工件低頻振動(dòng)對(duì)微細(xì)電解加工材料蝕除速度的影響

陳華清,劉 壯,李乃武,張文豹

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

電解加工是使作為陽(yáng)極的金屬工件在電解液中進(jìn)行陽(yáng)極溶解而實(shí)現(xiàn)去除材料,最終達(dá)到所需工件形狀的工藝過(guò)程[1]。電解加工具有被加工材料不受其強(qiáng)度、硬度及韌性的限制,加工效率高、表面質(zhì)量好,加工過(guò)程中理論上沒(méi)有工具損耗,不存在機(jī)械殘余應(yīng)力等諸多優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),在傳統(tǒng)加工方法難以實(shí)現(xiàn)加工的航空航天、兵器零部件等加工領(lǐng)域,電解加工發(fā)揮著日益重要的作用。

在微細(xì)電解加工過(guò)程中,由于微小加工間隙內(nèi)電解液更新困難,電解產(chǎn)物難以順利排出,使加工無(wú)法正常進(jìn)行。以微小孔電解加工為例,由于加工間隙較小,其中的流場(chǎng)條件惡劣,造成電解產(chǎn)物難以及時(shí)排出,阻礙了電解液的更新,常導(dǎo)致短路發(fā)生,嚴(yán)重影響加工的穩(wěn)定性,降低了加工效率[2]。針對(duì)這一問(wèn)題,國(guó)外一些學(xué)者引入工具電極振動(dòng)的方法進(jìn)行電解加工試驗(yàn)研究,結(jié)果表明此種方法在一定程度上改善了電解加工的定域性,提高了材料去除率[3-5]。國(guó)內(nèi)學(xué)者則進(jìn)行了超聲頻振動(dòng)的微細(xì)復(fù)合電解加工試驗(yàn),結(jié)果表明這一方法有助于消除加工中的電解鈍化,提高了微小孔的加工深度[6]。

通過(guò)自行設(shè)計(jì)的電磁驅(qū)動(dòng)式低頻振動(dòng)裝置,將工件低頻振動(dòng)引入到微細(xì)電解加工實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行了振動(dòng)頻率在 0～200 Hz、振幅在 0～14μm 的一系列低頻振動(dòng)的微小孔電解加工實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,相比非振動(dòng)情況,工件低頻振動(dòng)對(duì)微小孔電解加工的材料蝕除速度起到了較顯著的改善作用。

1 實(shí)驗(yàn)裝置條件

實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。在自行研制的微細(xì)電解加工機(jī)床上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),采用Labview軟件控制機(jī)床主軸進(jìn)給,運(yùn)行時(shí)軟件發(fā)出的控制信號(hào)通過(guò)PCI-7340運(yùn)動(dòng)控制卡、電路控制柜傳遞至垂直方向與機(jī)床主軸相連的Z軸步進(jìn)電機(jī),通過(guò)Z軸步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)床主軸進(jìn)給。Z軸步進(jìn)電機(jī)與進(jìn)給組合之間運(yùn)用諧波減速器連接,這樣可實(shí)現(xiàn)自鎖,防止斷電時(shí)滾動(dòng)導(dǎo)軌副上的主軸受重力作用下滑。

圖1 加工裝置示意圖

低頻振動(dòng)裝置見(jiàn)圖2。線圈與電解槽連接后共同固定在柔性梁上,可進(jìn)行垂直方向的運(yùn)動(dòng),柔性梁底端固定在底座上。線圈中插入一圓柱形永磁體,永磁體側(cè)壁與線圈內(nèi)壁保持1mm間隙而不接觸,該永磁體也固定在底座上。根據(jù)電磁激振原理,當(dāng)帶功率輸出的信號(hào)發(fā)生器給線圈輸入交變正弦電流時(shí),產(chǎn)生交變磁場(chǎng),該交變磁場(chǎng)與永磁體產(chǎn)生的磁場(chǎng)發(fā)生作用。由于永磁體固定,線圈與電解槽可動(dòng),因此該磁場(chǎng)推動(dòng)線圈與電解槽一起做豎直方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng),進(jìn)而驅(qū)動(dòng)電解槽中的工件做豎直方向的簡(jiǎn)諧振動(dòng)。電解加工實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖2 低頻振動(dòng)裝置示意圖

