冰層輔助對(duì)電火花-電解復(fù)合穿孔的影響

丁飛， 徐正揚(yáng)， 王豐， 張彥

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

冰層輔助對(duì)電火花-電解復(fù)合穿孔的影響

丁飛， 徐正揚(yáng)*， 王豐， 張彥

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

電火花-電解復(fù)合穿孔(ECDD)加工方法有望實(shí)現(xiàn)難加工材料渦輪葉片氣膜冷卻孔無(wú)重鑄層高效加工，為了進(jìn)一步提升小孔孔壁的加工質(zhì)量，提出了在工件底部填充冰層的電火花-電解復(fù)合穿孔加工新方法。分析了冰層輔助對(duì)復(fù)合加工過(guò)程中兩極之間電流電壓的波形、復(fù)合穿孔的加工效率、小孔的出入口孔徑、孔壁重鑄層去除等的影響，進(jìn)行了冰層輔助與無(wú)冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：冰層輔助加工可以在小孔穿透之后形成充分的反向沖液，有效地解決小孔穿透之后的漏液?jiǎn)栴}。在增加底部停頓時(shí)間的基礎(chǔ)上，即小孔穿透后管電極到達(dá)預(yù)設(shè)深度繼續(xù)停留一段時(shí)間，延長(zhǎng)管電極對(duì)孔壁的電解作用時(shí)間，可以顯著提高重鑄層的去除效果，有望實(shí)現(xiàn)小孔整個(gè)孔壁重鑄層的完全去除。

冰層輔助； 電火花-電解復(fù)合穿孔(ECDD)； 波形； 加工效率； 重鑄層

隨著航空工業(yè)的發(fā)展，航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件上出現(xiàn)了大量微小孔結(jié)構(gòu)，這些孔的孔徑一般在0.2～0.8 mm之間[1]，由于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵零部件的材料一般為高強(qiáng)度、高硬度的難加工材料，如高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等，而且這些微小孔還要求加工表面無(wú)重鑄層、無(wú)微裂紋、無(wú)熱影響區(qū)等，所以傳統(tǒng)的加工方法，如機(jī)械鉆孔、機(jī)械沖孔等經(jīng)常難以滿(mǎn)足要求[2]，特種加工技術(shù)是這些小孔有效的加工方法，比如電火花高速穿孔加工[3]、電解射流加工[4-5]、激光穿孔加工[6]等，激光穿孔和電火花高速穿孔加工可以在保證高效率的情況下，加工出符合尺寸要求的微小孔，但由于激光和電火花穿孔加工均通過(guò)高熱去除材料，導(dǎo)致孔壁產(chǎn)生重鑄層、微裂紋及熱影響區(qū)，將會(huì)對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)的疲勞壽命等產(chǎn)生影響。電解射流加工雖然不會(huì)產(chǎn)生重鑄層、微裂紋和熱影響區(qū)，但玻璃毛細(xì)管易碎、難夾持，且多采用酸性溶液，同時(shí)其加工效率較慢，在未來(lái)批量生產(chǎn)方面存在問(wèn)題。為了適應(yīng)諸如航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片氣膜冷卻孔高效無(wú)重鑄層的加工要求，有必要嘗試新的加工方式。

由于電火花加工和電解加工具備各自?xún)?yōu)勢(shì)，各國(guó)研究者嘗試將兩者組合或者復(fù)合起來(lái)用于材料的加工，例如日本東京大學(xué)Masuzawa等在低電導(dǎo)率的水中進(jìn)行電火花-電解組合加工，在電導(dǎo)率為0.6 MΩ的水中對(duì)電火花加工后的表面進(jìn)行電解加工，溶解電火花加工表面的重鑄層和熱影響區(qū)等[7-8]。韓國(guó)首爾大學(xué)Chung等提出了以去離子水為溶液的微小孔電火花-電解組合加工方法，先采用RC回路電源進(jìn)行電火花穿孔加工，后將回路中的電容移除，對(duì)孔壁進(jìn)行電解光整加工，可以將孔壁的粗糙度從電火花加工后的0.225 μm減小到0.066 μm[9]。Yan等進(jìn)行了電火花-電化學(xué)拋光組合制孔研究，利用電化學(xué)溶解作用對(duì)電火花加工后的孔壁進(jìn)行拋光加工，去除孔壁的毛刺、重鑄層等缺陷，減小小孔的錐度及孔壁的粗糙度[10]。

