電液束加工3J21合金試驗(yàn)研究

馮玉祥，徐文驥，楊曉龍，黃 帥，劉 新

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

電液束加工3J21合金試驗(yàn)研究

馮玉祥，徐文驥，楊曉龍，黃 帥，劉 新

（大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧大連116024）

以3J21合金為試驗(yàn)對(duì)象，采用電液束加工方法，開展了直線凹槽、窄縫的加工試驗(yàn)研究，探索電液束加工微結(jié)構(gòu)的可行性。以凹槽寬度、深度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，重點(diǎn)研究了加工電壓、加工時(shí)間、電解液壓力等主要工藝條件對(duì)凹槽形貌的影響規(guī)律。在優(yōu)選的工藝條件下，可獲得寬度100～150 μm、深度50～100 μm的凹槽及寬度<160 μm的規(guī)整窄縫。

電液束加工；3J21合金；凹槽；微結(jié)構(gòu)

隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，產(chǎn)品的小型化和精密化程度越來越高，0.1～1.0 mm的微型凹槽、窄縫等微結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于航空航天、儀器儀表、醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-3]。為獲得直線度高、表面規(guī)整的微型凹槽和窄縫，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)多種微結(jié)構(gòu)加工方法的機(jī)理及成形規(guī)律進(jìn)行了探索，如電火花加工、激光加工、LIGA技術(shù)、電子束加工、超聲加工等[4-6]。這些加工方法各具特色，能加工不同的凹槽和窄縫結(jié)構(gòu)，但也存在一些問題，如電火花窄槽加工多采用片狀電極，加工時(shí)易造成工具不均勻損耗，工件被加工區(qū)存在再鑄層和熱影響區(qū)，得到的窄縫精度較低、表面質(zhì)量較差；激光切割加工的設(shè)備成本較高，加工區(qū)也存在再鑄層和熱影響區(qū)。因此，尋找低成本、高質(zhì)量、加工過程安全簡(jiǎn)便的微型凹槽、窄縫的加工方法很有必要。

電液束加工作為一種相對(duì)簡(jiǎn)單、低成本的微結(jié)構(gòu)加工技術(shù)，具有不受金屬工件材料本身力學(xué)性能限制、無殘余應(yīng)力和工具損耗等優(yōu)點(diǎn)；且電液束加工可達(dá)性好，可實(shí)現(xiàn)某些特殊位置的微結(jié)構(gòu)加工[7-8]。但目前關(guān)于電液束加工微型凹槽、窄縫成形規(guī)律的研究還不夠系統(tǒng)。本文以3J21合金為試驗(yàn)對(duì)象，系統(tǒng)研究了加工電壓、加工時(shí)間、電解液壓力等主要工藝條件對(duì)微型凹槽及窄縫加工質(zhì)量的影響規(guī)律，并以凹槽及窄縫的尺寸和表面形貌作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，優(yōu)選工藝條件，以期獲得較高質(zhì)量的微型凹槽及窄縫。

1 電液束加工原理

電液束加工原理見圖1。在噴嘴與工件之間接高壓直流電源，具有一定壓力的電解液流過噴嘴后帶負(fù)電，并從噴嘴末端高速射向工件，基于電化學(xué)陽極去除原理實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的加工。同時(shí)，電液束在高壓加工條件下會(huì)在加工過程中產(chǎn)生輝光放電現(xiàn)象，有助于陽極工件的氧化溶解。電液束加工是電化學(xué)、化學(xué)及放電等加工機(jī)理綜合作用的結(jié)果[9-10]。

圖1 電液束加工原理示意圖

電解液束流在沖擊工件后，以薄層形態(tài)快速地向外呈放射狀流動(dòng)，在距離射流中心半徑r處產(chǎn)生水躍現(xiàn)象，因此電流密度集中分布在半徑為r的圓周區(qū)域內(nèi)。選用鈍性電解液時(shí)，工件表面會(huì)形成鈍化膜，特別是遠(yuǎn)離射流中心的位置電流密度較低，更易形成阻礙陽極溶解的氧化膜。因此，電液束加工能實(shí)現(xiàn)工件材料的選擇性去除。

