復(fù)合超聲振動(dòng)的脈沖電流電解去毛刺試驗(yàn)研究

諸躍進(jìn)

(蘇州科技學(xué)院電子學(xué)院,江蘇蘇州215011)

噴油嘴針閥體噴孔加工后的去毛刺工藝主要包括液體擠壓研磨去毛刺、擠壓珩磨去毛刺和電解去毛刺等方法。目前,電解去毛刺作為一種有效的工藝方法,已被國內(nèi)部分油泵油嘴制造企業(yè)所采用。由于電解加工本身存在的雜散腐蝕效應(yīng)及形狀精度、尺寸精度不夠高等缺點(diǎn),用脈沖電流電解去毛刺工藝對(duì)針閥體噴孔進(jìn)行加工后,工件仍存在倒圓半徑最大值與最小值之差明顯、噴孔流量偏差上下限值之差較大等問題,且陰極的設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜。對(duì)照噴孔內(nèi)入口處毛刺有效去除、噴孔內(nèi)入口處孔口倒圓及壓力室容積變化最小等3項(xiàng)針閥體噴孔去毛刺質(zhì)量評(píng)價(jià)特征,提出采用超聲輔助振動(dòng)工具陰極的方法對(duì)針閥體噴孔進(jìn)行去毛刺加工。前人對(duì)采用曲柄滑塊機(jī)構(gòu)、音圈電機(jī)或直線電機(jī)實(shí)現(xiàn)陰極往復(fù)運(yùn)動(dòng)的試驗(yàn)和裝置已有研究,這些往復(fù)運(yùn)動(dòng)的陰極主要被用于電解加工或微細(xì)電解加工振動(dòng)進(jìn)給,而應(yīng)用于電解去毛刺的未見報(bào)道。本文應(yīng)用自行設(shè)計(jì)的超聲輔助振動(dòng)工具陰極對(duì)針閥體噴孔進(jìn)行了脈沖電流電解去毛刺的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)裝置

1.1 現(xiàn)行結(jié)構(gòu)

針閥體噴孔電解去毛刺示意圖見圖1。電解去毛刺工具由工具陰極和夾具組成,是電解去毛刺工作區(qū)的中心環(huán)節(jié)。它確定工件和陰極之間的相對(duì)位置,形成正確的極間流場(chǎng),并將加工電流導(dǎo)入極間加工間隙區(qū)?，F(xiàn)行工具采用了固定式陰極結(jié)構(gòu),用夾具來保持陰極和工件的同心,起到引電和引進(jìn)電解液的作用,電解去毛刺過程中工件和陰極之間沒有相對(duì)運(yùn)動(dòng)。電解液流向?yàn)檎魇?這種正流式陰極結(jié)構(gòu)中,電解液由高壓泵抽入陰極體后從出液孔(中孔)噴入去毛刺工作區(qū),再經(jīng)小噴孔流回電解液箱[1]。

圖1 電解去毛刺示意圖

這種工具陰極的設(shè)計(jì)要求為:①注意遮蔽技術(shù),以保證在高效去毛刺的同時(shí)保護(hù)工件陽極表面其他非毛刺部位原有的精度和表面質(zhì)量;②通過陰極體的電解液要有一定壓力,使電解液快速、均勻地沖刷加工部位,保證極間流場(chǎng)分布均勻、合理;③應(yīng)使加工區(qū)域獲得近似均勻的間隙。

陰極設(shè)計(jì)中,采用均勻縮小的方法,確定加工間隙后,設(shè)計(jì)陰極體工作部分直徑和出液孔直徑。圖2是一種針閥體噴孔去毛刺陰極結(jié)構(gòu)簡圖。

圖2 陰極結(jié)構(gòu)簡圖

陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造較復(fù)雜。使用中,固定式陰極結(jié)構(gòu)的陰極頭部件易損耗,使初始加工間隙隨陰極使用時(shí)間的延長而增大。

1.2 試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)

