GH4169電解磨削加工試驗(yàn)研究

張慶良，汪　浩，曲寧松，朱　荻

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

GH4169電解磨削加工試驗(yàn)研究

張慶良，汪浩，曲寧松，朱荻

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

采用電解液從陰極內(nèi)孔直接噴射到工件加工表面的內(nèi)噴射供液方式，對GH4169鎳基高溫合金開展電解磨削加工試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：在相同工藝參數(shù)下提高進(jìn)給速度，不僅能提高材料去除率，還能降低過切量和表面粗糙度值；加工電壓、電解液溫度、電解液壓力、金剛石目數(shù)對最大進(jìn)給速度具有重要影響。

電解磨削；GH4169；最大進(jìn)給速度

電解磨削是電解加工和機(jī)械磨削相復(fù)合的加工方法，它比電解加工具有更好的加工精度和表面粗糙度，比機(jī)械磨削具有更高的生產(chǎn)效率［1］。電解磨削的電解液供給方式分為外噴射供液（簡稱“外噴液”）和內(nèi)噴射供液（簡稱“內(nèi)噴液”）。外噴液結(jié)構(gòu)簡單，是最常用的電解磨削供液方式，國內(nèi)外的研究報(bào)道也很多。Tehrani等通過外噴液砂輪電解磨削模具鋼和304不銹鋼試驗(yàn)，研究了“過切”問題，指出采用脈沖電源及調(diào)節(jié)占空比，可有效減小“過切”［2］。Puri等采用砂輪對P20硬質(zhì)合金開展了外噴液電解磨削試驗(yàn)，探究加工電壓和切削速度對材料去除率、表面質(zhì)量及鈍化膜的影響［3］。Curtis等采用電鍍CBN、金剛石磨及外噴液供液方式，開展了航空發(fā)動機(jī)葉片榫槽的電解磨削加工試驗(yàn)［4］。Kozak等采用黃銅結(jié)合劑砂輪及外噴液供液方式，對不銹鋼板開展了電解磨削試驗(yàn)，探究材料去除過程中電解加工和機(jī)械磨削的相互關(guān)系［5］。張欣耀等采用側(cè)壁絕緣的球形磨頭對不銹鋼開展了精密微孔擴(kuò)孔研究，通過合理匹配電解加工和機(jī)械磨削作用的比例，成功加工出尺寸重復(fù)精度為18 μm、表面粗糙度值為Ra0.21 μm的小孔［6］。葉而康采用棒狀電鍍金剛石磨頭作為陰極，對GH4169開展了外噴液電解磨削試驗(yàn)［7］。干為民等采用棒狀磨輪及外噴液供液方式，開展了數(shù)控展成電解磨削加工整體葉輪試驗(yàn)，得出隨著陰極進(jìn)給速度的增加，加工間隙減小，有利于提高成形精度的結(jié)論；并研究了臨界展成速度，該速度下的材料去除速度與陰極進(jìn)給速度相同，尺寸可控性最佳［8］。

外噴液供液方式結(jié)構(gòu)簡單，適用于加工深度較小的情況。但當(dāng)加工深度增大至1 mm甚至更多時(shí)，電解液進(jìn)入加工間隙變得困難，局部易因缺液而產(chǎn)生火花，造成陰極磨粒脫落和工件表面燒傷。因此，為了提高電解磨削的加工深度，本文采用內(nèi)噴射供液方式，對GH4169鎳基高溫合金開展電解磨削工藝試驗(yàn)，探討進(jìn)給速度對過切量和表面粗糙度的影響及工藝參數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響規(guī)律。

1　內(nèi)噴液電解磨削試驗(yàn)裝置

內(nèi)噴液電解磨削加工系統(tǒng)由機(jī)床主體、運(yùn)動控制系統(tǒng)、電解液供給系統(tǒng)、電源系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等部分組成（圖1）。

圖1　內(nèi)噴液電解磨削加工系統(tǒng)示意圖

圖2是內(nèi)噴液電解磨削加工示意圖。加工過程中，陰極高速旋轉(zhuǎn)，工件作X、Y進(jìn)給運(yùn)動，電解液通過陰極內(nèi)孔直接噴射到工件被加工表面，并及時(shí)帶走加工產(chǎn)物和焦耳熱。

圖2　內(nèi)噴液電解磨削加工示意圖

本文所用陰極為電鍍金剛石球頭磨頭，為兼顧陰極軸向和徑向的進(jìn)給，設(shè)計(jì)了3種圓弧矢高H分別為1、2、3 mm的球頭磨頭?；w材料為45鋼，直徑為6 mm，且開有4 mm盲孔，球頭區(qū)域還開有若干孔徑為1 mm的噴液孔。如圖3所示，H=1、2 mm的磨頭分別在球頭區(qū)域開有4個(gè)噴液孔，H=3 mm的磨頭在球頭區(qū)域開有7個(gè)噴液孔。

