電火花放電輔助化學(xué)加工間隙實(shí)驗(yàn)研究

劉　光，佟　浩，何蘇欽，李　勇，李文卓

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264005；2.清華大學(xué)機(jī)械工程系制造工程研究所，北京100084；3.精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

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電火花放電輔助化學(xué)加工間隙實(shí)驗(yàn)研究

劉光1，佟浩2，3，何蘇欽2，李勇2，3，李文卓1

（1.煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái)264005；2.清華大學(xué)機(jī)械工程系制造工程研究所，北京100084；3.精密超精密制造裝備及控制北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084）

摘要：面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片熱障涂層ZrO2陶瓷絕緣材料的加工，開展了不同加工間隙對(duì)加工穩(wěn)定性及效率影響的實(shí)驗(yàn)研究。采用CCD圖像在線觀測(cè)微觀接觸的對(duì)準(zhǔn)電極方法，實(shí)現(xiàn)了加工間隙測(cè)量給定精度可控±1 μm，進(jìn)而在特定工藝參數(shù)下實(shí)驗(yàn)研究了加工間隙的評(píng)價(jià)和優(yōu)化，利用工件表面離子濺射鍍膜和Matlab圖像處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)蝕除量分析，得出了穩(wěn)定加工時(shí)材料最大蝕除量的最佳加工間隙范圍，為電火花放電輔助化學(xué)加工工藝優(yōu)化提供了依據(jù)。

關(guān)鍵詞：放電輔助化學(xué)加工；氧化鋯陶瓷；加工間隙

氧化鋯（ZrO2）陶瓷材料在生物醫(yī)療、航空航天、燃?xì)獍l(fā)電等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用，如陶瓷義齒、渦輪葉片熱障涂層等。但由于ZrO2陶瓷具有高硬、易脆等特性，使其在傳統(tǒng)機(jī)械加工中難以精密成形，且由于熱應(yīng)力、切削力等因素，易產(chǎn)生微裂紋，降低了材料使用壽命[1-2]。目前，氧化鋯絕緣陶瓷的非傳統(tǒng)加工方法主要有激光加工[3]、超聲加工[4]、磨料水力噴射[5]等。然而，激光加工會(huì)使材料表面產(chǎn)生熱影響、應(yīng)力集中等而出現(xiàn)微裂紋；超聲加工存在工具磨損嚴(yán)重、加工效率低、易產(chǎn)生微裂紋損傷等不足；磨料水力噴射加工用噴嘴需經(jīng)常更換，且加工精度較低[6-7]。

近年來(lái)，有學(xué)者采用電火花放電輔助化學(xué)加工（apark assisted chemical engraving，SACE）的方法對(duì)玻璃、石英等多種絕緣材料進(jìn)行加工[8-10]。SACE的材料蝕除原理是在電解液中利用電解原理，在工具電極（陰極）上形成氫氣泡，工具電極端部被氣泡包裹，使工具電極與電解液分離，在絕緣氣泡內(nèi)瞬間火花放電引導(dǎo)下的電解液內(nèi)進(jìn)行蝕除加工，從而實(shí)現(xiàn)絕緣材料的加工。該方法無(wú)宏觀接觸力、電極損耗小，且電解液內(nèi)腐蝕加工原理有望實(shí)現(xiàn)材料的無(wú)損傷加工。國(guó)內(nèi)外研究已驗(yàn)證了ZrO2陶瓷SACE加工的可行性，劉永紅等研究了不同電解液對(duì)ZrO2陶瓷加工效率的影響[11]；張有等在鈦合金基體的氧化鋯陶瓷涂層材料上加工出了直徑1.4 mm的通孔[12]；Doloi等進(jìn)行了氧化鋯陶瓷等絕緣材料的SACE加工工藝研究，分析了電壓、電解液濃度及電極間距等因素對(duì)材料去除率的影響[13]。

