鹽溶液管電極電解加工鈦合金深小孔

曾永彬，張玉冬，房曉龍，曲寧松

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

鹽溶液管電極電解加工鈦合金深小孔

曾永彬，張玉冬，房曉龍，曲寧松

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

管電極電解加工采用中空金屬管作為陰極工具對(duì)工件進(jìn)行電解蝕除，在深小孔加工方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。為了避免酸性電解液對(duì)環(huán)境造成的危害，管電極電解加工采用中性鹽溶液替代酸性溶液作為電解液。通過(guò)研究初始加工間隙、進(jìn)給速度、電解液壓力、電參數(shù)對(duì)鈦合金深小孔加工的影響，擇優(yōu)選取加工參數(shù)，在20 mm厚的TC4鈦合金工件上加工出了深徑比大于10的通孔。

管電極電解加工；鈦合金；深小孔；深徑比

深小孔結(jié)構(gòu)被廣泛用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域的核心零部件上，如：液壓元件葉片冷卻孔、金屬拉絲模等零件均需要進(jìn)件的阻尼孔、發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴針閥偶件等深小孔加工[1]。通常認(rèn)為直徑0.1～2 mm、深徑比＞10的孔為深小孔，其加工一直是個(gè)難題，尤其在鈦合金材料上進(jìn)行深小孔加工更為困難，因?yàn)殁伜辖鸬膶?dǎo)熱性能差、韌性極強(qiáng)、摩擦系數(shù)大，是一種典型的難加工材料。

對(duì)于難加工材料的孔加工主要采用激光加工、電火花加工、電解加工等特種加工方法。激光加工效率高，但孔表面存在重熔層，若加工表面質(zhì)量要求非常高，則必須對(duì)孔進(jìn)行二次加工以去除重熔層；電火花加工同樣存在重熔層問(wèn)題。與之相比，電解加工方法具有不受材料力學(xué)性能的限制、無(wú)工具損耗、無(wú)重熔層等優(yōu)點(diǎn)。其中，管電極電解加工是一種采用中空金屬圓管作為工具陰極，對(duì)陽(yáng)極工件進(jìn)行電化學(xué)溶解去除的加工技術(shù)，在深小孔加工場(chǎng)合具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，已成為航空制造領(lǐng)域最為關(guān)注的孔加工技術(shù)。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于管電極電解加工做了較多的研究與探索。文獻(xiàn)[2]通過(guò)仿真分析闡明電極超聲振動(dòng)可促進(jìn)電解產(chǎn)物排出，提高加工精度。朱荻等采用電極平動(dòng)的方式進(jìn)行管電極電解加工，使電解液流動(dòng)變得均勻，消除了溝槽狀溶解；同時(shí)提出了輔助陽(yáng)極電解孔加工技術(shù)[3-4]，改善了電解加工中間隙內(nèi)電場(chǎng)的分布，減弱了工件側(cè)壁的電流密度。文獻(xiàn)[5]提出了電極低頻振動(dòng)復(fù)合電解加工方法，改善了加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，提高了孔的表面質(zhì)量。文獻(xiàn)[6]發(fā)明了一種新的管電極電解加工的供液方式——同軸噴吸法，該方法可快速帶走電解產(chǎn)物。文獻(xiàn)[7]優(yōu)化了群孔管電極電解加工的分流腔體結(jié)構(gòu)，提高了群孔加工的穩(wěn)定性。上述管電極電

解加工的孔的深徑比都較小，在深小孔加工方面，文獻(xiàn)[8]提出了在管狀電極脈沖電解加工小孔試驗(yàn)中分段式增加電解液壓力的方法。試驗(yàn)采用H2SO4與NaCl混合溶液，在鎳基高溫合金上加工出直徑2.3 mm、深度40 mm的深小孔。Bilgi等[9-10]采用HCl 與NaCl混合電解液，對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，選出最適合加工高溫合金的工藝參數(shù)，加工出直徑2.054 mm、深度26 mm的深孔。

以上管電極電解加工深小孔均采用酸性電解液，去除的金屬以離子形式存在于電解液中，可保證電解液流動(dòng)暢通；但酸性電解液使加工設(shè)備、電解液維護(hù)成本大大增加，同時(shí)也增加了環(huán)境污染。因此，本文采用中性鹽溶液對(duì)鈦合金深小孔管電極電解加工進(jìn)行研究，但采用中性電解液電解加工鈦合金會(huì)產(chǎn)生絮狀不溶性沉淀，造成電解液流動(dòng)通道堵塞。

1 管電極電解加工深小孔的原理及系統(tǒng)

1.1 加工原理

圖1是管電極電解加工深小孔的示意圖。電解液從管電極內(nèi)部流入電解加工區(qū)域，從管電極側(cè)面流出電解加工區(qū)域。工件接脈沖電源正極，管電極接脈沖電源負(fù)極。接通電源后，管電極在計(jì)算機(jī)控制下以恒定的進(jìn)給速度相對(duì)于工件向下進(jìn)給，工件不斷被蝕除，最終在工件上加工出深小孔。