2 實(shí)驗(yàn)原理分析

圖3 加工裝置實(shí)物圖

本實(shí)驗(yàn)基于以下兩個(gè)假設(shè)條件:一是低頻振動(dòng)裝置中,工件在正弦交變電壓的驅(qū)動(dòng)作用下做簡(jiǎn)諧振動(dòng);二是工件表面在上下往復(fù)振動(dòng)過(guò)程中始終處于水平方向。

2.1 工件運(yùn)動(dòng)分析

整個(gè)加工過(guò)程中,工件及工具電極的運(yùn)動(dòng)示意圖見(jiàn)圖2。加工時(shí),工具電極以給定的速度由上向下垂直于工件表面進(jìn)給,與此同時(shí),工件在正弦交變電壓信號(hào)驅(qū)動(dòng)下作垂直方向的簡(jiǎn)諧運(yùn)動(dòng),工件運(yùn)動(dòng)規(guī)律見(jiàn)圖4。

設(shè)振幅值為A,振動(dòng)頻率為f,初始相位為φ,令ω=2π f,則工件在任意時(shí)刻t的位移方程為:

速度方程為:

圖4 工件運(yùn)動(dòng)規(guī)律示意圖

加速度方程為:

2.2 工具電極進(jìn)給速度與材料蝕除速度分析

電解加工穩(wěn)定進(jìn)行時(shí),工具電極的進(jìn)給速度應(yīng)等于陽(yáng)極金屬(工件)的溶解速度。設(shè)單位時(shí)間t內(nèi)加工孔的體積量為V,孔的面積為S,陽(yáng)極金屬(工件)的溶解速度為va,則有:

考慮實(shí)際電解加工條件下的電流效率,有:

式中:va為陽(yáng)極金屬的溶解速度,mm/min;η為電流效率;ω為體積電化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A?min);I為電流強(qiáng)度,A;i為電流密度,A/mm2。

實(shí)際實(shí)驗(yàn)中,由于工件一直在做簡(jiǎn)諧振動(dòng),影響到電解加工區(qū)域內(nèi)的流場(chǎng)與電場(chǎng)條件,使相關(guān)的參數(shù)難以求得準(zhǔn)確值。因此,實(shí)驗(yàn)中認(rèn)為電解加工在不發(fā)生短路的情況下,工具電極的最大進(jìn)給速度即為電解加工速度。

理論上,電解加工中的材料蝕除速度可根據(jù)法拉第定律由以下公式確定:

式中:MRR為材料蝕除速度,mg/min;ρ為工件的密度,mg/mm3;ω為體積電化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A?min);I為電流強(qiáng)度,A;η為電流效率;F為法拉第常數(shù)(96485 C/mol)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算,同時(shí)更趨近于實(shí)際加工實(shí)驗(yàn)的情況,實(shí)際電解加工材料蝕除速度MRRV的計(jì)算由下式給出:

式中:M為工件加工質(zhì)量,mg;t為加工時(shí)間,min;V為工件加工體積,mm3;ρ為工件密度,mg/mm3。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 加工條件

