電解線切割加工技術(shù)試驗(yàn)研究

朱 兵 朱 荻 曾永彬 王少華

南京航空航天大學(xué),南京,210016

0 引言

電解線切割加工技術(shù)是電解加工中金屬陽極電化學(xué)溶解原理和線切割加工形式的結(jié)合。該技術(shù)不但繼承了電解加工的優(yōu)點(diǎn),而且還有其自身的特點(diǎn)：采用簡單的線電極,結(jié)合二維平面運(yùn)動(dòng),能夠簡單地實(shí)現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的加工,不用在加工準(zhǔn)備階段制造復(fù)雜的成形電極,加工準(zhǔn)備時(shí)間短,成本低;由于電解線切割的工具電極為線電極,因而更容易加工出普通加工方法很難加工的高深寬比結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外針對電解線切割開展了一系列研究,文獻(xiàn)[1]利用電解線切割加工技術(shù)加工出了微群縫結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[2-4]對電解線切割的加工機(jī)理進(jìn)行了研究,并利用該加工方法加工出了一系列縫寬僅為12μm的微結(jié)構(gòu)。

然而,國內(nèi)外開展的相關(guān)研究都是前沿探索性研究,加工的工件厚度大多在100μm左右。本文嘗試用電解線切割的方法在厚度為5mm的不銹鋼(304 SS)工件上加工高深寬比結(jié)構(gòu)。在分析電解線切割加工工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,采用軸向沖液的方法,解決了在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)的排屑問題。通過一系列加工試驗(yàn),分析了主要參數(shù)對加工效果的影響;最后采用優(yōu)化的加工參數(shù),以直徑為20μm的電極絲在5mm厚的不銹鋼板上加工出了一系列縫寬為160μm左右、深寬比高達(dá)30的微結(jié)構(gòu)。

1 電解線切割加工原理介紹

電解線切割加工是基于電化學(xué)陽極溶解原理來去除工件材料的。在電解線切割加工中,工件接電源正極,線電極接電源負(fù)極;當(dāng)在工件和線電極上施加一加工電壓后,加工區(qū)域內(nèi)的工件即開始以離子形式溶解;通過運(yùn)動(dòng)平臺(tái)帶動(dòng)線電極和工件做相對運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)零件加工成形,其加工原理如圖1所示。從理論上講,若固定工件的安裝臺(tái)和帶動(dòng)電極絲進(jìn)給的運(yùn)動(dòng)平臺(tái)能夠進(jìn)行五軸聯(lián)動(dòng),則可實(shí)現(xiàn)一切直紋面的加工。

圖1 電解線切割原理圖

由電解線切割加工的原理可知,要應(yīng)用該方法在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu),就需要延長電極絲的有效加工部分的長度。然而,僅僅只依靠延長電極絲的有效加工部分的長度,是無法實(shí)現(xiàn)在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的。因?yàn)殡S著不銹鋼板厚度的增加,積聚在狹長加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物(絮狀反應(yīng)產(chǎn)物和氣泡)的排出變得更加困難。如果不能及時(shí)地將電解產(chǎn)物從加工間隙中排出,加工間隙中的電解液不能及時(shí)更新,就有發(fā)生短路的可能,輕者影響加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量,重者使加工無法繼續(xù)。所以,采用電解線切割方法在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的核心問題,就是如何平穩(wěn)順暢地將電解產(chǎn)物從加工間隙中排除。

在用電解方法加工高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí),為解決排屑問題,經(jīng)常采用的方法有旋轉(zhuǎn)電極法和沖液方法。如在加工深小孔時(shí),采用的是旋轉(zhuǎn)螺旋電極法[5]及向空心管狀電極中通高壓電解液的方法[6]。結(jié)合電解線切割加工的特點(diǎn),用該工藝加工高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí)選用沖液的方法。因?yàn)樵囼?yàn)中采用的電極為線狀且直徑只有20μm,電解液的沖擊易引起電極顫動(dòng),從而造成短路。為了盡量減小沖液所引起的電極絲振動(dòng),沖液方向只能為電極絲的軸向。

2 沖液電解線切割加工系統(tǒng)

筆者建立了應(yīng)用沖液電解線切割工藝在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)系統(tǒng),其示意圖見圖2。系統(tǒng)由4個(gè)部分組成：①電解加工單元;②電解液循環(huán)系統(tǒng);③精密三軸位移臺(tái);④運(yùn)動(dòng)伺服控制系統(tǒng)。