新加坡國(guó)立大學(xué)的Nguyen等利用低電阻率的去離子水，進(jìn)行微細(xì)電火花-電解復(fù)合加工微小孔，在脈沖電源頻率500 kHz，占空比30%，進(jìn)給速度0.2 μm/s的參數(shù)條件下，可以加工出直徑100 μm左右的微孔，且孔型較好，孔壁較光整[11-12]，但這是一種利用棒狀工具電極進(jìn)行的微細(xì)電火花-電解加工方法，不考慮加工效率，也并不針對(duì)重鑄層去除，因此無(wú)法適應(yīng)大批量氣膜冷卻孔的高效加工需求。

南京航空航天大學(xué)徐正揚(yáng)等提出了利用低電導(dǎo)率的中性溶液，進(jìn)行電火花-電解復(fù)合加工微小孔，電火花加工與電解加工同步進(jìn)行，加工效率接近電火花加工的效率，且已可去除孔壁上大部分重鑄層[13-14]，但是由于小孔穿透之后溶液流失，造成加工間隙中缺少溶液，導(dǎo)致出口處電解作用不充分，可能會(huì)在出口處形成重鑄層的殘留。

針對(duì)上述情況，本文提出了冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔加工的新方法，目的在于找到一種解決小孔穿透后反向沖液?jiǎn)栴}并適合用于復(fù)雜結(jié)構(gòu)渦輪葉片氣膜冷卻孔的加工方法。增加冰層輔助后，小孔穿透之后溶液會(huì)沖擊到冰層上，然后沿孔壁向上形成反向沖液繼續(xù)對(duì)孔壁進(jìn)行電解作用，從而可以實(shí)現(xiàn)整個(gè)孔壁重鑄層的去除。相較于其他可能的背襯方法，冰層輔助加工在小孔穿透后，較高溫度的溶液會(huì)將底部局部冰層融化，冰層不會(huì)對(duì)管電極繼續(xù)進(jìn)給形成阻礙，即管電極不會(huì)因?yàn)轫數(shù)降撞勘鶎佣鴱澢?，由于水的流?dòng)性能較好，可以填充到內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜的發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片中，且冰層易于制備、去除和控制，對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染，因此冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔加工有望成為大批量氣膜冷卻孔高效加工的有效方法。

1 冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔

如圖1所示，電火花-電解復(fù)合穿孔(Electrochemical Discharge Drilling, ECDD)是在電解液中同時(shí)進(jìn)行電火花加工和電解加工，初始階段，管電極與工件電極之間的端面間隙和側(cè)邊間隙都大于電火花放電間隙，此時(shí)管電極對(duì)工件電極主要產(chǎn)生電解溶解作用，隨著管電極向工件電極進(jìn)給，端面間隙減小到電火花的放電間隙，此時(shí)端面主要發(fā)生電火花蝕除作用，也同步伴隨著電解作用。穿孔過(guò)程中，在間隙較小的端面以放電作用去除材料為主，隨著側(cè)壁間隙的增大，放電作用逐漸減弱或消失，側(cè)壁材料去除主要依賴(lài)于電解作用，理論上可以通過(guò)側(cè)壁的電解作用同步去除電火花加工產(chǎn)生的重鑄層[13-15]。

