軸向沖液電解線切割50CrVA試驗研究

姚羊洋，房曉龍，曾永彬，王文漢

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016；2.中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，飛行器控制一體化技術國防科技重點實驗室，陜西西安710065）

軸向沖液電解線切割50CrVA試驗研究

姚羊洋1，房曉龍1，曾永彬1，王文漢2

（1.南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016；2.中航工業(yè)西安飛行自動控制研究所，飛行器控制一體化技術國防科技重點實驗室，陜西西安710065）

采用軸向高速沖液電解線切割方法加工50CrVA彈簧鋼，利用高速流動的電解液快速帶走加工產物。通過對加工區(qū)域的流場進行仿真，選出合適的噴嘴直徑，并對影響加工的重要因素（加工電壓、占空比、頻率、進給速度）進行單因素試驗，研究各參數(shù)對加工縫寬的影響。最后，采用優(yōu)化參數(shù)加工出縫寬約為1 mm的典型零件。

50CrVA；彈簧鋼；軸向沖液；電解線切割加工

50CrVA具有良好的力學性能和工藝性能，淬透性較高，加入釩能使鋼的晶粒細化，降低過熱敏性，提高了強度和韌性，適用于工作應力振幅高、疲勞性能要求嚴的場合，被廣泛用作現(xiàn)代航空航天領域噴油嘴彈簧及安全閥簧的材料[1-2]。彈簧鋼的加工方法有機械加工、激光加工和電火花線切割等。機械加工會使工件產生殘余應力，進而影響零件的性能。激光切割是利用高溫熔化、氣化金屬而達到切割的目的，工件會產生變形及熱影響區(qū)，從而影響零件的使用壽命[3]。電火花線切割是利用放電原理產生高溫氣化或熔化金屬的加工方法，會導致工件表面產生重鑄層，也會影響零件的疲勞壽命[4]。

電解線切割加工技術是以金屬絲作為工具陰極、對工件進行切割的一種電解加工方法[5]。加工時，工件接電源正極，電極絲接電源負極，以離子剝離的形式去除材料[6]。電解線切割繼承了電解加工的諸多優(yōu)點，如電極絲不會與工件表面直接接觸，所以工件表面不會產生塑性變形，也沒有殘余應力。相比于電火花線切割加工技術，利用電解線切割加工工件時，工件表面不會產生重鑄層，且電極絲無損耗，可重復利用[7]。由于電解線切割是基于電化學陽極溶解原理，故只要各工藝參數(shù)因素匹配恰當，便可獲得比切削加工更好的微觀表面質量[8]。

加工產物的排出效率是影響電解線切割加工精度和加工效率的重要因素[9]。為了提高產物的排出速度，曲寧松等采用往復走絲的方法來加快電極間產物的排出[10]；房曉龍等采用高速旋轉的螺旋電極來提高電極間的傳質[11]；于洽等采用陽極低頻振動和往復運絲結合的方法來促進產物的排出[12]。上述研究主要針對微細結構的加工，應用于宏觀加工時效果甚微。本文采用軸向高速沖液的方式來加工大厚度50CrVA材料，高速沖液能極大地提高加工間隙中電解產物的排出速率，從而提高加工速率。本文首先對電解液射流及加工區(qū)流場進行仿真，優(yōu)選出合適的噴嘴，再通過試驗優(yōu)化加工參數(shù)。

1 加工原理

軸向沖液電解線切割加工原理見圖1。加工時，工件接電源正極，電極絲接電源負極，結合簡單的相對數(shù)控運動來達到切割的目的。電解液從雙向傾斜入口進入導向器，再從噴嘴高速沖出，包裹著電極絲高速進入加工區(qū)，流速可達35 m/s。高速流動的電解液能加快加工區(qū)域電解產物的排出速率，從而加快工件的加工效率，提高加工穩(wěn)定性。