若要實(shí)現(xiàn)SACE的連續(xù)加工，就需控制工具電極的加工進(jìn)給，其主要方式有恒力進(jìn)給和恒速進(jìn)給兩種。恒力進(jìn)給是通過(guò)控制工具電極與工件的接觸力，實(shí)現(xiàn)工具電極的不斷進(jìn)給；但由于工具電極底部存在液膜，其實(shí)質(zhì)是通過(guò)控制接觸力來(lái)實(shí)現(xiàn)微米級(jí)的加工間隙；而恒速進(jìn)給速度過(guò)快，會(huì)發(fā)生電極與工件碰撞，過(guò)慢則嚴(yán)重影響加工效率。不論哪種控制方式，目前其合理或最佳加工間隙尚未被闡述清楚，且本研究的前期實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加工間隙對(duì)ZrO2陶瓷SACE加工穩(wěn)定性和效率具有較大影響。因此，本研究面向航空發(fā)動(dòng)機(jī)ZrO2陶瓷熱障涂層材料加工，通過(guò)開展熱障涂層SACE工藝實(shí)驗(yàn)，探索加工間隙對(duì)加工結(jié)果的影響，進(jìn)而通過(guò)研究加工間隙的測(cè)量方法及合理加工間隙的評(píng)價(jià)方法，得出在特定參數(shù)下的SACE最優(yōu)加工間隙。

1　加工間隙對(duì)SACE的影響實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)見(jiàn)圖1，主要包括主軸機(jī)構(gòu)（定位精度為±0.5 μm）、脈沖電源、金屬鎢工具電極、大尺寸石墨輔助電極（電極浸入電解液的表面積至少為工具電極的100倍以上[14]）。實(shí)驗(yàn)采用正極性加工方式，即工具電極為陰極，輔助電極為陽(yáng)極。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)見(jiàn)表1。

主軸采用恒速進(jìn)給方式，對(duì)ZrO2陶瓷工件進(jìn)行逐層掃描恒速進(jìn)給加工實(shí)驗(yàn)，SACE掃描路徑見(jiàn)圖2。為了減少側(cè)壁放電的概率并提供氣膜形成的氛圍，工具電極浸入電解液液面約2 mm。

實(shí)驗(yàn)過(guò)程監(jiān)測(cè)及結(jié)果見(jiàn)圖3。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)電極與工件之間的間隙大小對(duì)加工穩(wěn)定性、效率具有顯著影響。當(dāng)工具電極與工件表面的間隙過(guò)大時(shí)，火花放電的瞬間作用在工件表面的爆炸力弱，不足以達(dá)到蝕除材料的目的（圖3a）；當(dāng)工具電極與工件表面的間隙過(guò)小甚至互相接觸時(shí)，對(duì)氣膜形態(tài)產(chǎn)生了影響，且易產(chǎn)生拉弧現(xiàn)象，這種因電弧放電產(chǎn)生的高溫高熱將使工具電極與工件表面均出現(xiàn)不同程度的燒傷破壞（圖3b）。因此，確定SACE最佳加工間隙對(duì)ZrO2陶瓷穩(wěn)定加工具有重要意義。

表1　SACE實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)

圖1　SACE實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖2　SACE掃描路徑規(guī)劃

2　加工間隙測(cè)量方法

為研究SACE最佳加工間隙，首先要實(shí)現(xiàn)微米級(jí)加工間隙的測(cè)量和給定。本研究前期借鑒電接觸測(cè)量原理，考慮到ZrO2陶瓷作為絕緣工件，故采用在工件表面放置標(biāo)準(zhǔn)厚度金屬片作為輔助，以滿足電接觸回路形成的條件，從而通過(guò)工具電極電接觸輔助金屬片來(lái)獲知工具電極與工件之間的相對(duì)位置，擬測(cè)量并給定加工間隙。

