毛細管電極電液束加工微小孔試驗研究

賈繼欣,曲寧松,房曉龍,曾永彬

(南京航空航天大學江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室,江蘇南京 210016)

常見的孔電解加工工藝包括:管電極電解加工、電化學射流加工和掩膜電解加工等。電化學射流加工(Electrochemical Jet Machining,ECJM)是指利用具有一定壓力的電解液經(jīng)“負極化”帶電后射向加工工件,實現(xiàn)去除加工的工藝方法。按實施工藝的不同可分為CD,ESD和JED等[4-5]。ECJM一般采用酸性電解液和較高的加工電壓[6],其特點為加工孔徑小于成形管電極電解加工,還能達到較大的深徑比。其中電液束加工(ESD)方法最早是美國通用電氣(GE)公司應用于加工航空發(fā)動機渦輪葉片的冷卻孔(孔徑一般為0.15～1 mm,深徑比最大達50∶1)[1]。其后,英國、法國、德國、日本也相繼開始研究并逐漸在深小孔加工中得到應用。波蘭學者J.Kozak[7]等人利用有限差分方法,建立了電液束加工過程中加工參數(shù)和材料去除率之間相互影響關系的數(shù)學模型,并通過試驗驗證了模型的正確性。印度的Mohan Sen[8-9]等人做了一系列關于電液束打孔的實驗研究,為了減小加工小孔的錐度,提出了利用犧牲層減小小孔錐度和提高加工精度的方法。國內(nèi)研究主要是以北京航空制造工程研究所為典型代表,已在加工工藝和玻璃管噴嘴制造技術上取得了重大突破。

國內(nèi)外電液束加工研究均采用了HNO3、H2SO4等酸性電解液。酸性電解液可及時地溶解電解加工過程中產(chǎn)生的沉淀物,避免電解產(chǎn)物堵塞毛細管。但是大大增加了加工設備、機床維護等方面的成本,同時增加了對環(huán)境的污染。本文提出了利用NaNO3中性鹽溶液進行電液束小孔加工的工藝方法,利用外徑163μm,內(nèi)徑100μm的石英毛細管,在厚度為0.5mm的不銹鋼片上進行了基礎試驗研究,并在此基礎上優(yōu)化參數(shù),成功地在1mm的不銹鋼片上加工出了直徑300μm左右的微小孔。

1 電液束加工小孔原理及試驗裝置

1.1 電液束加工小孔原理

圖1為電液束小孔加工的原理示意圖。具有較高壓力的電解液被壓入裝夾在專用夾具上的密封毛細管內(nèi),然后從毛細管端部高速射向工件。在工件和工具陰極上施加較高的電壓,當電解液通過陰極時,使電解液束流“陰極化”而帶負電,從而實現(xiàn)工件的“切削”加工[1,7-8]。實驗所用毛細管為石英材料,絕緣性能良好,并可承受很高的電解液壓力。圖中1為定位塊,材料為鈦合金,除用來固定毛細管外,同時還作為陰極為加工提供電場。絕緣層是防止高速噴出的電解液噴射到工件上形成反射流,反射到陰極底部,在工件和陰極之間產(chǎn)生火花放電,影響加工的穩(wěn)定性。

圖1 電液束加工小孔原理示意圖

1.2 試驗裝置

試驗以自行研制的電解加工機床為操作平臺,進行毛細管電極電液束加工微小孔試驗研究。裝置示意圖見圖2。

圖2 試驗裝置示意圖

裝置的主要組成部分包括:①直流電源;②進給系統(tǒng);③毛細管電極系統(tǒng);④加工控制與檢測系統(tǒng);⑤電解液循環(huán)系統(tǒng)。直流電源額定電壓為300 V,額定電流為5 A。利用高壓微量泵將電解液壓入到陰極夾具中,并通過毛細管噴向工件。工件通過夾具安裝在X軸上,可通過計算機控制機床X軸,調(diào)整工件與毛細管端部的加工間隙及實現(xiàn)進給加工。Y軸、Z軸可實現(xiàn)毛細管對工件的不同位置進行加工。

2 試驗結(jié)果與分析

微細加工的目的是獲得符合形狀和精度要求的微小尺寸零件。此外,還要求有高的加工效率和好的表面質(zhì)量[1]。因此,試驗從影響加工的速度、精度等因素入手,分析了加工電壓、進給速度等加工參數(shù)對小孔的影響。孔徑的測量采用Mitutoyo工業(yè)測量顯微鏡,測量精度為0.1μm。文中均采用了孔的入口直徑來分析。加工效率通過加工時間反應。實驗中其他加工參數(shù)保持不變,見表1。

表1 實驗加工參數(shù)

2.1 初始間隙對孔的質(zhì)量的影響

由于影響加工精度的核心工藝參數(shù)是加工間隙[1],因此我們首先研究了初始間隙對加工精度和加工效率的影響。

采用NaNO3質(zhì)量分數(shù)為15%的電解液。在電解液壓力0.5 MPa,加工電壓為300 V進給速度2μm/s的條件下,得到如圖3所示的試驗規(guī)律。