按表1所示參數(shù)對3種磨頭分別進(jìn)行深度為1、2、3 mm的窄槽加工實(shí)驗(yàn)。為得到最大進(jìn)給速度，加工過程中持續(xù)增加進(jìn)給速度，當(dāng)出現(xiàn)電火花時(shí)，認(rèn)為已達(dá)到最大進(jìn)給速度。如圖4所示，當(dāng)加工深度1 mm的窄槽時(shí)，矢高1 mm的磨頭進(jìn)給速度最大；當(dāng)加工深度2 mm的窄槽時(shí)，矢高2 mm的磨頭進(jìn)給速度最大；當(dāng)加工深度3 mm的窄槽時(shí)，矢高3 mm的磨頭進(jìn)給速度最大。表明矢高1、2、3 mm的球頭磨頭分別適合加工深度1、2、3 mm的窄槽。

圖3　內(nèi)噴液電解磨削陰極

表1　不同深度的窄槽電解磨削加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4　3種磨頭在不同加工深度下的最大進(jìn)給速度

2　進(jìn)給速度對加工質(zhì)量的影響

為探究進(jìn)給速度對過切量的影響，實(shí)驗(yàn)以矢高1 mm的電鍍金剛石球頭磨頭作為陰極，加工長度26 mm的窄槽。加工參數(shù)見表2。

實(shí)驗(yàn)以工件的總?cè)コ亢瓦^切量作為考核指標(biāo)?？?cè)コ縨總為通過稱量法得到的加工前后的工件質(zhì)量差；陰極運(yùn)動軌跡形成體積對應(yīng)的材料質(zhì)量為m，則過切量m過切與過切占比η可表示為：

表2　進(jìn)給速度對過切量的影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖5是進(jìn)給速度對總?cè)コ亢瓦^切量的影響曲線。可見，隨著進(jìn)給速度的增加，總?cè)コ亢瓦^切量均呈減少趨勢。圖6是進(jìn)給速度對過切占比的影響曲線?？梢姡S著進(jìn)給速度的增加，過切占比降低。因此，提高進(jìn)給速度可有效減少過切量。

圖5　進(jìn)給速度對總?cè)コ亢瓦^切量的影響

圖6　進(jìn)給速度對過切占比的影響

圖7是進(jìn)給速度對加工表面粗糙度的影響曲線。可見，表面粗糙度Ra值隨著進(jìn)給速度的增加而減小。這是由于電解磨削通過裸露出基體的金剛石磨粒刮除工件表面的陽極鈍化膜來促進(jìn)電解加工，既能提高電解加工的材料去除率，又能降低工件表面粗糙度值。實(shí)驗(yàn)加工樣件見圖8。

圖7　進(jìn)給速度對加工表面粗糙度的影響

圖8　內(nèi)噴液電解磨削加工樣件

3　工藝參數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響

為探究工藝參數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響，進(jìn)行了加工電壓、電解液溫度、電解液壓力、主軸轉(zhuǎn)速、金剛石目數(shù)對最大進(jìn)給速度的單因素影響實(shí)驗(yàn)。用矢高1 mm的電鍍金剛石球頭磨頭加工深度1 mm的窄槽，電解液選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鈍化性電解液NaNO3溶液。單因素實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置見表3，帶*值為默認(rèn)實(shí)驗(yàn)參數(shù)值。

表3　工藝參數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3.1加工電壓對最大進(jìn)給速度的影響

加工電壓對最大進(jìn)給速度的影響結(jié)果見圖9?？煽闯?，隨著加工電壓的升高，最大進(jìn)給速度不斷增大，但增長率呈減小趨勢；當(dāng)電壓達(dá)到25 V后，繼續(xù)提高加工電壓，最大進(jìn)給速度幾乎不變。因此，加工電壓應(yīng)選擇25 V。

3.2電解液溫度對最大進(jìn)給速度的影響

電解液溫度對最大進(jìn)給速度的影響結(jié)果見圖10。可看出，隨著電解液溫度的升高，最大進(jìn)給速度增大，但增長率呈減小趨勢；當(dāng)溫度達(dá)到35℃后，最大進(jìn)給速度幾乎不變。由于電解液溫度會影響電解液中離子的活躍程度，也是影響電解液電導(dǎo)率的關(guān)鍵因素之一。因此，隨著電解液溫度的升高，電解液中離子愈加活躍，電導(dǎo)率隨之增加，電化學(xué)反應(yīng)愈加劇烈，從而使工件材料去除量增多，所以提高電解液溫度可提高最大進(jìn)給速度。綜上所述，電解液溫度應(yīng)選擇35℃。

圖9　加工電壓對最大進(jìn)給速度的影響

圖10　電解液溫度對最大進(jìn)給速度的影響

3.3電解液壓力對最大進(jìn)給速度的影響

通過調(diào)節(jié)電解液壓力來控制電解液的流速和流量，得出電解液壓力在0.1～0.6 MPa范圍內(nèi)，最大進(jìn)給速度隨著電解液壓力的增加而增大；當(dāng)壓力超過0.6 MPa后，最大進(jìn)給速度幾乎不變（圖11）。結(jié)合本實(shí)驗(yàn)設(shè)定的工藝參數(shù)可知，電解液壓力應(yīng)選擇0.6 MPa。