2 試驗(yàn)裝置及條件

電液束加工微型凹槽和窄縫的試驗(yàn)裝置見圖2，主要包括電源、電解液噴射系統(tǒng)、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)。電解液噴射系統(tǒng)由毛細(xì)噴嘴和噴嘴夾具組成，其中，毛細(xì)噴嘴采用化學(xué)穩(wěn)定性好、抗壓強(qiáng)度高的石英材料制成，能在高射流壓力下保證加工的穩(wěn)定；噴嘴夾具采用有機(jī)玻璃制成，用于固定毛細(xì)噴嘴，同時(shí)可避免工件與導(dǎo)電銅套之間產(chǎn)生火花放電，確保加工過程的穩(wěn)定。

圖2 試驗(yàn)裝置示意圖

試件選用厚100 μm的3J21合金，主要化學(xué)成分見表1。電解液采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的NaNO3溶液。所有試驗(yàn)均在室溫下進(jìn)行，試驗(yàn)條件見表2。

表1 3J21合金的化學(xué)成分

表2 試驗(yàn)條件

加工的微型凹槽和窄縫的寬度、深度使用Newview5022型3D表面輪廓儀測(cè)量，表面形貌采用Quanta 200環(huán)境掃描電子顯微鏡表征。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 微型凹槽加工試驗(yàn)研究

為得到規(guī)整的微型凹槽結(jié)構(gòu)，本文以凹槽寬度尺寸d、深度尺寸h作為評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖3），研究加工電壓、電解液壓力、加工時(shí)間、加工間隙等工藝條件對(duì)凹槽質(zhì)量的影響規(guī)律。

圖3 凹槽尺寸參數(shù)示意圖

（1）加工電壓對(duì)凹槽尺寸及形貌的影響

加工過程中，數(shù)控工作臺(tái)在Y向、Z向固定，在X向作直線運(yùn)動(dòng)。加工間隙δ=0.5 mm，電解液噴射壓力P=0.5 MPa，掃描速度v=4 mm/min，掃描次數(shù)n=4。凹槽寬度與深度隨加工電壓的變化曲線見圖4，可看出，凹槽寬度與深度均隨加工電壓的增加而增大。

圖4 加工電壓對(duì)凹槽尺寸的影響

根據(jù)法拉第定律可知，試件單位長(zhǎng)度溶解的質(zhì)量與電流密度成正比，而加工電壓直接決定了既定條件下的電流密度[8]。因此，當(dāng)其他工藝條件一定時(shí)，凹槽的寬度、深度與電壓呈近似正比例關(guān)系。

（2）電解液壓力對(duì)凹槽尺寸及形貌的影響

在電解液壓力作用下，毛細(xì)管受到電解液流動(dòng)的周期性作用力，一定程度上影響著毛細(xì)管的使用壽命；而射流在試件表面的分布形態(tài)直接關(guān)系到新鮮電解液能否到達(dá)加工區(qū)及加工產(chǎn)物能否及時(shí)排出。因此，電解液壓力是電液束加工的又一重要工藝參數(shù)。圖5是不同電解液壓力條件下獲得的凹槽表面形貌SEM圖。圖6是凹槽寬度、深度隨電解液壓力的變化曲線。

圖5 不同電解液壓力條件下凹槽的SEM圖片

圖6 電解液壓力對(duì)凹槽尺寸的影響

由圖5、圖6可看出，隨著電解液壓力的增加，凹槽寬度呈減小趨勢(shì)，凹槽深度先減小、后增大。當(dāng)電解液壓力<0.3 MPa時(shí)，凹槽表面質(zhì)量較差。這是因?yàn)閲娮靸?nèi)徑僅80 μm，當(dāng)電解液壓力<0.3 MPa時(shí)，電解液在某些加工區(qū)堆積，陰陽極之間電解液的連通區(qū)域和電流密度均增大，從而使材料去除率增加，凹槽寬度和深度都會(huì)增大。電解液壓力越小，此現(xiàn)象越明顯。同時(shí)，試件表面堆積的電解液阻礙了新鮮電解液進(jìn)入加工區(qū)，從而使凹槽表面質(zhì)量變差（圖5a、圖5b）。當(dāng)電解液壓力>0.3 MPa時(shí)，水躍現(xiàn)象穩(wěn)定存在于加工區(qū)，射流將新鮮電解液送入加工區(qū)，電液束的選擇性加工效應(yīng)逐漸凸顯，凹槽寬度略有減??；隨著電解液壓力繼續(xù)增加，電解液射流排出電解產(chǎn)物的作用加強(qiáng)，因此凹槽深度會(huì)在一定范圍內(nèi)增加。