圖3 初始間隙對加工小孔的影響

試驗中發(fā)現(xiàn),加工間隙對加工孔的形狀影響十分明顯。從圖3中可看出,在小間隙(0.1 mm)加工條件下,具有很高的加工效率和尺寸精度,但孔圓度誤差較大,形狀精度較差。這是因為初始間隙過小,束流從毛細管噴射出來會淤積在加工區(qū)域,致使后續(xù)束流壓力降低,束流的形狀有所改變,影響加工出的小孔形狀。另一方面,采用大間隙(1 mm)加工條件下,由于加工間隙增加,使陰、陽極之間的電阻變大,導致電流密度減小,加工效率降低。大間隙也使雜散腐蝕情況加重,因此小孔直徑有所增大。另外,在大間隙條件下,束流的發(fā)散影響較為突出,也會導致加工孔徑的增大。圖4為加工效果圖。從圖中的圓度誤差分析可看出,在初始間隙為0.3 mm時,加工的孔具有較好的形狀精度,因此,后續(xù)試驗中我們采用的初始間隙固定為0.3mm。

2.2 加工電壓對孔質(zhì)量的影響

在其余加工參數(shù)保持不變的情況下,理論上加工電壓與電流密度成正比,而電流密度大小直接影響工件材料的去除量和材料的去除速度[1]。圖5為在電解液壓力0.5 MPa、初始間隙0.3mm、進給速度2μm/s的條件下,不同加工電壓對加工孔徑和加工時間的影響規(guī)律。

圖4 不同初始間隙下加工小孔圖

圖5 加工電壓對加工小孔的影響

從圖5可看出,隨著加工電壓的升高,加工時間不斷縮短,材料去除率提高,加工孔徑也隨之增大。這是因為根據(jù)法拉第定律:

式中:V為陽極金屬溶解的體積;ω為體積電化學當量;i為電流密度;A為加工面積;t為加工時間。加工時間、體積電化學當量都不變,電流密度與加工電壓成正比。

2.3 電解液壓力對孔的質(zhì)量的影響

由于電液束加工是在束流的強大壓力噴向工件的同時,在工件和陰極之間施加電場來蝕除材料,從而實現(xiàn)對工件的加工。因此,有必要研究電解液壓力對所加工小孔的影響。在加工電壓300 V、初始間隙0.3mm、進給速度2μm/s的條件下,改變電解液壓力進行試驗。

圖6為在不同電解液壓力下,加工孔時間和孔徑變化的曲線圖。從圖中可看出,隨著電解液壓力的增加,加工時間有所降低,然后趨于到一個穩(wěn)定值,而孔的直徑改變不是很明顯。這是因為隨著電解液壓力的增加,電解液的流速也增加,從而更有利于電解產(chǎn)物的排出,增加材料蝕除率,減少加工時間;由于管徑的限制,在一定的電解液壓力范圍內(nèi),束流的直徑變化不大,而只有在束流區(qū)域內(nèi)的工件材料,其表面才有可能達到它的蝕除電位[5]。因此,孔的直徑改變不是很大。

圖6 電解液壓力對加工小孔的影響

2.4 進給速度對孔的質(zhì)量的影響

進給速度的選擇對加工孔的影響規(guī)律見圖7。試驗采用加工電壓300 V,電解液壓力0.5 MPa,初始間隙0.3 mm。

圖7 進給速度對加工小孔的影響

從圖7可看出,隨著進給速度的提高,加工時間顯著縮短,入口直徑也有所減小。這是由于提高進給速度可減小極間距離,提高電流密度,從而提高蝕除效率,縮短加工時間。另一方面,加工間隙的縮小也有利于提高電解加工的集中蝕除能力,減小雜散腐蝕,提高加工精度,從而減小加工孔徑的大小。

值得注意的是,進給速度的提高是有一定限度的。當進給速度大于陽極溶解速度時,將導致加工間隙的不斷減小,甚至可能發(fā)生毛細管與工件的碰撞,造成毛細管的破碎,致使加工終止。

2.5 優(yōu)化參數(shù)下加工1mm深的微孔

由以上分析可得,電液束加工小孔質(zhì)量主要受加工電壓、進給速度以及初始間隙的影響。我們在1mm厚的不銹鋼片上,選用300 V電壓、0.5 MPa電解液壓力、2μm/s進給速度、0.3 mm初始間隙進行加工試驗,成功加工出了直徑在300μm左右的小孔結(jié)構(gòu)。圖8為孔的剖面結(jié)構(gòu)圖。

圖8 小孔剖面圖

3 結(jié)論

本文通過進行電液束加工微小孔的試驗得出以下結(jié)論:

(1)采用NaNO3中性鹽溶液進行電液束加工,試驗過程基本穩(wěn)定,無火花放電和短路現(xiàn)象發(fā)生。

(2)加工電壓、進給速度、初始加工間隙對孔的加工效率和加工精度有著顯著的影響。減小加工電壓和初始加工間隙及增大進給速度,均可減小被加工孔的直徑,提高加工精度。

(3)初始間隙對孔的精度影響最為顯著,加工間隙過小,孔形狀精度較差;初始間隙過大,孔尺寸精度較差。

(4)采用以下參數(shù):加工電壓300 V,電解液壓力 0.5MPa,進給速度2μm/s,初始間隙0.3 mm,可以獲得高質(zhì)量的微小孔。

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