為進(jìn)一步探索工件低頻振動(dòng)輔助對(duì)電解加工材料蝕除速度的影響,本實(shí)驗(yàn)選擇在較寬范圍的加工參數(shù)下進(jìn)行多組微小孔電解加工實(shí)驗(yàn)。由于設(shè)計(jì)的電解槽容量有限,為減小加工電解產(chǎn)物對(duì)電解液的影響,采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)5%的NaNO3+0.8%的EDTA二鈉作為電解液,其中EDTA二鈉作為絡(luò)合劑用來(lái)絡(luò)合加工過(guò)程中產(chǎn)生的Fe(OH)3沉淀。工件材料為奧氏體不銹鋼1Cr18Ni9Ti,長(zhǎng)、寬、厚尺寸分別為20、30、0.5mm。所有實(shí)驗(yàn)的加工電源參數(shù)均為電壓6 V,脈沖頻率2 kHz,脈沖占空比50%,對(duì)刀時(shí)采用1 V直流電源。工件振動(dòng)頻率為0～200 Hz可選,具體值為0 、50、100、150、200 Hz,工件的振動(dòng)幅度為 0～ 14μm 可選,具體值為 0、3、4、5、6、7、8 、10、12、14μm。為減小實(shí)際電解加工中因電極損耗而產(chǎn)生的影響,實(shí)驗(yàn)中采用的電極直徑為160μm,振動(dòng)頻率分別為 0 、50 、100、150、200 Hz,其中振動(dòng)頻率 0 為非振動(dòng)的對(duì)照實(shí)驗(yàn)。加工前,電極的側(cè)壁統(tǒng)一做氣相沉積絕緣處理,絕緣層的厚度約為5μm。

3.2 非振動(dòng)與振動(dòng)加工結(jié)果對(duì)比

圖5 不同振動(dòng)參數(shù)下所加工的微小孔入口

圖5分別是非振動(dòng) 、頻率/振幅為50 Hz/10μm、100 Hz/10μm、150 Hz/7μm 條件下 ,電極直徑為 160μm時(shí)所加工的微小孔入口圖。不難發(fā)現(xiàn),相對(duì)非振動(dòng)情況,低頻振動(dòng)可減小微小孔入口處的雜散腐蝕現(xiàn)象,從而對(duì)提高微小孔入口處電解加工定域性有一定的作用。實(shí)驗(yàn)中,低頻振動(dòng)對(duì)微小孔入口處電解加工定域性的提高作用在振動(dòng)頻率為50、100 Hz時(shí)表現(xiàn)得尤為顯著。

3.3 振幅對(duì)材料蝕除速度的影響

電解加工中材料蝕除速度(MRR)的大小很大程度上反映了電解加工效率的高低。本實(shí)驗(yàn)將非振動(dòng)情況下的電解加工材料蝕除速度作為對(duì)照組,其數(shù)值為0.0062 mg/min,其他不同振幅條件下的電解加工材料蝕除速度的數(shù)據(jù)分別見(jiàn)表1～表4,對(duì)應(yīng)于這些數(shù)據(jù)的材料蝕除速度變化見(jiàn)圖6。

表1 振動(dòng)頻率50Hz時(shí)的材料蝕除速度

表2 振動(dòng)頻率100 Hz時(shí)的材料蝕除速度

表3 振動(dòng)頻率150 Hz時(shí)的材料蝕除速度

表4 振動(dòng)頻率200 Hz時(shí)的材料蝕除速度

圖6 振幅對(duì)材料蝕除速度的影響

首先,相對(duì)于非振動(dòng)情況,低頻振動(dòng)可明顯提高材料蝕除速度。其次,在低頻振動(dòng)情況下,材料蝕除速度隨著振幅的增加,先迅速上升到最大值,然后緩慢下降。

振動(dòng)頻率在50～100 Hz時(shí),低頻振動(dòng)的振幅變化對(duì)材料蝕除速度的影響較顯著。其中,當(dāng)振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí),隨著振幅的增加,材料蝕除速度的增幅變化趨勢(shì)最明顯;振幅為10μm左右時(shí)的材料蝕除速度達(dá)到最大值,相比非振動(dòng)情況提高近5倍,實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為微小孔入口處溢出氣泡的數(shù)量和速率顯著增加,微小孔入口處淺黃色的Fe(OH)3沉淀向小孔周?chē)鷧^(qū)域溢出現(xiàn)象顯著。當(dāng)振動(dòng)頻率為100 Hz時(shí),隨著振幅的增加,材料蝕除速度的增幅明顯變緩,整體上低頻振動(dòng)可穩(wěn)定地將材料蝕除速度增加2～3倍;在振幅增加至 8μm時(shí),材料蝕除速度達(dá)到最大值,隨后出現(xiàn)下降趨勢(shì)。