然而，應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)該方法的間隙測(cè)量精度無(wú)法達(dá)到要求，其誤差分析見(jiàn)圖4。分析可知，間隙測(cè)量誤差主要來(lái)源于標(biāo)準(zhǔn)片變形Δ1和工件表面微觀不平度Δ2。由于本研究采用等離子噴涂法制備ZrO2陶瓷熱障涂層工件，該方法的工藝特點(diǎn)是工件材料表面會(huì)呈現(xiàn)微觀不平形貌。實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)采用厚0.2 mm的輔助標(biāo)準(zhǔn)片時(shí)，位置誤差甚至達(dá)到100～200 μm，已超出預(yù)設(shè)加工間隙所需的測(cè)量精度。因此，為了精確測(cè)定加工間隙，實(shí)驗(yàn)采用分辨率為500萬(wàn)像素的工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，并利用主軸裝置的高運(yùn)動(dòng)分辨率（0.5 μm），通過(guò)在線觀測(cè)工具電極與工件微觀瞬間接觸狀態(tài)，確定工具電極與工件的相對(duì)位置。

圖3　不同間隙的SACE放電現(xiàn)象對(duì)比

圖4　輔助金屬片對(duì)準(zhǔn)電極方法的誤差示意圖

如圖5所示，電極先接近工件表面，并以每步0.5 μm的進(jìn)給量逐次進(jìn)給，當(dāng)接觸瞬間CCD圖像觀測(cè)到接觸狀態(tài)微觀變化，即認(rèn)為電極與工件接觸（圖5b）；然后，電極回退，直至微觀接觸變化恢復(fù)（圖5a），可保證h1和h2在±1 μm之間，即實(shí)現(xiàn)可控的測(cè)量精度達(dá)±1 μm。這樣，就能精確確定工具電極與工件表面的接觸點(diǎn)位置，再控制電極的回退量即可給定加工間隙。由于工件表面微觀不平，故每個(gè)位置的實(shí)驗(yàn)將重復(fù)上述步驟。

圖5　CCD圖像觀測(cè)對(duì)準(zhǔn)電極方法示意圖

3　加工間隙優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

給定不同的加工間隙并保持一段時(shí)間，進(jìn)行ZrO2陶瓷的SACE加工實(shí)驗(yàn)，通過(guò)評(píng)價(jià)材料去除率和加工過(guò)程的放電穩(wěn)定性，可得出最佳加工間隙范圍。由于白色ZrO2陶瓷工件表面不便觀測(cè)材料去除效果，故對(duì)工件表面采用離子濺射金靶的方式鍍膜，使工件表面與基體材料呈現(xiàn)色差，加工后工件表層材料剝離，可與未加工部分形成明顯對(duì)比。因納米級(jí)厚度鍍膜瞬間即可剝離，故忽略其對(duì)實(shí)驗(yàn)效果的影響。

實(shí)驗(yàn)沿用表1所示的加工參數(shù)，通過(guò)設(shè)定不同加工間隙δ進(jìn)行分組實(shí)驗(yàn)，每次實(shí)驗(yàn)保持加工時(shí)間5 min。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6，觀測(cè)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)加工間隙δ為150 μm時(shí)，加工痕跡微?。浑S著δ逐漸減小，加工痕跡越來(lái)越明顯；當(dāng)δ進(jìn)一步減小時(shí)，加工進(jìn)入穩(wěn)定階段，加工痕跡增大；當(dāng)δ小于某一間隙值時(shí)，開始出現(xiàn)明顯的電弧放電現(xiàn)象，工件表面出現(xiàn)過(guò)熱燒蝕，使SACE不能穩(wěn)定進(jìn)行。