（3）加工時(shí)間對(duì)凹槽尺寸及形貌的影響

由法拉第定律可知，加工時(shí)間與材料去除量成正比關(guān)系。在加工凹槽、窄縫時(shí)，當(dāng)掃描長(zhǎng)度一定時(shí)，加工時(shí)間由掃描速度和掃描次數(shù)決定。因此可通過掃描速度、掃描次數(shù)來研究加工時(shí)間對(duì)凹槽形貌的影響。

掃描速度對(duì)凹槽尺寸的影響見圖7?？煽闯?，隨著掃描速度不斷增大，凹槽寬度、深度均呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)閽呙杷俣仍龃?，射流在單位長(zhǎng)度試件上的加工時(shí)間減少，試件發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的時(shí)間減少，使材料去除量減少，最終導(dǎo)致凹槽寬度、深度均減小。

圖7 掃描速度對(duì)凹槽尺寸的影響

掃描次數(shù)對(duì)凹槽尺寸的影響見圖8。在一定范圍內(nèi)，凹槽寬度、深度均隨掃描次數(shù)的增加而增加；同時(shí)，在掃描次數(shù)到達(dá)一定值以后，凹槽寬度、深度隨掃描次數(shù)增加的幅度逐漸減小。這是因?yàn)楫?dāng)掃描速度一定時(shí)，試件單位長(zhǎng)度上的單次去除量相同，掃描次數(shù)越多，試件單位長(zhǎng)度上的去除量越多，使凹槽寬度、深度均增加。隨著凹槽深度的繼續(xù)增加，電解產(chǎn)物逐漸堆積在凹槽底部，使該處的電化學(xué)反應(yīng)速率降低，導(dǎo)致凹槽深度的增幅減??；同時(shí)，電液束選擇性加工將使凹槽寬度只能限定在一定范圍內(nèi)，所以隨著掃描次數(shù)的增加，凹槽寬度增幅也逐漸減小。

（4）加工間隙對(duì)凹槽尺寸及形貌的影響

圖8 掃描次數(shù)對(duì)凹槽尺寸的影響

加工間隙是影響電化學(xué)加工精度的重要因素。在保證加工精度的前提下，為了提高加工效率，后續(xù)選擇優(yōu)化的掃描速度為4 mm/min。在其他加工條件不變的情況下，加工間隙對(duì)凹槽尺寸的影響見圖9。當(dāng)加工間隙在0.3～1.3 mm內(nèi)變動(dòng)時(shí)，凹槽寬度和深度的變化范圍都很小，僅為3.2 μm和7.9 μm，變化趨勢(shì)不明顯。這是因?yàn)榇藭r(shí)的加工間隙處于電解液射流的“起始段”距離內(nèi)，射流的直徑變化不明顯，電解液因射流長(zhǎng)度增加而導(dǎo)致的電阻增加也較小，因此在所選加工間隙范圍內(nèi)的電流密度變化不大，材料去除量變化較小，所以凹槽寬度、深度變化不明顯。

圖9 加工間隙對(duì)凹槽尺寸的影響

3.2 微窄縫加工試驗(yàn)研究

在總結(jié)凹槽成形規(guī)律的基礎(chǔ)上，本文還對(duì)微窄縫的加工進(jìn)行試驗(yàn)研究，主要討論對(duì)窄縫規(guī)整性影響較大的掃描次數(shù)及加工電壓等工藝參數(shù)。試驗(yàn)選擇的加工間隙為0.5 mm，電解液壓力為0.5 MPa，掃描速度為4 mm/min。

（1）掃描次數(shù)對(duì)窄縫形貌的影響

選擇加工電壓為350 V，掃描次數(shù)分別為20、24、28次時(shí)的窄縫SEM圖像見圖10?？芍娨菏谇型副“搴笮纬烧p。在窄縫成形初期，電流密度在加工區(qū)截面上仍呈拋物線分布[11]，電液束的電流密度從中間向兩側(cè)逐漸減小，因此，凹槽中心位置最先被穿透。同時(shí)，受電解液射流的影響，凹槽縱向?yàn)榉蔷鶆蛐源┩?；隨著掃描次數(shù)的增加，窄縫兩邊殘留的部分逐漸被去除，窄縫單邊的錐度減小，規(guī)整窄縫逐漸形成；若掃描次數(shù)（加工時(shí)間）過大，電解液射流會(huì)破壞原來較規(guī)整的窄縫側(cè)面，增大窄縫側(cè)面錐度和窄縫寬度，不利于窄縫的成形加工（圖10e）?？梢?，掃描次數(shù)對(duì)窄縫及三維結(jié)構(gòu)的成形起著至關(guān)重要的作用。