試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)采用超聲頻輔助振動(dòng)結(jié)構(gòu),利用金屬電化學(xué)陽極溶解去除工件毛刺。試驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)了移動(dòng)式陰極,正流式電解液流向。變幅桿深入到陰極,使陰極通過變幅桿與超聲發(fā)生器相連,同時(shí)工具陰極還需引入電解液,并接入電解加工電源負(fù)極。超聲輔助振動(dòng)的陰極結(jié)構(gòu)示意圖見圖3。

將工具陰極進(jìn)給并手動(dòng)確定加工間隙為 Δb,通過夾具保證其尺寸;接通脈沖電源前施加超聲輔助振動(dòng),設(shè)變幅桿雙振幅為 Δ1,得到初始加工間隙 Δ(Δ=Δb-Δ1/2)。設(shè)計(jì)了超聲頻發(fā)生器,其頻率為(20±4)kHz。加工電源采用微秒級(jí)脈沖電流電解加工電源[2]。

圖3 超聲輔助振動(dòng)的陰極結(jié)構(gòu)示意圖

試驗(yàn)裝置對(duì)陰極設(shè)計(jì)和制造的要求為:①陰極進(jìn)給使加工間隙為 Δb;②計(jì)算并設(shè)計(jì)施加超聲輔助振動(dòng)位移 Δ1/2;③陰極與工件尺寸配合要求降低;④陰極遮蔽的設(shè)計(jì)和制造要求降低。

2 工藝特點(diǎn)

采用超聲輔助振動(dòng)工具陰極對(duì)針閥體噴孔進(jìn)行脈沖電流電解去毛刺加工時(shí),電解液通過陰極出液孔噴入噴油嘴壓力室,工具陰極自身做超聲頻振動(dòng),形成初始加工間隙 Δ,施加脈沖電流,產(chǎn)生陽極溶解,從而去除毛刺,其中伴隨著微量火花放電作用。

超聲頻振動(dòng)頻率和振幅設(shè)計(jì)為可調(diào)。陽極的電解作用,可使用直流電壓,也可使用與工具陰極振蕩同步改變的脈沖加工電壓。

2.1 初始加工間隙小于單一電解去毛刺初始加工間隙

電解加工過程中存在極間間隙,且間隙內(nèi)的加工條件經(jīng)常發(fā)生變化,工具陰極無法通過溶解蝕除精確地進(jìn)行“復(fù)映”,存在間隙誤差。

文獻(xiàn)[3]給出了工件被加工表面的法向腐蝕速度的基本公式及電解加工極間間隙Δb:

式中:η為電流效率;ω為體積電化當(dāng)量;i為電流密度;κ為電解液的電導(dǎo)率;Δb為電解加工間隙;U為陰、陽極間的電壓;δ E為陰、陽極電極電位值總和;υ為工件被加工表面法線方向上的溶解速度。

由式(2)得到極間間隙公式的全微分式:

式中:UR為極間歐姆壓降,UR=U-δ E。

從式(3)可看出,影響間隙誤差的參數(shù)首要的是間隙自身的大小,然后是加工電壓、電導(dǎo)率等。試驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)初始加工間隙為 Δ=Δb-Δ1/2,Δ小于單一電解去毛刺時(shí)的初始加工間隙Δb,對(duì)于減小間隙誤差是非常有利的。由式(2)可知,在達(dá)到同樣的電解加工速度要求下,當(dāng)極間間隙值小時(shí),則可選加工電壓低,同樣對(duì)于減小間隙誤差是有利的。

間隙誤差減小,即陰極“復(fù)映”能力提高,對(duì)噴孔內(nèi)入口處倒圓半徑的控制能力有所提高,從而使形成圓弧大小不均的現(xiàn)象得以改善,有利于減小噴孔流量分散度。

在陽極溶解過程中,極間電壓一定時(shí),極間間隙Δ越小,則電流密度 i越大。電流密度對(duì)電解加工表面粗糙度的影響非常敏感,隨著加工電流密度的提高,表面粗糙度Ra值迅速降低。