2 加工區(qū)域流場仿真

由于不同直徑的噴嘴對加工區(qū)域的電解液流速影響較大，故采用Fluent軟件對不同直徑噴嘴的流場進行分析，選出合適的噴嘴進行試驗。

加工區(qū)域為左右對稱模型，為了減少計算量，選取對稱面作為仿真研究的模型。由于模型為電解液射入空氣中，所以采用VOF兩相流模型進行求解。如圖2所示，線段AB為電解液的入口，壓力為1 MPa，線段BC、CD、DE為噴嘴壁面，線段EF、FG、JK、KL為壓力出口，線段GH、HI、IJ為工件壁面，線段AL為電極絲壁面。線段AB的長度可表示為：

式中：L為線段AB的長度；D為噴嘴直徑；d為電極絲直徑。

圖2中，噴嘴長度為2 mm（即線段AB與CD的距離），噴嘴距離工件上表面為5 mm（即線段CD與GH的距離），工件厚度為6 mm（即線段GH與IJ的距離），加工間隙為0.25 mm（即線段HI與AL的距離）。分別用直徑為0.8、1.0、1.2、1.4 mm的噴嘴進行仿真（表1），分析不同直徑的噴嘴對加工區(qū)域流場流速的影響。

圖3是不同直徑的噴嘴流場速度圖?？梢?，隨著噴嘴直徑的增加，沖在工件表面的電解液流速增大，而進入加工區(qū)域的電解液流速并未增大；當噴嘴直徑為1.2、1.4 mm時，在工件上表面靠近電極絲的附近還出現(xiàn)了流場流速驟降的情況。

圖4是加工區(qū)域中間位置（即圖2所示虛線Q）的電解液沿工件厚度方向的速度分布曲線?？梢?，當入口長度小于縫寬時，加工區(qū)域出口處的電解液流速隨著噴嘴直徑的增加而增大；當入口長度大于縫寬時，加工區(qū)域入口處的電解液流速發(fā)生驟降，出口處的電解液流速也下降。這是由于過大的噴嘴射出的電解液沖擊到工件表面會高速向垂直于工件厚度方向散開，這部分電解液會對沿工件厚度方向流動的電解液產生側向干擾，導致進入加工區(qū)域的電解液流速降低。因此，本文選取直徑1.0 mm的噴嘴進行參數(shù)試驗探究。

3 試驗系統(tǒng)

軸向沖液電解線切割加工系統(tǒng)示意圖見圖5，主要包括沖液裝置和電極絲、電解液循環(huán)系統(tǒng)、進給系統(tǒng)及加工電源等部分。

沖液裝置和電極絲見圖6，主要由噴嘴、導向器、電極絲、匯流腔及一個二維微調平臺組成。電極絲采用直徑0.5 mm的鉬絲，穿過導向器、匯流腔和噴嘴，上端連接直徑0.6 mm的紅寶石導向器起到定位作用，下端連接直徑1.0 mm的紅寶石噴嘴；固定電極絲后，通過微調二個分度頭調節(jié)電極絲和噴嘴的相對位置，使電極絲盡可能在噴嘴的中間，并用亞克力膠封住上端導向器，防止電解液從上端泄漏。待實驗完成后，可采用酒精燈燒灼的方法去除亞克力膠，使導向器能重復利用。加工時，電解液從進液口左右兩端進入匯流腔，再從下端噴嘴沿著電極絲高速射出。

電解液循環(huán)系統(tǒng)由柱塞泵、過濾器、安全閥、球閥、電解液池和電解液槽等組成。電解液由柱塞泵供給，由球閥調節(jié)回流電解液的流量進而控制電解液的壓力，系統(tǒng)中加入一個1.5 MPa的常閉式安全閥起到安全防護的作用。經過加工區(qū)域的電解液由電解液槽收集并回流到電解液池，再經過濾器重新使用。進給系統(tǒng)由PC機通過運動控制卡分別控制XYZ三軸的運動，加工電源采用高頻脈沖電源。

4 工藝參數(shù)分析及優(yōu)化

試驗采用峰值電壓為30 V、頻率為1 kHz、占空比為60%的脈沖電源，20 μm/s的進給速度，1 MPa的沖液壓力，5%NaCl+5%NaNO3的電解液，電極絲采用直徑0.5 mm的鉬絲，電解液出口噴嘴直徑為1.0 mm，并以上述參數(shù)作為試驗的對照組分別對脈沖電源電壓、占空比、頻率及進給速度進行參數(shù)的探究。