圖1 管電極電解加工深小孔示意圖

1.2 加工系統(tǒng)

圖2是管電極深小孔電解加工系統(tǒng)示意圖，主要包括管電極電解加工機(jī)床、電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、管電極導(dǎo)向裝置等。

管電極電解加工機(jī)床為自主研制的電解加工機(jī)床，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，經(jīng)過(guò)精密減速器帶動(dòng)精密螺紋絲杠，從而實(shí)現(xiàn)X、Y、Z軸的精密進(jìn)給。

電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)的核心是過(guò)濾裝置，其濾芯允許通過(guò)的最大顆粒直徑為1 μm。電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)可對(duì)加工后帶有雜質(zhì)的電解液進(jìn)行過(guò)濾，得到純凈電解液，保證流入加工區(qū)域的電解液為新鮮電解液。

管電極導(dǎo)向裝置包括寶石導(dǎo)向器及其夾具。寶石導(dǎo)向器內(nèi)徑為1.3 mm，管電極外徑（包括絕緣層厚度）為1.25 mm。采用導(dǎo)向器后，可減少管電極端部的振動(dòng)，提高深小孔加工精度。導(dǎo)向器夾具將寶石導(dǎo)向器固定在機(jī)床主體上。

圖2 管電極深小孔電解加工系統(tǒng)示意圖

2 試驗(yàn)安排及結(jié)果分析

管電極為外徑1.2 mm、內(nèi)徑0.8 mm、長(zhǎng)100 mm的不銹鋼管。試驗(yàn)前，采用電泳方法對(duì)管電極側(cè)壁進(jìn)行絕緣，絕緣層單邊厚度為0.025 mm。陽(yáng)極工件為厚度20 mm的鈦合金塊（TC4）。電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaCl與10%的NaNO3混合中性鹽溶液，工作溫度保持在35℃。試驗(yàn)研究了不同加工參數(shù)（初始間隙、進(jìn)給速度、電解液壓力、脈沖電壓、脈沖占空比）對(duì)鈦合金深小孔加工的影響，評(píng)價(jià)指標(biāo)如下：

深小孔直徑：沿加工孔的深度方向，對(duì)孔徑測(cè)量4次求得的平均值；深徑比：在某組加工參數(shù)條件下，可加工的小孔最大深度與平均孔徑的比值。

2.1 初始加工間隙對(duì)深小孔加工的影響

加工參數(shù)如下：脈沖電壓24 V，占空比0.25，電解液壓力0.5 MPa，進(jìn)給速度0.6 mm/min。初始加工間隙分別?。?.1、0.2、0.3、0.4 mm。

圖3是初始加工間隙對(duì)深小孔入口錐度的影響。管電極電解加工鈦合金深小孔的入口直徑小于孔內(nèi)部直徑，在孔入口處形成錐度。圖3反映了孔入口錐度隨著初始加工間隙的增大而減小。當(dāng)初始加工間隙為0.1～0.3 mm時(shí)，孔入口錐度相差較大；當(dāng)初始加工間隙為0.3～0.4 mm時(shí)，孔入口錐度相差較小。這是由于當(dāng)初始加工間隙小于加工平衡間隙時(shí)，管電極端面電流大，隨著管電極向工件不斷進(jìn)給，加工間隙不斷增大，直至與平衡間隙相等，電解

加工達(dá)到平衡狀態(tài)，因而側(cè)面間隙不斷增大至平衡狀態(tài)，在孔入口處形成錐度。初始加工間隙與平衡間隙越相近，電解加工達(dá)到平衡狀態(tài)的時(shí)間越短，孔入口錐度越小。當(dāng)初始間隙大于加工平衡間隙時(shí)，管電極端面電流較小，電解較少發(fā)生，甚至不發(fā)生，因而加工間隙大于平衡間隙，孔入口錐度變化較小。綜合以上分析，0.3 mm的初始加工間隙接近加工平衡間隙，以下試驗(yàn)選取0.3 mm作為初始加工間隙。

圖3 初始加工間隙對(duì)深小孔入口錐度的影響

2.2 進(jìn)給速度對(duì)深小孔加工的影響

加工參數(shù)如下：脈沖電壓24V，脈沖占空比0.25，電解液壓力0.5 MPa。進(jìn)給速度分別取0.6、0.8、1.0 mm/min。

圖4是進(jìn)給速度對(duì)鈦合金深小孔加工的影響?？讖胶蜕顝奖榷茧S著進(jìn)給速度的增大而減小。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增大，減少了同一位置上電解加工的時(shí)間，加工間隙減小，故孔徑減?。坏谝欢〞r(shí)間內(nèi)，工件去除量增大，同時(shí)產(chǎn)生的電解加工產(chǎn)物也增多。因此，電解加工產(chǎn)物難以及時(shí)排出，溶液電導(dǎo)率降低，加工過(guò)程易發(fā)生短路，導(dǎo)致加工孔的深徑比減小。