電解加工間隙中的電場(chǎng)分布見圖4[3]。圖中,φ為電場(chǎng)中各點(diǎn)的電位;U為陽極表面電位值;n為陽極表面各處的法向坐標(biāo);θ為υ與陽極表面法向之間的夾角;η0為 θ=0°處的電流效率;i0為 θ=0°處陽極表面法向上的電流密度。圖4大致繪出了電流線和等位面,以形象地描述間隙電場(chǎng)中的電位與電流密度分布。由圖4分析可知:反映電場(chǎng)強(qiáng)度的電力線主要集中在陽極(工件)的加工區(qū),但在其周圍的非加工區(qū)域也始終存在電力線的分布,從而使非加工區(qū)域發(fā)生不同程度的電解反應(yīng),導(dǎo)致雜散腐蝕的產(chǎn)生,最終影響壓力室尺寸。

圖4 電解加工間隙中的電場(chǎng)分布

當(dāng)初始間隙為 Δ=Δb-Δ1/2時(shí),壓力室非加工區(qū)域與工具陰極的距離相對(duì)于孔口毛刺與工具陰極的極間間隙而言,數(shù)值大得多,因而雙電層充電時(shí)間常數(shù)很大。當(dāng)采用高頻電源加工時(shí),雙電層充電不能完成,使壓力室非加工區(qū)域與工具陰極間電位極低,從而使壓力室非加工區(qū)的去除量極小。而當(dāng) Δ=Δb+Δ1/2時(shí),這一距離數(shù)值更大,這時(shí)對(duì)壓力室非加工區(qū)的去除量更小。

2.2 陰極振動(dòng)對(duì)加工間隙中的電解液起攪拌作用

采用超聲輔助振動(dòng)結(jié)構(gòu),陰極將電解液向壓力室噴射的同時(shí),伴隨有如圖3所示振動(dòng)方向的振動(dòng)。當(dāng)陰極振動(dòng)靠近工件時(shí)通電,實(shí)現(xiàn)小間隙加工;隨后陰極斷電離開工件,拉大間隙進(jìn)行沖液。這種振動(dòng)狀態(tài)起到了對(duì)加工間隙中電解液的攪拌作用,其攪拌作用具有以下特點(diǎn):

(1)有利于改善流場(chǎng)

攪拌作用對(duì)加工間隙的沖刷,具有防止間隙中空穴現(xiàn)象及渦流區(qū)、死水區(qū)產(chǎn)生的作用,使間隙中電解液流動(dòng)均勻性得到改善。

攪拌作用的存在也使電解液獲得周期性更新,促進(jìn)電解產(chǎn)物(溶解的金屬、析出的氫氣及電解過程中所產(chǎn)生的熱量)及時(shí)排除,進(jìn)而使小初始間隙加工能穩(wěn)定地進(jìn)行。

(2)有利于電導(dǎo)率分布趨于均勻

電解加工中,電導(dǎo)率通常沿流程逐漸變化。陰極的高速回退會(huì)對(duì)加工間隙中的電解液形成抽吸作用,振動(dòng)沖刷也使間隙中電解液流動(dòng)趨于均勻。這促使了間隙中電解液流動(dòng)形式的改變,從而使氫氣泡在加工間隙分布產(chǎn)生變化。同時(shí),電解液周期性更新改善了間隙中的排泄條件,也使沿流程電解液溫度改變產(chǎn)生了變化。間隙中氫氣泡、電解液溫度產(chǎn)生的變化,促使加工間隙中電解液的電導(dǎo)率分布趨于均勻。

3 試驗(yàn)結(jié)果

試驗(yàn)分別采用脈沖電流電解去毛刺工藝和復(fù)合超聲振動(dòng)的脈沖電流電解去毛刺工藝對(duì)針閥體噴孔進(jìn)行加工,通過倒圓半徑數(shù)據(jù)和噴孔流量數(shù)據(jù),比較兩種工藝下對(duì)噴孔內(nèi)入口處倒圓半徑的控制能力和噴孔流量分散度。