無(wú)冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔加工可以分為3個(gè)過(guò)程，第1個(gè)過(guò)程為小孔穿透之前，如圖2(a)所示，此時(shí)管電極中的高壓溶液沖擊到孔的底部，并迅速?gòu)墓茈姌O與孔壁之間的間隙中向上沖出，形成反向沖液對(duì)孔壁進(jìn)行電解作用。第2個(gè)過(guò)程為小孔穿透瞬間，如圖2(b)所示，此時(shí)工件剛被穿透，但管電極還沒(méi)有伸出工件外，管電極中的高壓溶液一部分從穿透的小孔中漏出，一部分沿管電極與孔壁之間的間隙向上形成反向沖液，但此時(shí)反向沖液不夠充足和穩(wěn)定。第3個(gè)過(guò)程為小孔穿透之后，如圖2(c)所示，此時(shí)工件已經(jīng)被完全穿透，管電極完全伸出工件外，管電極中的高壓溶液完全漏掉，管電極與孔壁之間無(wú)溶液[16]。

圖1 電火花-電解復(fù)合穿孔加工原理 Fig.1 Machining mechanism of ECDD

圖2 無(wú)冰層輔助加工過(guò)程流場(chǎng) Fig.2 Flow field during machining process without aided ice layer

因此，無(wú)冰層輔助加工時(shí)，孔壁大部分重鑄層可以通過(guò)電解作用去除，但小孔穿透瞬間和穿透之后都會(huì)造成管電極與孔壁之間溶液不足，即缺液現(xiàn)象，這種缺液現(xiàn)象會(huì)造成加工間隙中加工產(chǎn)物排出不充分，導(dǎo)致側(cè)壁產(chǎn)生二次放電，因此可能會(huì)造成孔壁重鑄層的殘留以及形成收縮形的小孔出口端形狀。

為了解決小孔穿透瞬間及穿透之后漏液?jiǎn)栴}，提高穿透后反向沖液效果，從而提高電火花-電解復(fù)合穿孔加工小孔出口重鑄層去除效果，同時(shí)考慮到航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片內(nèi)部復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，本文提出了冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔的新方法，其基本方法如下：加工前，在工件底部?jī)?chǔ)存一定量的水，加工時(shí)利用液氮對(duì)水進(jìn)行快速降溫，使得水在工件底部迅速結(jié)冰，工件底部的冰起到底部反襯的作用。小孔穿透瞬間以及穿透之后，如圖3所示，管電極中的高壓溶液沖擊到工件底部的冰層表面形成反向沖液，對(duì)孔壁特別是出口處進(jìn)行持續(xù)電解作用，溶解電火花加工過(guò)程中產(chǎn)生的重鑄層，直到加工結(jié)束[17]。

圖3 冰層輔助小孔穿透后流場(chǎng) Fig.3 Flow field after penetration with aided ice layer

2 試驗(yàn)方案

2.1 試驗(yàn)裝置

采用電火花-電解復(fù)合加工機(jī)床作為試驗(yàn)平臺(tái)，試驗(yàn)采用黃銅管電極作為工具電極，通過(guò)機(jī)床的高壓泵供液系統(tǒng)，將溶液從管電極中噴出。如圖4、圖5所示，設(shè)計(jì)了一個(gè)空心的金屬工作臺(tái)，工件通過(guò)夾具固定在空心工作臺(tái)上，夾具設(shè)計(jì)成槽形，可以?xún)?chǔ)存少量的水，加工之前向槽形夾具中,即工件底部加入少量水，空心工作臺(tái)內(nèi)部通液氮，通過(guò)熱傳導(dǎo)對(duì)槽形夾具和工件降溫，使得夾具中的水在工件底部迅速結(jié)冰，工件底部的冰起到一個(gè)底部反襯的作用。加工過(guò)程中，對(duì)空心工作臺(tái)持續(xù)通液氮，使底部保持結(jié)冰狀態(tài)，直到加工結(jié)束。

圖4 液氮制冰設(shè)備原理 Fig.4 Principle of equipment for making ice with liquid nitrogen

圖5 液氮制冰設(shè)備 Fig.5 Equipment for making ice layer with liquid nitrogen

2.2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用外徑為0.3 mm的黃銅管電極作為工具電極，采用定向凝固鎳基高溫合金DZ125L作為試驗(yàn)的工件材料，主要試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。試驗(yàn)過(guò)程中利用波形記錄儀對(duì)工具電極與工件電極之間的電流、電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