當(dāng)振動(dòng)頻率為150 Hz時(shí),僅在振幅為4～7μm之間對(duì)材料蝕除速度有輕微提高,最大值增加約1倍,且在振幅6μm時(shí)達(dá)到最大值。當(dāng)振動(dòng)頻率升至200 Hz時(shí),振幅的改變對(duì)材料蝕除速度的改善已很小,甚至在某些振幅范圍內(nèi)還有所降低,實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為微小孔入口處氣泡明顯減小,且微小孔入口周?chē)娊庖褐袩o(wú)明顯的淺黃色Fe(OH)3沉淀。

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,振動(dòng)頻率在50～100 Hz時(shí),隨著振幅的增加,低頻振動(dòng)能明顯改善電解加工區(qū)域的流場(chǎng)條件,及時(shí)有效地排出加工區(qū)域內(nèi)的電解產(chǎn)物和氣泡,加強(qiáng)了該區(qū)域電解液的更新,保證了加工間隙內(nèi)較高的電導(dǎo)率,從而顯著提升了材料蝕除速度。當(dāng)振動(dòng)頻率繼續(xù)增至150 Hz時(shí),振幅的改變對(duì)流場(chǎng)的改善作用迅速減小,新鮮電解液難以順利地流入加工區(qū)域,微小加工間隙內(nèi)的Fe(OH)3沉淀得不到完全溶解,相比之下降低了電導(dǎo)率,因此材料蝕除速度僅有略微的提高。而當(dāng)振動(dòng)頻率上升至200Hz時(shí),振動(dòng)甚至已反向惡化了加工區(qū)域的流場(chǎng)條件,此時(shí)電解加工的材料蝕除速度在整個(gè)振幅區(qū)間內(nèi)呈現(xiàn)略微的下降趨勢(shì)。

3.4 振動(dòng)頻率對(duì)材料蝕除速度的影響

根據(jù)實(shí)際的實(shí)驗(yàn)條件,將振幅分別確定為4、6、8μm,考察低頻振動(dòng)不同振動(dòng)頻率對(duì)電解加工材料蝕除速度的影響。實(shí)驗(yàn)中,非振動(dòng)情況下的電解加工材料蝕除速度依然作為對(duì)照組,其數(shù)值為0.0062 mg/min。不同振動(dòng)頻率條件下電解加工的材料蝕除速度數(shù)據(jù)見(jiàn)表5,對(duì)應(yīng)于該數(shù)據(jù)的材料蝕除速度變化曲線見(jiàn)圖7。

觀察表5和圖7可看出,相比非振動(dòng)情況,50～150 Hz頻率的振動(dòng)均能提高材料蝕除速度;在振動(dòng)情況下,隨著振動(dòng)頻率的增加,材料蝕除速度先迅速上升到最大值,然后緩慢下降。當(dāng)振幅為8μm時(shí),振動(dòng)頻率的改變對(duì)材料蝕除速度的影響最顯著,實(shí)驗(yàn)中表現(xiàn)為微小孔入口處有顯著的氣泡溢出及淺黃色Fe(OH)3沉淀向小孔周?chē)缌鞯默F(xiàn)象;當(dāng)振幅為6、4μm時(shí),材料蝕除速度變化曲線依次下移。當(dāng)振動(dòng)頻率在150～200 Hz時(shí),相比其余兩個(gè)振幅的情況,振幅6μm的振動(dòng)對(duì)材料蝕除速度表現(xiàn)出更明顯的改善作用。

