖9.

圖9 模板陰極單面電解加工孔的光鏡圖Fig.9 Lightm icroscope photograph of the eroded hole fabricated by one-sided electrochemical machining with template cathode加工條件:U=25V,t=62.0s,陰極上小孔直徑d=0.75mm,工件厚度為0.30mm

3.3 陣列微小群孔

采用模板陰極單面加工時,加工出的孔錐度較大,如圖 9所示.為提高孔的加工精度和加工效率,采用了雙面加工方式,如圖10所示.

圖10 模板陰極雙面電解群孔加工示意圖Fig.10 Schematic diagram of matrix-hole fabricated by twosided electrochem icalmachining with template cathode

圖11 模板陰極雙面電解加工群孔實(shí)物圖Fig.11 Photograph ofmatrix-hole fabricated by two-sided electrochemicalmachining with temp late cathode

圖11示出了雙面加工方式下加工出的群孔實(shí)物.工件為厚度為0.30mm的SS304,模板陰極上小孔直徑為0.45mm,小孔間距為3.00mm,加工電壓U為25V,電解液進(jìn)口壓力為1.0MPa,加工時間是40.0s.

由圖9和圖11(c)可知,模板陰極雙面加工能減小孔的錐度,提高加工精度;同時減少加工時間,提高生產(chǎn)效率.

4 結(jié)語

文中結(jié)合非線性電解液NaNO3的特性,建立數(shù)學(xué)模型描述了模板陰極電解加工孔的形成過程.試驗(yàn)證明,此數(shù)學(xué)模型仿真結(jié)果基本符合實(shí)際加工的凹坑輪廓.仿真結(jié)果顯示,加工初始階段,蝕除速度很快,隨著加工的進(jìn)行,加工間隙變大,間隙內(nèi)電場變?nèi)?蝕除速度變緩.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,采用雙面電解加工方式可提高生產(chǎn)效率和孔的加工精度.

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