圖6　不同加工間隙δ對(duì)應(yīng)SACE加工結(jié)果

根據(jù)加工過(guò)程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果可認(rèn)為，在正常穩(wěn)定放電情況下，材料去除量最大時(shí)的加工間隙為最佳加工間隙。因?yàn)閷?shí)驗(yàn)去除的工件材料為不規(guī)則形狀，為便于對(duì)比評(píng)價(jià)材料蝕除量大小，通過(guò)圖形處理方法對(duì)比加工位置的蝕除面積大小。本研究采用Matlab軟件對(duì)各組實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行圖像分析處理，對(duì)比反顯圖像灰度值0～2范圍內(nèi)的像素（圖7），得出不同間隙時(shí)材料去除面積的對(duì)比情況（圖8），即像素值越高，材料去除面積越大。從圖8可看出，加工間隙δ為20～25 μm時(shí)，工件材料蝕除量最大，即為該加工條件下的SACE最佳加工間隙。利用該方法，可評(píng)價(jià)并得到給定工藝條件下的最佳加工間隙。

圖7　不同加工間隙的實(shí)驗(yàn)結(jié)果灰度圖

圖8　各組SACE加工點(diǎn)像素值對(duì)比

4　結(jié)論

為優(yōu)化ZrO2陶瓷的放電輔助化學(xué)加工（SACE）工藝，探索了加工間隙對(duì)工藝過(guò)程的影響，開展了加工間隙測(cè)量評(píng)價(jià)及最佳間隙實(shí)驗(yàn)研究，得到如下結(jié)論：

（1）當(dāng)加工間隙過(guò)大時(shí)，雖然可在電極端部氣泡內(nèi)放電，但作用于工件上的放電能量過(guò)小，難以去除工件材料；加工間隙過(guò)小時(shí)，易產(chǎn)生電弧放電現(xiàn)象，損傷工具電極和工件。

（2）輔助標(biāo)準(zhǔn)片的電接觸對(duì)準(zhǔn)電極方法會(huì)產(chǎn)生較大的間隙測(cè)量誤差（達(dá)到100～200 μm），因此采用分辨率為500萬(wàn)像素的數(shù)字?jǐn)z像機(jī)在線觀測(cè)工具電極與工件微觀瞬間接觸變形的對(duì)準(zhǔn)電極方法，實(shí)現(xiàn)了加工間隙在線測(cè)量，且給定大小的精度可控達(dá)±1 μm。

（3）借助Matlab圖像分析方法評(píng)價(jià)加工去除面積，在本實(shí)驗(yàn)條件下優(yōu)化得到了正常放電情況下（避免電弧放電）蝕除面積最大時(shí)的最佳加工間隙為20～25 μm。

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Experimental Study on Machining Gap of Spark Assisted Chemical Engraving Process

Liu Guang1，Tong Hao2，3，He Suqin2，Li Yong2，3，Li Wenzhuo1
（1. School of Mechatronics and Automobile Engineering，Yantai University，Yantai 264005，China；2. Institute of Manufacturing Engineering，Department of Mechanical Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.Beijing Key Laboratory of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipment and Control，Beijing 100084，China）

Abstract：To improve the machining effect of ZrO2insulating ceramic as thermal barrier coatings (TBCs) on aeroengine turbine blades，machining experiments were carried out to explore the influence of different machining gaps on machining stability and efficiency in spark assisted chemical engraving (SACE) process. An electrode-alignment method was presented for giving a machining gap by use of image observation based on a charge coupled device，and the tests showed that the gap accuracy can be controlled within±1 μm. Further，several experiments were conducted to evaluate and optimize the machining gap with specific processing parameters. The methods of ion sputtering and Matlab image processing were adopted to analyze removal areas from workpieces，and the range of optimum machining gap was gained according to the maximum removal area come from stable sparks. This research can provide the basis for optimizing SACE process.

Key words：spark assisted chemical engraving；zirconia ceramics；machining gap

第一作者簡(jiǎn)介：劉光，男，1988年生，碩士研究生。

基金項(xiàng)目：北京高等學(xué)校青年英才計(jì)劃資助項(xiàng)目（YETP0084）；清華大學(xué)自主研究課題資助項(xiàng)目（20131089209）

收稿日期：2015-09-21

中圖分類號(hào)：TG662

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0020-04