高效高質(zhì)量加工特種鋼的復(fù)合電解液試驗研究

唐霖，范植堅，賈建利，楊森

（西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安710021）

高效高質(zhì)量加工特種鋼的復(fù)合電解液試驗研究

唐霖，范植堅，賈建利，楊森

（西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安710021）

為實現(xiàn)S-03特種鋼的高效、高表面質(zhì)量電解加工，采用正交與灰關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合的方法，先進行了NaNO3、NaClO3電解液預(yù)試驗研究，分析了電壓和進給速度對材料去除率、表面粗糙度及側(cè)面間隙的影響規(guī)律。為進一步提高加工效率，在復(fù)合電解液中添加NaCl，研究電流密度對表面粗糙度的影響規(guī)律。結(jié)果表明：采用質(zhì)量分數(shù)5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3的復(fù)合電解液，在電壓24 V、電解液壓力0.8 MPa、電解液溫度30～35℃的條件下，實現(xiàn)了進給速度2.4 mm/min、表面粗糙度Ra0.4μm的高效、高表面質(zhì)量加工。

電解加工；復(fù)合電解液；正交設(shè)計；灰關(guān)聯(lián)分析

電解加工技術(shù)以其優(yōu)質(zhì)高效、加工質(zhì)量高、陰極無損耗的優(yōu)點在航空航天、武器裝備等結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料難加工、精度要求高的零部件加工中應(yīng)用越來越廣泛。如美、英等國的公司采用數(shù)控電解加工技術(shù)進行了整體葉輪和機匣的加工研究，加工效率較數(shù)控銑削加工提高了50%～85%，且避免了機械加工中易產(chǎn)生殘余應(yīng)力和薄壁件變形的問題［1-2］；英國某公司采用電解加工技術(shù)加工出了高精度的渦輪葉片，月生產(chǎn)量可達2萬多片［3］；德國某公司采用數(shù)控電解加工技術(shù)，提高了葉片的加工精度、加工效率和自動化水平［4］。為提高電解加工工件的加工質(zhì)量和形狀精度，國內(nèi)外學者進行了大量的研究。如荷蘭某公司采用脈沖電流電解加工技術(shù)，實現(xiàn)了年產(chǎn)量3千萬片的剃須刀靜刀片的加工［5］；Kozak提出通過工件外形反求陰極工具運動方式的方法［6］；朱荻、范植堅等采用計算機輔助設(shè)計和模擬仿真的方法，研制了電解加工陰極，縮短了陰極研制周期，節(jié)約了成本［7-8］。而在研究中發(fā)現(xiàn)，電解液成分和濃度選擇的恰當與否直接關(guān)系到電解加工效率和加工質(zhì)量，甚至決定了電解加工過程能否正常進行。Dhobe進行了鈦合金電解加工特性研究［9］；Datta等研究了電解液溫度、pH值及濃度對鎳基合金材料表面粗糙度的影響［10］；Burger等針對鎳基單晶材料進行了電解加工試驗研究［11］；Shibuya和Holstein對高熔點的鎢合金進行了電解加工工藝試驗研究，獲得了較高的加工效率［12-13］；王天誠等進行了低濃度復(fù)合電解液的基礎(chǔ)試驗研究［14］；徐家文等對高溫合金材料進行了大量電解液試驗研究［15］。

目前，針對新型特種鋼材料加工的電解液特性研究尚未見報道，有必要進行不同成分和濃度的電解液試驗研究。本文采用正交試驗與灰關(guān)聯(lián)相結(jié)合的方法，尋求高效、高質(zhì)量加工的電解液成分，探索電流密度和電流效率對加工間隙、表面粗糙度和表面形貌的影響規(guī)律，并從材料去除率、雜散腐蝕等綜合性能對電解液進行特性研究。

1 電解加工試驗裝置

本文以S-03特種鋼材料為例進行電解液試驗研究。S-03是一種超低碳馬氏體時效特種鋼，其材料成分見表1。該材料強度大，可在-253～500℃范圍內(nèi)廣泛使用，具有良好的低溫韌性、鍛造性和焊接性，且材料成本低，與高溫合金力學性能相當，故被廣泛應(yīng)用在高壓液氧泵、高壓液氧導管和高壓燃氣氣體發(fā)生器等重要零部件上。由于S-03材料強度大、硬度高、韌性好，普通切削加工時易硬化，切削力大且刀具磨損嚴重，使S-03的切削加工性能極差，屬于難切削加工材料。

表1 S-03特種鋼組成元素含量

試驗在DJL-02數(shù)控立式電解加工機床上進行，該系統(tǒng)主要包括立式電解加工機床、直流電源、脈沖加工電源和電解液循環(huán)系統(tǒng)等（圖1）。電解加工機床控制系統(tǒng)包括機床運動系統(tǒng)、運動控制系統(tǒng)及電解加工參數(shù)控制系統(tǒng)。