表5 振動(dòng)頻率對(duì)材料蝕除速度的影響

圖7 振動(dòng)頻率對(duì)材料蝕除速度的影響

分析上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果認(rèn)為,一定的振動(dòng)頻率(50～150Hz)范圍內(nèi),隨著振幅的增加,低頻振動(dòng)對(duì)電解加工區(qū)域內(nèi)的“擾動(dòng)”作用增加,這種“擾動(dòng)”作用在振動(dòng)頻率為50 Hz時(shí)最能促進(jìn)加工區(qū)域電解液的流動(dòng),使該區(qū)域的電解加工產(chǎn)物及產(chǎn)生的氣泡能及時(shí)排出,保證了加工區(qū)域電解液的更新,加工區(qū)域得以維持較高的電導(dǎo)率,從而顯著增加材料蝕除速度。而當(dāng)振動(dòng)頻率在150～200 Hz時(shí),低頻振動(dòng)產(chǎn)生的“擾動(dòng)”作用雖然更進(jìn)一步增強(qiáng)了加工區(qū)域電解液的流動(dòng),但此時(shí)電解液的流動(dòng)狀態(tài)已不利于加工區(qū)域內(nèi)電解加工產(chǎn)物和氣泡的及時(shí)排出,對(duì)加工區(qū)域內(nèi)的電解液更新和電導(dǎo)率增加的作用十分有限,因而無(wú)法明顯提高電解加工的材料蝕除速度。

4 結(jié)論

微細(xì)電解加工中,電解液能否及時(shí)有效更新,加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物能否及時(shí)排出尤為重要。本文提出了采用工件低頻振動(dòng)輔助的方法來(lái)改善流場(chǎng)條件,設(shè)計(jì)了一套電磁驅(qū)動(dòng)式低頻振動(dòng)裝置進(jìn)行微小孔的電解加工實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明,低頻振動(dòng)對(duì)電解加工中的材料蝕除速度有明顯的改善,尤其在振動(dòng)頻率為50～100 Hz時(shí),這種改善表現(xiàn)得尤為顯著。由于材料蝕除速度是表征微小孔電解加工效率的重要參數(shù),因此可得出結(jié)論:在一定的振動(dòng)頻率(50～100 Hz)和振幅(4～12μm)范圍內(nèi),工件低頻振動(dòng)能明顯提高微小孔電解加工效率。

完成了工件低頻振動(dòng)對(duì)單電極微細(xì)電解加工材料蝕除速度影響的實(shí)驗(yàn)研究,鑒于電解加工的特點(diǎn),若將工件低頻振動(dòng)用于群電極微小群孔、群坑電解加工中,預(yù)計(jì)對(duì)電解加工的加工效率同樣會(huì)有改善。同時(shí),實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn),引入工件低頻振動(dòng)后,相比非振動(dòng)情況,一定的頻率(50、100 Hz)和振幅(8～ 12μm)可顯著加大微小孔的加工深度,這對(duì)研究高深徑比微小孔的加工具有一定的借鑒意義。

[1]徐家文,云乃彰,王建業(yè),等.電化學(xué)加工技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2008.

[2]馬曉宇,李勇,胡滿紅,等.綜合改善微細(xì)電解加工精度的工藝研究[J].電加工與模具,2009(5):24-28.

[3]Bhattacharyya B,Malapati M,Munda J,et al.Influence of tool vibration on machining performance in electrochemicalmicro-machining of copper[J].Journal of Machine Tools&Manufacture,2007,47:335-342.

[4]Ebeid S J,Hewidy M S,El-Taweel T A,et al.Towardshigher accuracy for ECM hybridized with low-frequency vibrations using the response surface methodology[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149:432-438.

[5]Hewidy M S,Ebeid S J,El-Taweel T A,et al.Modeling the performance of ECM assisted by low frequency vibrations[J].Journal of Materials Processing Technology,2007,189:466-472.

[6]朱永偉,王占和,李紅英,等.電解復(fù)合超聲頻振動(dòng)微細(xì)加工機(jī)理與試驗(yàn)研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(15):1786-1792.