2.1 電解加工單元

電解加工單元主要由電極絲、工件、直流電源、電解槽和電解液組成。工件通過夾具固定在電解槽上;電極絲通過夾具連接到運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的主軸上;運(yùn)動(dòng)平臺(tái)X軸、Y軸的運(yùn)動(dòng)帶動(dòng)電極絲在XY平面內(nèi)向工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)從而實(shí)現(xiàn)切割。為了減小雜散腐蝕,獲得好的表面加工質(zhì)量,電解液選擇鈍化電解液NaNO3。

圖2 沖液電解線切割加工系統(tǒng)示意圖

為了沿著電極絲的軸向?qū)庸らg隙進(jìn)行沖刷,排除電解產(chǎn)物,固定電極絲的夾具應(yīng)具有軸向沖液功能。加工要穩(wěn)定進(jìn)行,電極絲的振動(dòng)應(yīng)盡可能地小,這就要求電極絲盡量張緊。為了方便電極絲的安裝與張緊,沖液夾具設(shè)計(jì)為組合式。該夾具主要由三部分組成：夾具基體、導(dǎo)流槽擋塊和端蓋,夾具的三維造型及實(shí)物圖見圖3。

圖3 沖液夾具

在設(shè)計(jì)的沖液夾具上裝絲的具體過程如下：采用砝碼懸掛法(將電極絲掛上比其所能承受的最大質(zhì)量略小的砝碼,使電極絲獲得最大張緊力后,將其固定)將電極絲纏繞在夾具基體上,然后將夾具組裝成形。

設(shè)計(jì)的軸向沖液夾具能對加工間隙進(jìn)行沖刷,及時(shí)帶走電解產(chǎn)物,更新電解液;但是,在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)時(shí),由導(dǎo)流槽沖出的電解液并不能持續(xù)穩(wěn)定地充滿整個(gè)狹長的加工間隙,為了使加工穩(wěn)定進(jìn)行,作為工具陰極的電極絲有效加工部分和工件必須同時(shí)浸入電解液,即浸液加工,沖液排屑。

由圖2可知,電解液由入液口進(jìn)入沖液夾具,流經(jīng)導(dǎo)流槽后沿電極絲的軸向?qū)ぜ碗姌O絲之間的加工區(qū)域進(jìn)行平緩沖刷,使電解產(chǎn)物及時(shí)排出并更新電解液,從而使加工區(qū)域中電解液的電導(dǎo)率維持恒定,加工能夠順利進(jìn)行。電解槽中的液面高度由溢液板控制。在不斷向電解槽中沖液的同時(shí),電解槽中的電解液也通過溢液板經(jīng)出液口流回儲(chǔ)液箱,維持電解槽中液面高度并實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)中電解液的循環(huán)。

2.2 電解液循環(huán)系統(tǒng)

電解液循環(huán)系統(tǒng)主要由儲(chǔ)液箱、過濾器、泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)和電解液凈化器組成。流量調(diào)節(jié)閥的作用是控制沖液速度;過濾器主要由致密的過濾網(wǎng)組成,其主要功能是防止電解液中飄浮的細(xì)小的毛發(fā)類雜質(zhì)進(jìn)入沖液管道進(jìn)而纏繞在電極絲上影響加工的穩(wěn)定性;而電解液凈化器是用來去除陽極溶解而產(chǎn)生的Fe(OH)2、Fe(OH)3等絮狀反應(yīng)產(chǎn)物的,維持電解液電導(dǎo)率的恒定,使加工具有好的穩(wěn)定性和一致性。

2.3 精密三軸位移臺(tái)及控制系統(tǒng)

為了保證慢速進(jìn)給的精確性和加工的穩(wěn)定性,運(yùn)動(dòng)平臺(tái)使用的是高精度的位移臺(tái)。固定有電極絲的沖液夾具隨著位移臺(tái)向靜止的工件做進(jìn)給運(yùn)動(dòng),即線電極的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)為間歇式進(jìn)給方式。本文采用的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理核心是NI公司的PCI-7344多功能運(yùn)動(dòng)控制卡,能夠?qū)崿F(xiàn)對NI公司的高精密位移臺(tái)X、Y、Z 3個(gè)方向加工進(jìn)給的伺服控制,最小可以保證每步0.08μm的進(jìn)給分辨率和2μm的定位精度。在本文的試驗(yàn)中,位移臺(tái)進(jìn)給分辨率設(shè)置為每步0.25μm。