圖10 窄縫形貌的SEM圖像

（2）加工電壓對(duì)窄縫形貌的影響

在電液束加工過程中，加工電壓作為電化學(xué)反應(yīng)的原動(dòng)能量來源，始終是影響窄縫質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。本節(jié)討論不同電壓條件下，厚100 μm薄板被切穿的掃描次數(shù)及較佳窄縫的形貌。

不同加工電壓獲得的窄縫SEM圖像見圖11。在其他加工參數(shù)相同的條件下，電壓為350、550、750 V時(shí)得到規(guī)整窄縫所需的掃描次數(shù)分別為24、12、8次?？梢娂庸る妷涸酱?，切穿100 μm厚的薄板形成規(guī)整窄縫所需的掃描次數(shù)越少，加工效率越高。由圖11可看出，加工電壓越大，所得規(guī)整窄縫的寬度越大，分別為159.8、165.5、173.5 μm；但電壓過大時(shí)，窄縫的表面質(zhì)量有所降低。這是因?yàn)楫?dāng)加工間隙、電解液壓力一定時(shí)，陰陽極之間的電阻基本不變；隨著加工電壓增大，電流密度及材料去除率幾乎成線性增長(zhǎng)，所以切穿薄板所需的掃描次數(shù)減少。此外，加工電壓過大，試件加工區(qū)的雜散腐蝕明顯，使表面質(zhì)量降低。因此，需根據(jù)具體的加工要求選擇合適的加工電壓，以滿足對(duì)加工質(zhì)量和加工效率的要求。采用優(yōu)化的加工參數(shù)獲得的凹槽、窄縫的加工實(shí)例見圖12。

縫形貌的關(guān)鍵工藝參數(shù)。對(duì)于內(nèi)徑80 μm的毛細(xì)噴嘴，為獲得表面規(guī)整、深度較大的微型凹槽，較優(yōu)的加工參數(shù)是電壓300～550 V，電解液壓力>0.3 MPa。

（3）當(dāng)加工間隙在0.3～1.3 mm變化時(shí)，電解液射流的形態(tài)及加工間隙內(nèi)的電流密度變化都不大，對(duì)凹槽形貌的影響不明顯。

（4）加工時(shí)間對(duì)規(guī)整窄縫的成形極為重要。加工時(shí)間太短，不能形成規(guī)整窄縫；加工時(shí)間太長(zhǎng)，則會(huì)加大窄縫寬度，并破壞已獲得的規(guī)整形貌。

圖11 加工電壓對(duì)窄縫形貌的影響

圖12凹槽與窄縫的加工實(shí)例

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4 結(jié)論

（1）搭建了電液束加工試驗(yàn)裝置，研究了電液束加工微型凹槽的成形規(guī)律。獲得了寬度100～150 μm、深度50～100 μm的微型直線凹槽、圓弧過渡良好的菱形凹槽、寬度<160 μm的規(guī)整直線窄縫及自由曲線窄縫等微結(jié)構(gòu)。

（2）加工電壓、電解液射流壓力是影響凹槽、窄

Experimental Research on Electrolyte Jet Machining of 3J21 Alloy

Feng Yuxiang，Xu Wenji，Yang Xiaolong，Huang Shuai，Liu Xin
（Dalian University of Technology，Dalian 116024，China）

Selecting 3J21 alloy as the research object，this paper describes the research on the machining of micro-grooves and slots using the electrolyte jet.The possibility of machining microstructures was investigated.Taking widths and depths of grooves as determination indexes，influences of processing voltage，processing time and electrolytic pressure on morphology of grooves were mainly discussed.Grooves with widths between 100 μm and 150 μm and depths between 50 μm and 100 μm，and a kerf width less than 160 μm were obtained using the optimal processing parameters.

electrolyte jet machining；3J21 alloy；grooves；micro-structures

TG662

A

1009-279X（2014）02-0033-05

2013-11-28

馮玉祥，男，1989年生，碩士研究生。