低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔實(shí)驗(yàn)研究*

趙志強(qiáng)　馬志剛　劉曰濤

(①深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；②山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

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低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔實(shí)驗(yàn)研究*

趙志強(qiáng)①馬志剛①劉曰濤②

(①深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院計(jì)算機(jī)工程學(xué)院，廣東 深圳 518055；②山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

以航空發(fā)動機(jī)常用材料Inconel718鎳基高溫合金為基材進(jìn)行電解加工，得到氣膜冷卻孔。通過幾組對比實(shí)驗(yàn)，分析了低濃度電解液電解加工中電極進(jìn)給速率和加工電壓對加工精度、加工效率和加工穩(wěn)定性的影響，得到低濃度電解液電解加工冷卻孔的最優(yōu)工藝條件為：NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，電極進(jìn)給速率6 μm/s，加工電壓8 V，在該工藝條件下，精度控制好，加工效率高，加工過程穩(wěn)定。

低濃度；電解液；管電極；電解加工；冷卻孔

電解加工是一種利用電化學(xué)陽極溶解的基本原理，通過離子蝕除的形式將工件加工成型的加工工藝。電解加工無電極損耗，加工效率高，加工后不存在熱再鑄層、熱影響區(qū)及殘余應(yīng)力，且通過一次性群孔加工成型，可在保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，顯著降低制造成本，提高電解加工效率[1-2]。電解加工可以解決傳統(tǒng)機(jī)加工難以解決的難切削材料、復(fù)雜形狀工件的加工問題，且高效、高表面質(zhì)量，因此在航空制造領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[3]。管電極電解打孔是一種以中空金屬管作為工具陰極，對工件陽極進(jìn)行電化學(xué)蝕除的電解加工工藝，適用于對熱再鑄層和微裂紋非常敏感的發(fā)動機(jī)高溫部件(如渦輪葉片、燃燒室等)的氣膜冷卻孔加工，是一種備受國內(nèi)外關(guān)注的孔加工技術(shù)[4]。由于氣膜冷卻孔孔徑較小，一般在0.25～ 1.25 mm之間[5]，加工精度要求較高，一般要求側(cè)面加工間隙在20 ～ 200 μm范圍內(nèi)[3]。采用低濃度電解液進(jìn)行電解加工可以滿足精度要求，但低濃度電解液電解加工時電極進(jìn)給速度和加工電壓都較低，加工效率低下，同時加工過程中加工間隙過小，電解液不易完全帶走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，導(dǎo)致加工狀態(tài)不穩(wěn)定，容易發(fā)生短路現(xiàn)象，甚至引起電極燒傷[6]，這也限制了管電極電解打孔的發(fā)展與應(yīng)用。目前行業(yè)內(nèi)一般采用配比得當(dāng)?shù)妮^高濃度復(fù)合電解液來實(shí)現(xiàn)冷卻孔的電解加工[3]，而對低濃度電解液的電解加工問題研究進(jìn)展緩慢。如何有效提高低濃度電解液管電極電解加工中的加工效率和加工穩(wěn)定性，是管電極電解打孔工藝中亟需解決的重要問題。本文以Inconel718鎳基高溫合金冷卻孔為研究對象，采用硝酸鈉-檸檬酸鈉(NaNO3-Na3C6H5O7)復(fù)合電解液，著重研究了管電極電解加工冷卻孔工藝中加工電壓和電極進(jìn)給速率等工藝參數(shù)對側(cè)面單邊間隙、加工蝕除率和加工過程穩(wěn)定性的影響機(jī)理和規(guī)律，通過大量對比實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了工藝參數(shù)并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1　實(shí)驗(yàn)

1.1工件材料和加工機(jī)床

鎳基高溫合金Inconel718是航空發(fā)動機(jī)最常用的材料之一，主要成分見表1。實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中冷卻孔多與渦輪葉片表面不垂直。故實(shí)驗(yàn)采用2 mm厚的鎳基高溫合金Inconel718薄板為實(shí)驗(yàn)材料進(jìn)行氣膜冷卻孔電解加工實(shí)驗(yàn)，加工時實(shí)驗(yàn)材料與水平面呈45°放置。