工藝參數(shù)選取:電解液為NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的溶液,電解液在進(jìn)液口處的溫度為25.5℃,pH值為7.0。

未加超聲輔助振動(dòng)的數(shù)據(jù)來自前期研究試驗(yàn)[4]。倒圓試驗(yàn)時(shí)取初始間隙 Δb=0.15 mm,脈沖電源 f=20 kHz、D=0.5,加工電壓為18 V;流量測(cè)量時(shí)取初始間隙 Δb=0.15 mm,D=0.25,脈寬10 μ s,加工時(shí)間 5 s。

加超聲輔助振動(dòng)時(shí)的工藝參數(shù)和脈沖電源參數(shù)選取同上,加工電壓為13.5 V,陰極振動(dòng)頻率的選取與脈沖電源頻率同步。試件來自未加超聲輔助振動(dòng)試驗(yàn)的同批次工件。

3.1 倒圓試驗(yàn)

加超聲輔助振動(dòng)和未加超聲輔助振動(dòng)時(shí)的倒圓半徑試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。表2是由表1得到的兩種加工條件下的倒圓半徑分析,其中,MIN為最小圓弧半徑,MAX為最大圓弧半徑,X為平均值,R為最大值與最小值之差。

表1 兩種加工條件下的倒圓半徑 mm

表2 圓弧半徑分析 mm

加超聲輔助振動(dòng)與未加超聲輔助振動(dòng)時(shí)的加工條件相比,加超聲輔助振動(dòng)時(shí)的初始間隙為 Δ=Δb-Δ1/2,較后者的初始間隙小,其倒圓半徑最大值與最小值之差為0.003 mm,較后者小。

3.2 流量測(cè)試

選取14個(gè)試件進(jìn)行復(fù)合超聲振動(dòng)的脈沖電流電解去毛刺加工。油測(cè)流量數(shù)據(jù)見表3。

表3 加超聲輔助振動(dòng)條件的針閥體噴孔電解去毛刺后噴孔流量測(cè)定 L/min

對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,可得:

平均流量

流量偏差

前期研究試驗(yàn)中對(duì)噴孔流量測(cè)試數(shù)據(jù)的分析結(jié)果為:

平均流量

流量偏差

加超聲輔助振動(dòng)和未加超聲輔助振動(dòng)條件下,脈沖電流電解去毛刺的針閥體噴孔流量分布曲線見圖5。通過分析可知,前者流量偏差上、下限值之差小于后者,而兩者流量平均值變化不明顯。

圖5 流量分布曲線

4 結(jié)論

本文提出采用超聲輔助振動(dòng)工具陰極進(jìn)行小初始加工間隙電解去毛刺加工,通過倒圓半徑測(cè)試和流量測(cè)試,得出以下結(jié)論。

(1)采用復(fù)合超聲振動(dòng)的脈沖電流電解去毛刺工藝,使針閥體噴孔倒圓半徑最大值與最小值之差進(jìn)一步減小,即對(duì)噴孔內(nèi)入口處倒圓半徑的控制能力有所提高。

(2)由于去毛刺的同時(shí)對(duì)噴孔內(nèi)入口處倒圓半徑控制能力的提高,從而使流量偏差上、下限值之差有所減小,即流量分散度有所減小。

(3)采用設(shè)計(jì)和制造均相對(duì)簡單的陰極,較采用固定式陰極結(jié)構(gòu)時(shí)的針閥體噴孔流量平均值變化不明顯。

[1] 章成軍.電解加工原理及應(yīng)用[J].現(xiàn)代車用動(dòng)力,2003(2):46-48.

[2] 諸躍進(jìn),馮青.一種微秒級(jí)脈沖電解加工工程化電源研制[J].電加工與模具,2010(1):61-66.

[3] 朱樹敏,陳遠(yuǎn)龍.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.

[4] 諸躍進(jìn),朱音,馮青.針閥體噴孔脈沖電流電解去毛刺技術(shù)研究[J].電加工與模具,2011(1):49-54.