3 工藝試驗(yàn)及分析

3.1 加工電壓對縫寬的影響

為了研究加工電壓對加工工藝的影響,進(jìn)行了以下一組對比試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)如下：電解液是質(zhì)量濃度為10g/L的NaNO3溶液;電極絲進(jìn)給速度為0.5μm/s;沖液速度為0.75m/s;線電極是直徑為20μm的鎢絲;工件是厚度為5mm的不銹鋼(304 SS);切割深度為1.5mm。加工電壓分別取9.2V 、10.2V 、11.2V 、12.2V 時(shí),對應(yīng)的切割縫寬大小如圖4所示。

圖4 加工電壓對縫寬的影響

從圖4可知,在其他加工條件不變的情況下,切割縫寬隨著加工電壓的升高而逐漸增大,即切縫的加工精度隨著電壓的升高而減小。在電解加工中,平衡加工間隙為

式中,η為電流效率;ω為金屬體積電化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A?h);UR為電解液的歐姆電壓降,V;σ為電導(dǎo)率,1/(Ω?mm);v為進(jìn)給速度,μm/s。

當(dāng)工件材料、電解液參數(shù)及進(jìn)給速度均保持不變,即 ηωσ/v=C(常數(shù))時(shí),Δb=CU R,加工間隙與加工電壓成正比,切縫加工的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域隨著電壓的升高而擴(kuò)大。電壓為9.2V時(shí),相對于電極絲0.5μm/s的進(jìn)給速度,加工間隙偏小,反應(yīng)為產(chǎn)物排除變得困難,短路時(shí)常發(fā)生,加工不穩(wěn)定;而取11.2V和12.2V的加工電壓時(shí),切割縫寬較大、加工精度變低且雜散腐蝕變大?？紤]到加工過程的穩(wěn)定性和高深寬比的要求,加工電壓取在10.2V左右較為合適。

3.2 電極絲進(jìn)給速度對縫寬的影響

試驗(yàn)采用10.2V的加工電壓;電解液是質(zhì)量濃度為10g/L的 NaNO3;沖液速度為0.75m/s;線電極是直徑為20μm的鎢絲;工件是厚度為5mm的不銹鋼(304 SS);切割深度為1.5mm。采用不同電極絲進(jìn)給速度對應(yīng)的切割縫寬大小,如圖5所示。

從圖5電解線切割的縫寬隨電極絲進(jìn)給速度變化的曲線可知,電極絲進(jìn)給速度對縫寬的影響較為顯著。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度的增加,也就是位移臺(tái)單步停留時(shí)間縮短,單位時(shí)間內(nèi)的蝕除量減小,加工間隙變小。然而,加工間隙并不會(huì)隨著進(jìn)給速度的成倍增大而成倍減小,這是因?yàn)樵诠潭ㄊ疥帢O電解中,隨著加工的進(jìn)行,加工間隙逐漸增大,工件的蝕除速度隨之減小。

圖5 電極絲進(jìn)給速度對縫寬的影響

電極絲進(jìn)給速度增大,縫寬隨之變窄,沖液排屑變得更加困難,加工的穩(wěn)定性變差。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證,加工速度取0.5μm/s時(shí)試驗(yàn)成功率更高。

3.3 電解液濃度對縫寬的影響

在加工電壓 10.2V、電極絲進(jìn)給速度0.5μm/s、沖液速度 0.75m/s、線 電極直徑為20μm鎢絲的條件下,分別采用質(zhì)量濃度為10g/L、20g/L、40g/L、50g/L 的 NaNO3溶液 ,對5mm厚的不銹鋼(304 SS)工件進(jìn)行了切割試驗(yàn),切割深度為1.5mm,加工結(jié)果如圖6所示。

圖6 電解液質(zhì)量濃度對縫寬的影響

由圖6可知,電解液質(zhì)量濃度是影響電解線切割切縫寬度的又一主要因素。隨著電解液濃度的增大,縫寬明顯增大。由平衡加工間隙公式式(1)知,在工件材料不變,加工電壓和進(jìn)給速度一致的情況下(即 ω、U R、v為常數(shù)),加工間隙隨著 σ升高而增大。電解液質(zhì)量濃度的增大使得溶液中的導(dǎo)電介質(zhì)增多,溶液的電導(dǎo)率σ變大;在相同的加工電壓下,質(zhì)量濃度高的電解液加工電流更大,導(dǎo)致電解腐蝕區(qū)域變大,切縫更寬。然而σ值增大卻使得電解加工的定域性變差,雜散腐蝕變得嚴(yán)重。在保證穩(wěn)定加工和一定加工效率的前提下,為了獲得良好的表面加工質(zhì)量,電解液的質(zhì)量濃度選用10g/L的NaNO3溶液。