表1鎳基高溫合金Inconel718的主要成分

元素NiCrMnCuAlTiNbmax55213.31.01.155.54.75min50172.800.20.70.006

采用自主設(shè)計(jì)的電解加工數(shù)控機(jī)床及匹配的管電極密封夾具，該機(jī)床選用Panasonic MinasA5系列伺服電動機(jī)及匹配驅(qū)動器，控制系統(tǒng)采用DM2410B運(yùn)動控制卡，通過程序設(shè)計(jì)，能夠借助計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)機(jī)床單軸及多軸的速度、位置控制和直線、位置插補(bǔ)控制，進(jìn)給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最低1 μm/s的低速運(yùn)動。電解加工氣膜冷卻孔時，該機(jī)床能夠滿足實(shí)驗(yàn)對速度、精度及穩(wěn)定性的要求。

1.2電解加工工藝參數(shù)

圖1所示為管電極電解加工冷卻孔示意圖。實(shí)驗(yàn)采用直徑0.8 mm的黃銅管電極，側(cè)面涂覆厚度50 μm的聚四氟乙烯做絕緣處理，浸入電解液的管電極端面預(yù)留0.2 mm長不處理作為電解加工的“加工刃”，采用正向沖液方式加工。

目前國內(nèi)外研究中，電解加工鎳基高溫合金氣膜冷卻孔一般采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)在8%～40%的單一組份或復(fù)合電解液[3]，雖然能實(shí)現(xiàn)較高的加工速度，但加工精度和加工穩(wěn)定性均較差。為了提高電解加工冷卻孔的加工精度和工藝過程的穩(wěn)定性，本實(shí)驗(yàn)采用低濃度硝酸鈉電解液，并加入檸檬酸鈉以改善電解加工區(qū)域固態(tài)電解產(chǎn)物不易排出造成短路的問題，并減弱工件表面腐蝕現(xiàn)象[6]。

實(shí)驗(yàn)具體加工參數(shù)為：硝酸鈉電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%，添加劑檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，電解液流量10 mL/min，電解液壓強(qiáng)0.35 MPa，電極進(jìn)給速率4～ 8 μm/s，電壓6 ～ 12 V。通過改變電極進(jìn)給速率和加工電壓設(shè)計(jì)了20組電解加工冷卻孔對比實(shí)驗(yàn)。

1.3檢測表征

在電解加工中，加工穩(wěn)定性主要體現(xiàn)在加工過程的短路次數(shù)上，穩(wěn)定加工不應(yīng)發(fā)生短路現(xiàn)象。加工間隙是核心工藝要素，包括端面間隙和側(cè)面間隙。側(cè)面單邊間隙Δs是指加工穩(wěn)定時管電極側(cè)壁與冷卻孔內(nèi)壁的距離，是決定電解加工精度的主要因素，直接影響加工精度和加工效率，也是設(shè)計(jì)工具陰極和選擇工藝參數(shù)的主要依據(jù)[3]。Δs在電解加工過程中不易測量，因此一般在加工后進(jìn)行測算。加工蝕除率(MRR，machining removal rate)是指單位時間內(nèi)蝕除加工材料的體積，是體現(xiàn)電解加工效率的重要工藝參數(shù)，可通過測算工件實(shí)驗(yàn)前后質(zhì)量差換算得出。加工蝕除率越大，加工用時越少，加工效率越高。

實(shí)驗(yàn)采用電流監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測電流跳變次數(shù)的方法，統(tǒng)計(jì)加工過程中的短路次數(shù)。采用德國蔡司Axio Lab.A1金相顯微鏡觀察冷卻孔加工質(zhì)量并檢測其直徑，計(jì)算側(cè)面單邊間隙Δs，計(jì)算公式如下：

(1)

式中：D為電解加工所得冷卻孔直徑，μm，d為管電極直徑，μm。

采用電子天平測量每組實(shí)驗(yàn)前后工件質(zhì)量并計(jì)算加工蝕除率MRR(mm3/min)，計(jì)算公式如下：

(2)

式中：m1為工件電解加工前質(zhì)量,g；m2為工件電解加工后質(zhì)量,g；ρ為鎳基高溫合金Inconel718密度，8.24×103g/mm3；T為電解加工實(shí)驗(yàn)時間，min。