4.1 電壓對加工縫寬的影響

試驗分別對加工電壓為22、24、26、28、30 V等5個參數(shù)進行探究，加工縫寬的變化曲線見圖7。可看出，縫寬隨著加工電壓的增加而增大。這是因為增加電壓會使加工區(qū)域的電流密度增大，從而導致工件蝕除率增加，在相同的進給速度下，單位長度內被腐蝕的材料增加，從而使加工縫寬增大。

4.2 占空比對加工縫寬的影響

試驗分別對占空比為40%、50%、60%、70%、80%等5個參數(shù)進行探究，加工縫寬的變化曲線見圖8?？煽闯?，增加占空比會使單位時間內參加反應的時間增加，從而使單位時間內的材料蝕除量增加，在相同的進給速度下，加工縫寬也增大。

4.3 頻率對加工縫寬的影響

試驗分別對頻率為1、3、5、7、9 kHz等5個參數(shù)進行探究，加工縫寬的變化曲線見圖9?？煽闯?，縫寬隨著頻率的增加反而減小，這是因為增加頻率使脈沖周期減小，從而導致縫寬減小。

4.4 進給速度對加工縫寬的影響

試驗分別對進給速度為10、15、20、25、30 μm/s等5個參數(shù)進行探究，加工縫寬的變化曲線見圖10。可看出，縫寬隨著進給速度的增加而減小。在相同的占空比下，進給速度直接影響單位長度內工件材料參與反應的時間，從而影響加工縫寬。過快的加工速度會使加工產物來不及排出加工間隙，或者工件材料來不及腐蝕而造成短路。

4.5 加工實物

根據上述試驗結果，在滿足穩(wěn)定加工的條件下提高加工速度，以切割縫寬1 mm為原則，選擇加工電壓30 V、占空比60%、頻率1 kHz的脈沖電源，以及進給速度30 μm/s，沖液壓力1 MPa，噴嘴直徑1.0 mm，電解液為5%NaCl+5%NaNO3溶液，電極絲為直徑0.5 mm的鉬絲，在厚度為6 mm的50CrVA彈簧鋼工件上切割出如圖11所示的結構。

5 結論

（1）提出使用軸向高速沖液電解線切割方法加工50CrVA彈簧鋼，并對不同直徑的噴嘴對加工區(qū)域流場的影響進行了仿真，選取直徑和縫寬大小一樣的噴嘴進行試驗。

（2）在自行設計的夾具上，對加工參數(shù)進行了探究試驗。結果表明，加工電壓、占空比的增加會使加工縫寬增大，進給速度、脈沖頻率的增加會使加工縫寬減小。

（3)采用優(yōu)化的參數(shù)加工典型零件，證明軸向高速沖液電解線切割能快速穩(wěn)定地加工50CrVA彈簧鋼。

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Experimental Study on Wire Electrochemical Machining of 50CrVA with Axial Electrolyte Flushing

YAO Yangyang1，F(xiàn)ANG Xiaolong1，ZENG Yongbin1，WANG Wenhan2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Science and Technology on Aircraft Control Laboratory，AVIC Xi′an Flight Automatic Control Research Institute，Xi′an 710065，China）

Wire electrochemical machining with axial electrolyte flushing has been proposed for the 50CrVA spring steel.Make the eletrolysate be taken away quickly with the high-speed flow of electrolyte.Simulation of flow field between the electrodes was studied，than the appropriate nozzle was chosen.After that，the single factor experiments was taken in order to study the influence of processing parameters on silt width，such as processing voltage，duty ratio，frequency and feed speed.Typical structure was processed，the width of the slit was about 1 mm.

50CrVA；spring steel；axial electrolyte flushing；wire electrochemical machining

TG662

A

1009－279X（2017）01－0060-05

2016-07-24

國家自然科學基金資助項目（51375238）；航空科學基金資助項目（20160852006）

姚羊洋，男，1991年生，碩士研究生。