管狀電極電解小孔變壓力場研究

李兆龍,韋東波,狄士春,呂鵬翔,孫術(shù)發(fā)

(哈爾濱工業(yè)大學機電工程學院,黑龍江 哈爾濱 150001)

電解加工是基于電化學作用原理而去除材料的加工技術(shù)[1],它具有許多獨特的優(yōu)點,如無工具損耗、與材料硬度無關(guān)、生產(chǎn)率高、表面質(zhì)量好、可加工三維復雜形狀等[2],現(xiàn)已成為國防工業(yè)尤其是航空航天發(fā)動機生產(chǎn)的重要加工手段,電解小孔是其重要的應用之一[3]。電解加工過程由于受到極間電場、電解液流場和電化學等多因素的綜合影響[4-5],使電解加工小孔精度控制變得尤為困難。因此,如何提高電解加工小孔形狀精度,成為電解加工制造航空發(fā)動機葉片散熱孔的關(guān)鍵技術(shù)[6]。

本文通過電解液壓力的變化,改變管狀電極電解加工小孔間隙內(nèi)的流場,分析流場變化對電解加工小孔形狀精度及間隙電流的影響規(guī)律。

1 試驗設(shè)計及設(shè)備

在大量管狀電極脈沖電解加工小孔試驗的基礎(chǔ)上,分析加工深度和電解液壓力的關(guān)系對小孔加工形狀精度的影響。隨著電解小孔加工深度的增加,分段式提高電解液壓力,通過分析電解液壓力變化對孔徑大小及電解電流變化的影響,再與恒定電解液壓力電解加工小孔進行對比,分析電解加工間隙內(nèi)流場變化對小孔形狀精度的影響。

試驗在自行研制的脈沖電解加工機床上進行。試驗裝置包括工作臺、電解液流動系統(tǒng)、脈沖電源等,加工示意圖見圖1。采用直徑2.1mm的管狀工具電極,外部覆有絕緣層,電解液為硫酸與氯化鈉混合溶液。

2 加工間隙壓力分析

圖1 加工示意圖

圖2是在不考慮量程損耗的情況下,工具電極出口端壓力 P1為泵的輸出壓力,工件底部壓力為P2:

式中:R為加工孔直徑,R1為工具電極外徑;h為加工深度(h=tv,t為加工時間);v為工具電極進給速度;ρ為電解液密度。工件底部壓力P2受 R、t、v的共同作用。

圖2 加工間隙壓力分布圖

電解液壓力的變化引起工具電極與工件之間的流場發(fā)生變化(圖3)。分別采用不同工具電極進給速度,工具電極出口端壓力從2.4 MPa增加到3.0 MPa,加工孔徑也隨之變化。當電極出口端壓力增加后,電解液流速增加,電極與工件的加工間隙內(nèi)的電解副產(chǎn)物——電解熱,隨著電解液的更新頻率增加而減少,提高了電解液電導率,工具電極前端電流密度增加。因此,可得出提高電解液壓力能提高管狀電極脈沖電解加工的定域性。

圖3 孔直徑隨壓力變化圖

隨著加工深度h不斷增加,工件底部壓力P2也不斷變化,由于加工間隙內(nèi)壓力差(P1-P2)發(fā)生改變,間隙內(nèi)流場也發(fā)生了改變。圖4和圖5的工具電極進給速度分別為0.96、1.20mm/min,圖中實線為恒壓力脈沖電解孔徑的變化曲線,虛線為變壓力脈沖電解孔徑的變化曲線。

圖4 速度0.96mm/min時孔徑變化對比圖

圖5 速度1.20mm/min時孔徑變化對比圖

分析得出:采用恒壓脈沖電解加工時,孔徑隨著深度的增加而增加;當壓力隨著加工深度的增加而增加時,孔徑隨著深度的增加而減小。根據(jù)多組試驗數(shù)據(jù)計算得出,壓力增加時,孔徑隨深度增加的變化公式為:

式中:α為工具電極速度影響因子。它與工具電極進給速度的關(guān)系為:

將式(3)代入式(2),可得:

式(4)是在固定工藝參數(shù)條件下,電解液壓力、孔深度對孔徑的影響公式。圖6是電解加工孔實物剖面圖。

圖6 電解加工孔實物剖面圖

隨著加工孔深度的增加,孔底部的背壓不斷增加,(P1-P2)壓差隨之減小,陽極溶解的金屬廢物、陰極表面產(chǎn)生氣泡的排除阻力增大,因此,工具電極前端的溶解率降低?？椎膫?cè)面間隙主要受到電極端面外圍部分的電場作用,總電流不變,前端電流減小,所以側(cè)面電流升高。而隨著加工深度的增加,不斷提高電解液進口壓力 P1,導致(P1-P2)壓差隨之增加,可提高排除間隙內(nèi)產(chǎn)生金屬廢物、氣泡的能力。因此,工具電極前端的溶解率提高,總電流不變,側(cè)面電流降低,提高了加工孔的定域性。

3 加工間隙電流分析

電解加工過程中,隨著工件材料的不斷溶解,電極進入工件內(nèi)部,在工具電極端面與工件間隙間產(chǎn)生的金屬廢物、氣泡、熔解熱等因素,都影響著間隙電解液電導率。隨著電解加工的不斷進行,管壁與工件側(cè)面間隙內(nèi)電解液流程不斷增加,電解液在流程內(nèi)受到的阻力也隨之增大,導致工具電極前端間隙內(nèi)的金屬廢物、氣泡、熔解熱更新能力不斷降低,引起前端間隙內(nèi)電解液電導率降低。

圖7和圖8分別是不同參數(shù)下,電流隨壓力增加的變化圖。由圖可知,隨著加工深度的不斷增加,電解液壓力的增加引起加工電流的增加,這是因為:電解液壓力不斷增加,加快了加工間隙內(nèi)電解液的流動速度,使間隙內(nèi)部電解液的動能增加,有利于克服電解液在流程內(nèi)受到的阻力,使間隙間的金屬廢物、氣泡、熔解熱不斷地被排除,提高間隙內(nèi)電解液電導率。

圖7 速度0.96mm/min時電流變化示意圖

圖8 速度1.2mm/min時電流變化示意圖

4 結(jié)論

(1)隨著電解小孔加工深度的增加,分段式提高電解液壓力,可提高管狀電極脈沖電解加工的定域性;

(2)在固定工藝參數(shù)條件下,隨著電解液壓力的增加,孔徑隨深度增加的變化公式為:R=3.799×e(0.30v-0.03h)。

(3)提高電解液壓力使間隙內(nèi)部電解液的動能增加,有利于克服電解液在流程內(nèi)受到的阻力,使間隙間的金屬廢物、氣泡、熔解熱不斷地被排除,提高間隙內(nèi)電解液電導率。

[1]徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學加工技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2001.

[2]朱荻.國外電解加工的研究進展[J].電加工與模具,2000(1):11-16.

[3]徐家文,王建業(yè),田繼安.21世紀初電解加工的發(fā)展和應用[J].電加工與模具,2001(6):1-5.

[4]Sharma S,Jain V K,Shekhar R.Electrochemical drilling of inconel superalloy with acidified sodium chloride electrolyte[J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology,2002,19(7):492-500.

[5]Bilgi D S,Jain V K,Shekhar R,et al.Electrochemical deep hole drilling in super alloy for turbine application[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1-3):445-452.

[6]錢密,徐家文.電解加工間隙中的傳質(zhì)過程及其對電解加工的影響[J].機械設(shè)計與制造,2006(4):94-96.