低頻振動小孔徑內壁面微結構電解加工技術研究

張垚彬，王明環(huán)（浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310012）

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低頻振動小孔徑內壁面微結構電解加工技術研究

張垚彬，王明環(huán)
（浙江工業(yè)大學特種裝備制造與先進加工技術教育部/浙江省重點實驗室，浙江杭州310012）

摘要：為了研究低頻振動電解加工對小孔徑內壁面加工的影響，采用數(shù)值模擬和實驗相結合的方法進行電解加工，分析影響加工結果的工藝參數(shù)及低頻振動對小孔徑內壁面加工精度的影響。結果表明：采用陰極低頻振動加工小孔徑內壁面，有利于加工間隙內電解液的循環(huán)更新和電解產(chǎn)物、電解熱的排除，提高加工精度，改善加工定域性，同時也延長了工具電極的壽命。

關鍵詞：低頻振動；螺旋孔加工；加工精度

在大深徑比的內壁面微結構電解加工過程中，間隙流場的流速分布影響著間隙內產(chǎn)物的排出規(guī)律，隨著孔深加大，流速沿流程逐漸減小，使加工穩(wěn)定性變差［1-4］。通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)，在成形電極電解加工螺旋孔的基礎上，加入工具電極周期性振動，有利于改變加工區(qū)域的環(huán)境，促進電解液循環(huán)與更新［5］。

本文采用螺旋工具電極，通過Fluent數(shù)值模擬，在1Cr18Ni9合金上進行工具電極低頻振動電解加工實驗，分析影響電解加工結果的因素。

1　實驗裝置

1.1低頻振動工作臺

實驗在自行研制的低頻振動電解加工臺上進行，實驗裝置包括工作臺、電解液流動系統(tǒng)、直流電源等，通過多回路時間繼電器分別控制振動電路與電解加工電路的通斷時間來實現(xiàn)低頻振動加工［6-7］（圖1），其中，電路A為振動電路，控制電磁振動器的通斷達到工具電極上下運動的目標，電路B為電解加工電路，電解液為硝酸鈉溶液。

圖2是工具電極運動軌跡圖。工具電極振動至設定的位移量后返回到加工位置，之后進行孔的電解加工，即一個加工周期。如圖3所示，T1～T2電路B接通，電解加工開始；T3時刻開始振動電路A接通，T1～T4即一個控制電路的周期，其中，T1、T2、T3，T4的時間長短可人為進行調節(jié)設置。

圖1　低頻振動工作臺

圖2　工具電極運動軌跡圖

圖3　電路設置圖

圖4是加工示意圖。成形工具電極是在一金屬絲表面涂覆一層規(guī)則絕緣層，加工時將工具電極進給到預先加工好的光孔中，電解液沿著螺旋絕緣層形成的螺旋槽流動，工具電極裸露部分與工件進行電解反應，通過周期性地使工具電極上下振動電解反應形成與工具電極表面形狀相反的結構［8-9］。

圖4　加工示意圖

1.2螺旋工具電極

先在工具電極上腐蝕出整條螺旋型電解槽（圖5），然后在電解槽內均勻地涂抹含Sic粉末的光敏樹脂，可發(fā)現(xiàn)較之傳統(tǒng)地在電極上涂抹光敏樹脂，其優(yōu)點是在加工過程中減小電解液對絕緣層的沖擊力，從而絕緣層變得不易脫離，延長了工具電極的壽命；其次，在低頻振動工作臺上快速地上抬與下落更需要絕緣層與工具電極結合牢固。成形電極見圖6。

圖5　螺旋形電解槽

圖6　成形螺旋工具電極

2　實驗設計

2.1Fluent仿真

根據(jù)ECM原理，螺旋孔在電解加工過程中，陽極會發(fā)生溶解，陰極會析出氣體，電解液沿著螺旋槽把電解產(chǎn)物與熱帶出加工區(qū)。建立的間隙流場三維模型見圖7a，剖視圖中深色區(qū)域是螺旋孔內的間隙流體，淺色區(qū)域為剛體螺旋電極［10-12］。間隙流場模型外徑2.0 mm、長40 mm，采用Gimbit中Tet/Hybrid四面體單元進行網(wǎng)格劃分，如圖7b劃分的網(wǎng)格有1 304 063個體積單元，其中最大體積單元為5.675 983e-013 m3，最小體積單元為5.675 983e-013 m3。

圖7　間隙流場模型

考慮到螺旋孔加工實際情況，進出口均采用壓力出入口，兩者壓力差值為0.1 MPa，間隙流場內電解液處于紊流狀態(tài)，進口處速度約為14 m/s。

在Fluent中導入前處理文件后，加載UDF程序，對一個振動周期里間隙流場內的變化進行分析，考慮到需要在流場迭代收斂后再進行動網(wǎng)格仿真符合現(xiàn)實，故在0.01 s后流場趨于穩(wěn)定情況下工具電極才進行仿真，即工具電極在0.01 s后開始沿X方向進行移動，速度為0.1 m/s。

2.2低頻振動實驗對比

在與Fluent仿真條件一致的情況下，進行對低頻振動電解加工與非振動電解加工的對比實驗。電解液濃度均為10%的硝酸鈉溶液，加工電壓均為10 V直流電。非振動實際加工時間為10 min。

在低頻振動電解加工實驗中，7 s的加工周期時間內有2 s不通電加工，僅用于工具電極上抬與復位，故加工時間為14 min，工具電極上下振動的位移為6 mm。

3　結果與討論

3.1Fluent仿真結果分析

為方便看圖，取流場區(qū)域的剖面圖進行分析。通過圖8對比可發(fā)現(xiàn)，工具電極振動后流場內的電解液流速發(fā)生了變化，速度波動區(qū)間在5 m左右。