3.4 沖液速度對縫寬的影響

沖液是電解線切割加工技術(shù)在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵因素。為了研究沖液速度對加工工藝的影響,進(jìn)行了以下一組對比試驗(yàn)。試驗(yàn)參數(shù)：加工電壓為10.2V;電解液是質(zhì)量濃度為50g/L的NaNO3溶液;電極絲的進(jìn)給速度為 0.5μm/s;線電極是直徑為20μm的鎢絲;工件是厚度為5mm的不銹鋼(304 SS);切割深度為1.5mm。采用不同的沖液速度對應(yīng)的切割縫寬大小如圖7所示。

圖7 沖液速度對縫寬的影響

從圖7可知,電解線切割的切縫寬度隨著沖液速度的增大而減小。狹長加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物、微小氫氣泡及電解熱主要靠沖液來排除。沖液速度越慢,加工區(qū)域聚積的電解產(chǎn)物、氫氣泡及電解熱就越多,加工的定域性就越差,切縫就越寬且不均勻。然而,更高的沖液速度必然引起更為劇烈的振動(dòng),所以,沖液速度的合理選取必須綜合考慮沖液所引起的振動(dòng)以及排屑效果對加工穩(wěn)定性的雙重影響。

3.5 電解線切割加工微型花鍵

采用最優(yōu)的參數(shù)組合在5mm厚的不銹鋼板上加工了實(shí)際中廣泛應(yīng)用的花鍵結(jié)構(gòu),以初步驗(yàn)證電解線切割實(shí)際加工高深寬比結(jié)構(gòu)的可行性和穩(wěn)定性。將線電極接電源負(fù)極,5mm厚的不銹鋼板(304SS)接電源正極;電源電壓為10.2V;電解液是10g/L的NaNO3溶液;電極絲的進(jìn)給速度為0.5μm/s;沖液速度為0.75m/s。電極絲進(jìn)給的路程為5.57mm,包絡(luò)出的花鍵結(jié)構(gòu)的切縫寬度在160μm左右,其深寬比將近 30,如圖 8所示。在加工進(jìn)行的全過程中沒有一次短路現(xiàn)象出現(xiàn),加工過程穩(wěn)定。

試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了用電解線切割結(jié)合沖液的方法在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的可行性。采用不同的加工參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)后表明,采用最優(yōu)的加工電壓、NaNO3電解液質(zhì)量濃度、電極絲進(jìn)給速度和沖液速度的參數(shù)組合進(jìn)行加工能夠有效地抑制電解加工中的雜散腐蝕,且加工過程穩(wěn)定,加工過程前后的一致性好;一次加工成形的表面質(zhì)量好,粗糙度Ra僅為0.5μm左右,優(yōu)于傳統(tǒng)的切削加工方法和一些熱加工技術(shù)。特別是和昂貴的慢走絲電火花機(jī)床相比,用沖液電解線切割方法獲得的加工質(zhì)量的代價(jià)是較低廉的,值得繼續(xù)深入研究。

圖8 微型花鍵結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)電解線切割加工厚不銹鋼板時(shí),存在電解產(chǎn)物無法順利排除,加工無法穩(wěn)定進(jìn)行的難題。本文設(shè)計(jì)的軸向沖液夾具將軸向沖液的方法引入到了電解線切割中,很好地解決了該難題。

(2)在自制的加工系統(tǒng)中,進(jìn)行了沖液電解線切割加工試驗(yàn)。通過試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),減小加工電壓、降低電解液濃度、提高電極絲進(jìn)給速度和增加沖液速度都能提高電解加工的定域蝕除能力,使切割縫寬變窄。但縫寬在縮小的同時(shí),電解產(chǎn)物排除變得困難,加工穩(wěn)定性變差。

(3)在5mm厚的不銹鋼板上穩(wěn)定地加工出了花鍵結(jié)構(gòu),該花鍵由縫寬為160μm,深寬比高達(dá)30的窄縫包絡(luò)而成。試驗(yàn)結(jié)果證明采用電解線切割在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)是可行的。本文為電解線切割這一電解加工新方法進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

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