圖1 電解加工系統(tǒng)

電解液試驗采用的是側(cè)面不絕緣的方孔或圓孔陰極，用45鋼或黃銅材料制造（圖2）。

圖2 電解加工陰極

2 NaNO3和NaClO3電解液預(yù)試驗

NaCl電解液具有活性高、電流效率高、加工效率高等優(yōu)點，但也有較強的雜散腐蝕能力。NaClO3和NaNO3為鈍性電解液，電流效率隨電流密度的變化而改變，在一定的陽極電位范圍內(nèi)會使工件表面生成一層鈍化膜，當加工電壓處于鈍化電位、加工區(qū)處于活化電位時，可有效減少雜散腐蝕，提高加工精度。圖3是采用NaCl和NaNO3電解液加工型孔時的不同側(cè)壁錐度［16］。

圖3 電解液對型孔側(cè)壁的影響

首先選擇NaNO3、NaClO3及其復(fù)合電解液作為初選成分進行電解液預(yù)試驗，并設(shè)計四因素三水平正交試驗（表2）。從加工質(zhì)量和加工精度的角度考慮，初步確定電解液配方。試驗重復(fù)進行3次，結(jié)果取平均值，電解加工去除材料的體積通過滴定法進行測量，設(shè)計的L9（34）試驗方案及結(jié)果見表3。

表2 因素水平表

灰關(guān)聯(lián)理論分析方法是將試驗結(jié)果的數(shù)據(jù)進行量綱統(tǒng)一化處理，以獲得電解加工參數(shù)與優(yōu)化目標之間的關(guān)系。對于電解加工的材料去除率，希望數(shù)值越大越好，故采用望大性公式；對于加工后的側(cè)向間隙和表面粗糙度，則希望數(shù)值越小越好，故采用望小性公式。采用灰關(guān)聯(lián)理論分析公式［17-19］，可得到各因子去量綱后的值（表4）。

表3 L9（34）正交試驗設(shè)計及結(jié)果

表4 灰關(guān)聯(lián)系數(shù)的計算

式中:x0（k）為期望值=1；△0i（k）為x0（k）與）之差的絕對值；△min為中的最小值；△max為中的最大值；ζ為［0-1］之間分辨系數(shù)，其計算過程為:

故ζ取0.55。

計算可得各因素、水平的灰關(guān)聯(lián)系數(shù)及綜合的灰關(guān)聯(lián)等級（表5）。

表5 灰關(guān)聯(lián)等級計算結(jié)果

研究發(fā)現(xiàn)，試驗9呈現(xiàn)最佳的灰關(guān)聯(lián)度等級。因此，在A3B3C2D1組合參數(shù)下，即在電壓24 V、進給速度0.8 mm/min、電解液壓力0.7 MPa及16% NaNO3+4%NaClO3的復(fù)合電解液條件下獲得的加工效果最佳，此時的材料去除率為96.0mm3/min。

由式（4）可得各加工參數(shù)在3個水平時的平均灰關(guān)聯(lián)值（表6）。通過灰關(guān)聯(lián)理論分析可知，最理想的組合參數(shù)為試驗9，平均灰關(guān)聯(lián)值為0.623，加工參數(shù)對加工質(zhì)量的影響重要程度由主到次依次為:電解液濃度、進給速度、電壓、電解液壓力。

表6 加工參數(shù)在不同水平下的平均灰關(guān)聯(lián)值

3 三組分的復(fù)合電解液試驗研究

3.1 電解液成分對進給速度的影響

當電壓為24 V、電解液壓力為0.8 MPa、電解液溫度為30～35℃時，在16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液試驗的基礎(chǔ)上添加NaCl，并逐漸提高陰極進給速度，直至發(fā)生火花或短路現(xiàn)象。

采用不同成分及濃度的電解液進行加工，其陰極進給速度與材料去除率之間的關(guān)系見圖4?？煽闯觯捎?2%NaCl電解液加工可獲得最大的陰極進給速度3.6 mm/min，且為16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液加工所獲最快進給速度的3倍；在16% NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液中分別添加5%、10%NaCl后，加工獲得的最大陰極進給速度分別為2.4、2.0mm/min。比較發(fā)現(xiàn)，加入NaCl后，陰極進給速度顯著提高，其原因是NaCl為線性電解液，電流效率極高，幾乎為100%。