圖4 進(jìn)給速度對(duì)鈦合金深小孔加工的影響

2.3 電解液壓力對(duì)深小孔加工的影響

加工參數(shù)如下：脈沖電壓24 V，脈沖占空比0.25，進(jìn)給速度0.6 mm/min。電解液壓力分別取0.4、0.5、0.6、0.7 MPa。

圖5是電解液壓力對(duì)鈦合金深小孔加工的影響?？煽闯?，隨著電解液壓力增大，鈦合金深小孔直徑與深徑比均隨之相應(yīng)增加。這是因?yàn)殡S著加工深度的增加，加工區(qū)域電解液背壓增大，電解液流速降低，電解產(chǎn)物難以排出，阻塞了電解液流動(dòng)通道，加工區(qū)域電解液更新緩慢，甚至得不到更新，溶液電導(dǎo)率大幅降低，使電解加工難以繼續(xù)。但在同一加工深度時(shí)，若入口電解液壓力越大，則加工區(qū)域電解液壓力差越大，從而使加工區(qū)域的電解液流速變快，電解液更新速度也加快，及時(shí)帶走加工區(qū)域內(nèi)的大部分電解產(chǎn)物，電解液電導(dǎo)率變化小，使電解加工能繼續(xù)進(jìn)行。因此，加工深徑比隨之變大。

圖5 電解液壓力對(duì)鈦合金深小孔加工的影響

2.4 電參數(shù)對(duì)深小孔加工的影響

加工參數(shù)如下：進(jìn)給速度0.6 mm/min，電解液壓力0.5 MPa。脈沖電壓幅值分別取22、23、24、25 V；脈沖占空比分別取0.2、0.25、0.3、0.35。

圖6是脈沖電壓幅值對(duì)鈦合金深小孔加工的影響，圖7是占空比對(duì)鈦合金深小孔加工的影響。從圖6和圖7可看出，深徑比與孔徑都隨著脈沖電壓幅值和占空比的增加而增大。這是因?yàn)楫?dāng)脈沖電壓幅值和占空比較小時(shí)，加工間隙較小，電解液的流出通道也小，電解液流動(dòng)背壓增大，電解產(chǎn)物難以排出，導(dǎo)致加工區(qū)域的電解液得不到及時(shí)更新，使電解液電導(dǎo)率減小，電解加工反應(yīng)變得困難。增大加工脈沖電壓幅值和占空比，使加工間隙變大，因而孔徑增大；但加工間隙變大，也會(huì)使電解液的流出通道增大，加工產(chǎn)物更易排出加工區(qū)域，有利于電解加工的發(fā)生，從而提高了孔的深徑比。

圖6 脈沖電壓幅值對(duì)鈦合金深小孔加工的影響

通過(guò)對(duì)管電極電解加工鈦合金深小孔工藝規(guī)律的研究，擇優(yōu)選取以下加工參數(shù)：電壓24 V，占空比0.3，電解液壓力0.6 MPa，進(jìn)給速度0.6 mm/min，在20 mm厚的鈦合金工件 （TC4）上加工深小孔結(jié)構(gòu)，加工過(guò)程未出現(xiàn)短路現(xiàn)象。加工的小孔見(jiàn)圖8，其孔徑為1.69 mm，深徑比為11.8。

圖8 深小孔整體剖面圖

3 結(jié)論

（1）試驗(yàn)驗(yàn)證了采用中性鹽溶液電解加工鈦合金深小孔的可行性。

（2）采用中性鹽溶液電解加工鈦合金會(huì)產(chǎn)生不溶性的絮狀沉淀，阻塞電解液流動(dòng)通道，不利于電解加工的進(jìn)行，優(yōu)化加工參數(shù)可促進(jìn)產(chǎn)物排出，提高鈦合金加工孔的深徑比。

（3）較小的管電極進(jìn)給速度、較高的電解液壓力、較大的脈沖電壓和脈沖占空比，有利于提高鈦合金深小孔的深徑比。

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Electrochemical Drilling of Deep Small Holes in Titanium Alloy Using Salt Solution

Zeng Yongbin，Zhang Yudong，F(xiàn)ang Xiaolong，Qu Ningsong
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Electrochemical drilling is a process using metal tube as the cathode tool，which has unique advantages in drilling of deep small holes.In order to avoid harm to the environment by acid electrolyte，the neutral salt solution is proposed to replace the acid electrolyte.This paper study experimentally on the effect of process parameters including the initial machining gap，tool feed rate，the pressure of electrolyte，pulse voltage，and pulse duty ratio.Finally，the deep small hole with the aspect ratio more than 10 is machined in the 20 mm-thick titanium alloy (TC4)by the optimum parameters.

electrochemical drilling；titanium alloy；deep small hole；aspect ratio

TG662

A

1009－279X（2014）02－0029-04

2013-11-16

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175258）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（CXZZ11_0195）

曾永彬，男，1978年生，副教授。