表1 電火花-電解復(fù)合穿孔主要試驗(yàn)參數(shù)Table 1 Main experimental parameters for ECDD

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 冰層輔助對(duì)加工過(guò)程中兩極之間電壓、電流波形的影響

利用記錄儀對(duì)加工過(guò)程中管電極與工件電極之間的電壓、電流進(jìn)行監(jiān)測(cè)并記錄，圖6(a)、圖6(b)分別為無(wú)冰層輔助和有冰層輔助整個(gè)加工過(guò)程的電流、電壓波形，圖7為電火花-電解復(fù)合穿孔過(guò)程電壓、電流波形局部圖。分析發(fā)現(xiàn)2種加工情況下的波形有很多異同之處，有、無(wú)冰層輔助加工過(guò)程都有相似的加工過(guò)程，當(dāng)兩極之間某些區(qū)域未達(dá)到放電條件時(shí)，主要發(fā)生電解溶解作用，波形如圖7最左端所示，當(dāng)兩極之間某些區(qū)域達(dá)到放電條件時(shí)，主要發(fā)生電火花蝕除作用，波形如圖7最右端所示，當(dāng)兩極之間由于加工間隙中排屑不通暢或者管電極進(jìn)給過(guò)快，導(dǎo)致兩極之間發(fā)生短路，則波形如圖7中間段所示。此外，從圖6(a)、圖6(b)可以看到，2種加工情況下小孔穿透瞬間電壓都會(huì)不同程度地升高，但是從圖6(a)可以看出，無(wú)冰層輔助加工小孔穿透后仍有電火花放電的波形，而冰層輔助加工時(shí)，從圖6(b)可以看出，小孔穿透之后是電化學(xué)溶解效應(yīng)的鋸齒形波形。

圖6 有、無(wú)冰層輔助穿孔過(guò)程電壓、電流波形 Fig.6 Waveforms of voltage and current during drilling process with and without aided ice layer

圖7 電火花-電解復(fù)合穿孔局部波形 Fig.7 Local waveforms of ECDD

原因分析如下：有、無(wú)冰層輔助2種加工情況下，小孔穿透之前電解加工面為孔壁與孔底部端面，小孔穿透之后，底部端面突然消失，造成電解加工的加工面積突然減小，兩極之間的電壓突然增大電流減小。無(wú)冰層輔助加工時(shí)，小孔穿透之后溶液從孔的出口漏出，造成管電極與孔壁之間無(wú)溶液，即缺液現(xiàn)象，這種缺液現(xiàn)象會(huì)造成加工間隙中尚存的加工產(chǎn)物排出不充分，從而造成管電極與工件之間的二次放電。而冰層輔助加工時(shí)，小孔穿透之后溶液沖擊到輔助冰層上形成沿孔壁向上的反向沖液，管電極對(duì)孔壁進(jìn)行電解作用。

通過(guò)統(tǒng)計(jì)整個(gè)加工過(guò)程中電解效應(yīng)的電壓峰值和電流峰值，每隔0.5 s取一個(gè)值，分別繪制如圖8所示的電解電流、電解電壓隨時(shí)間變化的折線(xiàn)圖，可以看到隨著加工的進(jìn)行，2種情況下的電流峰值都會(huì)上升，電壓峰值都會(huì)下降，這是因?yàn)殡S著穿孔深度的增加，加工過(guò)程的排屑難度也增加，側(cè)壁間隙中的產(chǎn)物濃度增加，導(dǎo)致管電極與工件電極之間的電阻減小，所以電解電壓減小，而電流增大。另一方面，加工過(guò)程中電火花放電會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，造成工件的溫度升高，加工間隙中的溶液溫度也隨之升高，溶液的電導(dǎo)率升高，電解電壓也會(huì)降低，電流也會(huì)增大。此外，冰層輔助加工時(shí)的電解電流峰值一直高于無(wú)冰層輔助加工，而電壓峰值一直低于無(wú)冰層輔助加工，這是因?yàn)楸鶎虞o助加工時(shí)，工件溫度比無(wú)冰層輔助時(shí)要低得多，低溫的工件導(dǎo)致加工間隙中的溶液溫度也相對(duì)較低，溶液的電導(dǎo)率降低，電火花的放電間隙顯著變小，即電解的加工間隙也顯著變小[18]，雖然兩極之間溶液的電導(dǎo)率降低會(huì)導(dǎo)致溶液電阻值一定程度增大，但兩極之間總的電阻值會(huì)變小，因此冰層輔助加工時(shí)的電解電流會(huì)較大，電壓會(huì)較小。