通過取沿距離入口方向分別為10、14、18、22、26、30 mm螺旋孔中心處的點，觀察仿真過程中通過該處的流場與速度的變化。圖9是上述位置的各點在工具電極沿X方向分別移動距離為1.2、1.5、2.4、3.0、3.5、4.6、6.2 mm后的速度變化?？砂l(fā)現(xiàn)，工具電極振動后流場內的流體速度在下降，但在后續(xù)仿真中發(fā)現(xiàn)，工具電極在某個位置停止運動后，電解液速度又會再次迅速回升至11 m/s左右，即當工具電極上升、下落完成一個周期的運動后，螺旋孔內的電解液會恢復到工具電極不動時流場內的速度。其次，每個位置的速度變化是先大幅減速，而后速度慢慢趨于某個穩(wěn)定的速度變化，當工具電極停止運動后，電解液的速度會快速回升至不動狀態(tài)的速度，如此的速度起落會對螺旋孔內電解液的運動產(chǎn)生類似先慢后快抽風箱的作用，促進電解液內電解產(chǎn)物的不規(guī)律運動，從而使電解產(chǎn)物更好地排出。此外，聯(lián)系實際實驗中，在工具電極上抬至最高點時，電解加工并未進行，螺旋孔內將更替充斥著新鮮的電解液，除了帶走熱量，還會帶走前一加工周期產(chǎn)生的剩余電解產(chǎn)物和電解熱量，這對下一周期的電解加工提供了一個較好的電解環(huán)境。

圖8　Fluent仿真對比圖

圖9　各點速度變化

通過后續(xù)的仿真過程，研究單個螺旋孔內的速度分布。在工具電極裸露部分偏離對應螺旋孔時，流場內單個螺旋孔內的流場速度區(qū)間幅度較大。如圖10所示，其電解液最大速度相對于工具電極不動的情況是偏小的，但在該螺旋孔內的電解液速度分布區(qū)間卻是有一個4 m左右的變化區(qū)間。這極大地促進了電解液內電解產(chǎn)物的運動不規(guī)律，使電解產(chǎn)物能更好地排出。

圖10　單個螺旋孔內速度變化

3.2低頻振動實驗對比分析

通過工具電極低頻振動實驗對比分析可發(fā)現(xiàn)，采用陰極低頻振動加工小孔徑內壁面，對于加工間隙內電解液的循環(huán)更新和電解產(chǎn)物、電解熱的排除作用明顯。圖11是兩者分別加工工件螺旋孔的成形結果對比，可發(fā)現(xiàn)：

（1）采用工具電極低頻振動后，電解加工的螺旋孔成形精度較非振動電解加工成形精度高。

（2）工具電極低頻振動電解加工后，加工時間比非振動加工有所增加，工件去除量也沒有后者去除得多，但工件加工的定域性明顯變好，加工區(qū)與非加工區(qū)的螺旋邊界明顯。另外，從表1可發(fā)現(xiàn)，雖然電極低頻振動電解加工在設定的參數(shù)條件下去除量沒有非振動電解加工多，但與非振動電解加工相比，每個孔的去除量差別較小，從而使各個螺旋孔的加工去除量更均勻。

（3）通過多次實驗發(fā)現(xiàn)，工具電極低頻振動時，很少發(fā)生螺旋孔堵塞、使螺旋孔的成形出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象。原因是多方面的，可能是工具電極絕緣層由于加工區(qū)的惡劣環(huán)境受熱破裂，但主要是由于工具電極低頻振動后，電解液的更新使電解產(chǎn)物能及時排出。采用工具電極低頻振動加工時，由于電極的振動，使新鮮冷卻的電解液通過螺旋孔，在促進電解加工穩(wěn)定性的同時，改善了加工區(qū)的環(huán)境，使加工的螺旋電極壽命得到大幅提升。

圖11　低頻振動和非振動加工螺旋孔對比

表1　加工孔深

4　結論

（1）低頻振動電解加工促進了加工間隙內電解液的循環(huán)更新和電解產(chǎn)物、電解熱的排除，提高了加工精度，改善了加工定域性，從而提高了工具電極的壽命。

（2）在低頻振動實驗中發(fā)現(xiàn)，工具電極振動的位移量、速度及頻率對實驗結果存在一定影響，其有待進一步研究。

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Study on Microstructure of the Inner Wall Surface in Samll Hole by Electrochemical Machining with Low-frequency Vibration

Zhang Yaobin，Wang Minghuan
（Key Laboratory of E & M，Ministry of Education & Zhejiang Province，Zhejiang University of Technology，Hangzhou 310012，China）

Abstract：In order to study the effect on process for small hole of the inner wall surface by lowfrequency vibration electrochemical machining（ECM），by ECM combinated experiment and numerical simulation，process parameters affectting the processing results and the affect on accuracy of the inner wall surface in small hole by ECM with low-frequency vibration were studied. The results show that the ECM with low-frequency vibration is conducive to exclude electrolysis products，electrolysis heat and renewal the electrolyte in the machining gap，improve the accuracy and locality of processing，but also extend the life of the tool electrode.

Key words：low-frequency vibration；spiral hole machining；machining accuracy

中圖分類號：TG662

文獻標識碼：A

文章編號：1009－279X（2016）02－0031-04

收稿日期：2015-12-11

基金項目：浙江省自然科學基金資助項目（LY13E050019）；國家自然科學基金資助項目（50905165）

第一作者簡介：張垚彬，男，1990年生，碩士研究生。