2　結(jié)果與討論

2.1電極進(jìn)給速率和加工電壓對單邊間隙的影響

分別取電極進(jìn)給速率4、5、6、7和8 μm/s，加工電壓6、8、10和12 V進(jìn)行20組電解加工冷卻孔對比實(shí)驗(yàn)，每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次，測算結(jié)果取平均值。冷卻孔的側(cè)面單邊間隙Δs隨電極進(jìn)給速率和加工電壓的變化趨勢如圖2所示。

從圖2可知，隨著電極進(jìn)給速率的增大，側(cè)面單邊間隙逐漸減小，但隨著加工電壓的增大，側(cè)面單邊間隙卻逐漸增大。當(dāng)加工電壓為10 V時，隨著電極進(jìn)給速率增大，側(cè)面單邊間隙分別為312、285、231、199和167，側(cè)面單邊間隙逐漸減小，電極進(jìn)給速率每改變1 μm/s，側(cè)面單邊間隙約變化37 μm；當(dāng)電極進(jìn)給速率為5 μm/s時，隨著加工電壓增大，側(cè)面單邊間隙分別為71、142、285和396 μm，加工電壓每改變1 V，側(cè)面單邊間隙約變化108 μm。電極進(jìn)給速率越大，所需時間越短，側(cè)面腐蝕越少，從而減小側(cè)面單邊間隙，而加工電壓越高，側(cè)面腐蝕越嚴(yán)重，會增大側(cè)面單邊間隙。綜上所述，電極進(jìn)給速率過小和加工電壓過高，都會導(dǎo)致側(cè)面單邊間隙過大，不符合冷卻孔電解加工的加工精度要求，而電極進(jìn)給速率過小和加工電壓過低，雖然能夠滿足加工精度要求，但又會導(dǎo)致側(cè)面單邊間隙過小，電解產(chǎn)物不易排出加工區(qū)域而影響加工穩(wěn)定性。故從減小側(cè)面單邊間隙、提高加工精度的角度考慮，低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔時應(yīng)采用較大電極進(jìn)給速率和較小加工電壓。

2.2電極進(jìn)給速率和加工電壓對加工效率的影響

在每次電解加工對比實(shí)驗(yàn)前后，采用電子天平測量加工工件質(zhì)量，計(jì)算出冷卻孔的加工蝕除率MRR，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可知，隨著電極進(jìn)給速率和加工電壓的增大，加工蝕除率均逐漸增大。當(dāng)電極進(jìn)給速率為6 μm/s時，隨著加工電壓增大，加工蝕除率分別為0.242、0.309、0.451和0.605 mm3/min，電極進(jìn)給速率每改變1 μm/s，加工蝕除率約改變0.121 mm3/min；當(dāng)加工電壓為8 V時，隨著電極進(jìn)給速率增大，加工蝕除率分別為0.229、0.277、0.309、0.351和0.389 mm3/min，加工蝕除率逐漸增大，加工電壓每改變1 V，加工蝕除率約改變0.04 mm3/min。電極進(jìn)給速率越大，電解加工所需時間越短，而加工電壓越高，工件材料的金屬離子去除速率越快，兩者都會提高加工蝕除率。從提高加工效率的角度考慮，低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔時應(yīng)采用較大電極進(jìn)給速率和加工電壓，此加工電壓的選用結(jié)論與2.1節(jié)提高加工精度的選用原則相悖，故選用加工電壓工藝參數(shù)時應(yīng)綜合考慮加工電壓對加工精度和加工效率兩個因素的影響。

2.3電極進(jìn)給速率和加工電壓對加工穩(wěn)定性的影響

在不同電極進(jìn)給速率和加工電壓下進(jìn)行電解加工冷卻孔實(shí)驗(yàn)中短路次數(shù)見表2。

表2采用不同電極進(jìn)給速率和加工電壓時電解加工過程中的短路次數(shù)