圖4 材料去除率隨陰極進給速度的變化關(guān)系

加工過程中，由于特種鋼材料中各元素的溶解速度不同，在陰極進給速度很快的情況下，極間間隙很小，極易產(chǎn)生流紋、短路和火花現(xiàn)象（圖5）。

圖5 工件上的雜散腐蝕、短路和火花

從圖5a可清晰地看到加工工件的底面和側(cè)面有流紋，同時可看到非加工區(qū)有較嚴重的雜散腐蝕；采用NaNO3電解液進行加工對流場條件十分敏感，提高陰極進給速度易發(fā)生短路和火花，而加工普通鋼則不會出現(xiàn)短路和火花，且加工很穩(wěn)定。由此可見，由于所用特種鋼材料的特殊性，對流場、電解液的選擇均提出了很高的要求。

在16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液中添加NaCl，可顯著提高電解加工速度，下面從電流密度和電流效率的角度進行分析。將試驗數(shù)據(jù)按式（8）和式（9）進行計算，得到電流效率與電流密度的關(guān)系（圖6）。由于12%NaCl電解液具有最高的電流效率，幾乎接近100%；當電流密度＞120 A/cm2，其電流效率超過100%，原因是工件中的夾雜物在高流速電解液的沖刷下機械剝落，使實際材料去除量大于理論值。

圖6 電流效率與電流密度的關(guān)系

3.2 電流密度對加工表面質(zhì)量的影響

當電壓為24 V、電解液壓力為0.8 MPa、進給速度為0.9mm/min時，不同成分及濃度的電解液加工形成的工件表面形貌見圖7?？梢姡瑘D7a與圖7c所示的工件表面形貌截然不同；如圖7b與圖7d所示，隨著NaCl濃度的提高，晶界腐蝕越來越明顯。

圖7b是采用5%NaCl+16%NaNO3+4%Na-ClO3的復(fù)合電解液進行加工。由于不同的金屬元素在電流密度較低時溶解速度差異較大，導致表面質(zhì)量差；隨著電流密度的提高，表面質(zhì)量會越來越好，點蝕和不規(guī)則的腐蝕現(xiàn)象也逐漸消失，最佳表面粗糙度可達Ra0.4μm；但當電流密度繼續(xù)增大，由于極間間隙越來越小，因此產(chǎn)生了流紋現(xiàn)象。

圖7 不同電解液加工后的工件表面形貌（800×）

從加工效率的角度看，雖然采用12%NaCl電解液加工時的最高速度可達3.6 mm/min，但考慮到雜散腐蝕，兼顧效率與加工質(zhì)量，最終確定采用5% NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3復(fù)合電解液為最優(yōu)的電解液。

4 結(jié)論

本文采用正交試驗設(shè)計與灰關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合的方法開展了電解液配方試驗研究，研制出一種專用特種鋼材料加工的復(fù)合電解液。在電壓為24 V、電解液壓力為0.8 MPa、電解液溫度為30～35℃時，采用質(zhì)量分數(shù)5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3的復(fù)合電解液，實現(xiàn)了陰極進給速度2.4mm/min、表面粗糙度Ra0.4μm的高效、高表面質(zhì)量加工。為后期該材料的閉式整體葉輪異形渦道的高效高精度電解加工技術(shù)研究提供了穩(wěn)定可靠的電解液配方。

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Experiment Study on Electrolyte Composite for High Efficiency and Good Quality Electrochem ical M achining Special Steel

Tang Lin，F(xiàn)an Zhijian，Jia Jianli，Yang Sen
（Xi′an Technological University，Xi′an 710021，China）

In order to achieve high surface quality and machining efficiency for electrochemical machining S-03 special steel，the orthogonal design and grey relational analysismethods were adopted. First of all，using NaNO3、NaClO3electrolyte，the pre-experiment is carried out.The influence rule of voltage and feeding speed on material removal rate，surface roughness and side clearance were analyzed.In order to further improve the processing efficiency，the electrolyte composite is added the NaCl.The influence of current density on themachined surface quality was also researched.The results show that under the conditions of 24 V voltage，0.8 MPa electrolyte pressure，the electrolyte temperature from 30℃to 35℃and the electrolyte composite of 5%NaCl+16%NaNO3+4%NaClO3，the feed rate of 2.4mm/min and the surface roughness of Ra0.4μm were acquired.

electrochemical machining；electrolyte composite；orthogonal design；grey relational analysis

TG662

A

1009－279X（2015）01－0042-05

2014-11-05

國家自然科學基金資助項目（51405365）；陜西省特種加工重點實驗室專項基金資助項目（14JS032）；陜西省科技廳自然科學基礎(chǔ)研究計劃資助項目（2014JM7253）；江蘇省數(shù)字化電化學加工重點建設(shè)實驗室（常州工學院）開放基金資助項目（KFJJ2004009）

唐霖，男，1979年生，講師。