圖11　電解液壓力對最大進(jìn)給速度的影響

3.4金剛石目數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響

金剛石目數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響結(jié)果見圖12?？煽闯?，在一定條件下，金剛石目數(shù)增大，其顆粒尺寸變小，最大進(jìn)給速度隨之增加，即選用顆粒尺寸小的電鍍金剛石磨頭作陰極，可有效提高最大進(jìn)給速度。因此，金剛石目數(shù)應(yīng)選為150目。

圖12　金剛石目數(shù)對最大進(jìn)給速度的影響

3.5主軸轉(zhuǎn)速對最大進(jìn)給速度的影響

主軸轉(zhuǎn)速對最大進(jìn)給速度的影響結(jié)果見圖13?？煽闯觯?dāng)主軸轉(zhuǎn)速由500 r/min提高到2000 r/min時(shí)，最大進(jìn)給速度基本無變化，表明主軸轉(zhuǎn)速對最大進(jìn)給速度基本無影響。

圖13　主軸轉(zhuǎn)速對最大進(jìn)給速度的影響

3.6加工樣件

由上述工藝參數(shù)對最大進(jìn)給速度的單因素影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最優(yōu)工藝參數(shù)應(yīng)選擇：加工電壓25 V、電解液溫度35℃、電解液壓力0.6 MPa、金剛石目數(shù)150目，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3電解液中，以主軸轉(zhuǎn)速1000 r/min加工樣件，其截面見圖14。同時(shí)，在最優(yōu)工藝參數(shù)條件下分別獲得了針對不同矢高的最大進(jìn)給速度、加工電流及電流密度。

當(dāng)采用矢高1 mm的電鍍金剛石球頭磨頭作陰極時(shí)，最大進(jìn)給速度為4.6 mm/min，加工電流和電流密度分別為22.5 A、137.73 A/cm2，所加工的溝槽寬度為6.7 mm，深度為1.18 mm；當(dāng)采用矢高2 mm的電鍍金剛石球頭磨頭作陰極時(shí)，最大進(jìn)給速度為3.0 mm/min，加工電流和電流密度分別為27 A、124.556 A/cm2，所加工的溝槽寬度為6.46 mm，深度為2.4 mm；當(dāng)采用矢高3 mm的電鍍金剛石球頭磨頭作陰極時(shí)，最大進(jìn)給速度為1.8 mm/min，加工電流和電流密度分別為27.8 A、92.178 A/cm2，所加工的溝槽寬度為6.62 mm，深度為3.41 mm。

圖14　內(nèi)噴液電解磨削加工樣件

4　結(jié)論

（1）在相同工藝參數(shù)下提高進(jìn)給速度，不僅能提高材料去除率，還能降低過切量和表面粗糙度值。

（2）在一定范圍內(nèi)，最大進(jìn)給速度隨加工電壓、電解液溫度和電解液壓力的增加而增大；陰極磨頭的金剛石顆粒尺寸越小，最大進(jìn)給速度越大；主軸轉(zhuǎn)速對最大進(jìn)給速度基本無影響。

［1］徐家文，云乃彰，王建業(yè)，等.電化學(xué)加工技術(shù)－原理·工藝及應(yīng)用［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008.

［2］TEHRANI A F，ATKINSON J.A study of pulsed electrochemical grinding［C］//Proceedings of the ISEM-XI.Lausanne，1995：543-552.

［3］PURI A B，BANERJEE S.Multiple-response optimisation of electrochemical grinding characteristics through response surface methodology［J］.The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2013，64（5）：715-725.

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［6］張欣耀，朱荻，曾永彬，等.精密微小孔的電解－磨削復(fù)合擴(kuò)孔加工技術(shù)研究 ［J］.中國機(jī)械工程，2010，21（8）：973-977.

［7］葉而康.GH4169合金電解磨銑加工試驗(yàn)研究 ［D］.南京：南京航空航天大學(xué)，2015.

［8］干為民，徐家文.數(shù)控展成電解磨削加工的機(jī)理研究［J］.電加工與模具，2005（5）：12-15.

Experimental Investigation on GH4169 by Electrochemical Grinding

Zhang Qingliang，Wang Hao，Qu Ningsong，Zhu Di
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics&Astronautics，Nanjing 210016，China）

The experimental investigation of electrochemical grinding on GH4169 through injecting electrolyte directly to the machining surface of the workpiece has been done.The results showed that with the increase of feed rate，the material remove rate could be improved and the overcut and surface roughness would be decreased.The effect of voltage，temperature and pressure of electrolyte，the grit size of diamond on the maximum feed rate were also demonstrated.

electrochemical grinding；GH4169；maximum feed rate

TG662

A

1009－279X（2016）04－0021-05

2016-01-13

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175258）

張慶良，男，1987年生，碩士研究生。