加工電壓/V 短路 次數(shù)進(jìn)給速率/(μm/s) 681012400005100163012741148N324

從表2可知，電壓較低時，隨著電極進(jìn)給速率增大，端面加工間隙減小，實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的固態(tài)電解加工產(chǎn)物不易及時排出加工區(qū)域而造成短路。當(dāng)加工電壓為6 V、電極進(jìn)給速率8 μm/s時，電解加工過程連續(xù)出現(xiàn)短路現(xiàn)象，以致實(shí)驗(yàn)無法持續(xù)進(jìn)行，出現(xiàn)盲孔，如圖4a；當(dāng)加工電壓和電極進(jìn)給速率均適中時，無短路現(xiàn)象發(fā)生，電解加工實(shí)驗(yàn)可以穩(wěn)定進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)所得冷卻孔經(jīng)檢測圓度較好，加工精度高，如圖4b； 當(dāng)電壓較高時，加工蝕除率增大，但隨著電極進(jìn)給速率增大，端面加工間隙卻變小，固態(tài)電解加工產(chǎn)物同樣不易及時排出加工區(qū)域而引起短路現(xiàn)象發(fā)生，電解加工所得冷卻孔圓度較差，如圖4c。為提高加工穩(wěn)定性，低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔時均不能采用過大或過小的電極進(jìn)給速率和加工電壓，結(jié)合2.1節(jié)和2.2節(jié)的結(jié)果分析可知，在電極進(jìn)給速率6 μm/s、加工電壓8 V條件下，電解加工過程穩(wěn)定，無短路現(xiàn)象發(fā)生，同時，可獲得較小的側(cè)面單邊間隙和較大的加工蝕除率，即在保證加工穩(wěn)定性的前提下，也滿足了對加工精度和加工效率的工藝參數(shù)要求。

綜上可知，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的硝酸鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的添加劑檸檬酸鈉的復(fù)合電解液進(jìn)行管電極電解加工冷卻孔時，在電極進(jìn)給速率6 μm/s、加工電壓8 V條件下，電解加工冷卻孔的側(cè)面單邊間隙為123 μm，加工蝕除率為0.309 mm3/min，無短路發(fā)生，滿足加工要求。在該工藝參數(shù)下，加工精度較好，加工效率較高，且無短路現(xiàn)象發(fā)生，加工過程穩(wěn)定。

3　結(jié)語

采用自主設(shè)計(jì)的電解加工數(shù)控機(jī)床對低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔進(jìn)行多組對比實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明：加工電壓和電極進(jìn)給速率對低濃度電解液管電極電解加工冷卻孔的加工精度、加工效率和加工穩(wěn)定性起關(guān)鍵作用。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%的硝酸鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的添加劑檸檬酸鈉的復(fù)合電解液進(jìn)行管電極電解加工冷卻孔時，在電極進(jìn)給速率6 μm/s、加工電壓8 V條件下，側(cè)面單邊間隙123 μm，加工蝕除率0.309 mm3/min，無短路發(fā)生，精度控制好，加工效率高，加工過程穩(wěn)定。

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(編輯譚弘穎)

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Experimental study on electrochemical machining of cooling hole by tube electrode in low concentration electrolyte

ZHAO Zhiqiang①, MA Zhigang①, LIU Yuetao②

(①Shenzhen Polytechnic, Shenzhen 518055, CHN；②Shandong University of Technology, Zibo 255049, CHN)

Film cooling holes were obtained by electrochemical machining using Inconel718 nickel-based superalloy commonly used for aero-engine as the substrate. The effects of electrode feed rate and machining voltage of electrochemical machining in low concentration electrolyte on precision, efficiency and stability of the machining process were analyzed through several groups of comparative experiments. The optimal process parameters of electrochemical machining in low concentration electrolyte were obtained as follows: NaNO34wt%, sodium citrate 2wt%, feed rate of electrode 6 μm/s and machining voltage 8 V. The process features good precision, high efficiency and good stability under the given conditions.

low concentration; electrolyte; tube electrode; electrochemical machining; cooling hole

TQ151

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.06.021

趙志強(qiáng)，男，1981年生，碩士，講師，主要從事機(jī)電自動化，計(jì)算機(jī)視覺，材料表面處理等方面的研究。

2016-1-26)

160637

* 基于超聲能場的高效低溫陽極鍵合機(jī)理及調(diào)控方法研究(51405277)