圖8 有、無(wú)冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔電解電流、電壓峰值對(duì)比 Fig.8 Comparison of peak current and voltage for electrochemical process between ECDD with and without aided ice layer

3.2 冰層輔助對(duì)穿孔加工效率的影響

根據(jù)加工過(guò)程中記錄的電壓波形，將整個(gè)加工過(guò)程分為穿透之前和穿透之后，穿透之前即為穿孔過(guò)程，分別統(tǒng)計(jì)有、無(wú)冰層輔助2種加工情況下穿孔過(guò)程的時(shí)間，得到冰層輔助加工穿孔時(shí)間大約為6.5 s，而無(wú)冰層輔助加工時(shí)穿孔時(shí)間大約為5.8 s，因此冰層輔助加工比無(wú)冰層輔助穿孔加工過(guò)程慢了大約0.7 s。

討論冰層輔助對(duì)電火花-電解復(fù)合穿孔加工效率的影響，電火花的加工效率主要與單個(gè)脈沖的蝕除量、放電頻率等因素有關(guān)，單個(gè)脈沖的蝕除量與單個(gè)脈沖的放電能量和金屬材料的熱學(xué)常數(shù)有關(guān)，單個(gè)脈沖的放電能量取決于兩極之間的放電電壓、峰值電流和放電持續(xù)時(shí)間，有、無(wú)冰層輔助2種加工情況下單個(gè)脈沖的放電持續(xù)時(shí)間相同，冰層輔助加工時(shí)單個(gè)脈沖放電電壓略低，而峰值電流略高，因此冰層輔助加工時(shí)單個(gè)脈沖的放電能量略高。另一方面，當(dāng)脈沖放電能量相同時(shí)，金屬的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化熱、汽化熱越高，電蝕量越小，加工效率越低；導(dǎo)熱系數(shù)越大的金屬，由于更容易將瞬間產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)到其他部位，所以會(huì)降低金屬本身的蝕除量，降低加工效率。兩種情況下，工件材料的熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、比熱容、熔化熱、汽化熱都相同，由于導(dǎo)熱系數(shù)與金屬材料的溫度有關(guān)，一般情況下，溫度越低，金屬的導(dǎo)熱系數(shù)越高[19-20]，無(wú)冰層輔助加工時(shí)，工件的溫度會(huì)上升到50 ℃左右，而冰層輔助加工時(shí)工件的溫度會(huì)降到-50 ℃左右，兩種情況下工件溫度差值較大，所以冰層輔助時(shí)工件的導(dǎo)熱系數(shù)比無(wú)冰層輔助時(shí)要大，單個(gè)脈沖的蝕除量可能會(huì)顯著降低，雖然冰層輔助加工時(shí)單個(gè)脈沖的放電能量略高，但綜合分析，冰層輔助加工時(shí)單個(gè)脈沖的蝕除量比無(wú)冰層輔助加工時(shí)小，因此冰層輔助加工時(shí)效率降低。

3.3 冰層輔助對(duì)出入口孔徑的影響

利用徠卡顯微鏡分別對(duì)冰層輔助與無(wú)冰層輔助加工出的小孔進(jìn)行出入口孔徑測(cè)量，記錄并分析孔徑數(shù)據(jù)，得到冰層輔助加工出的小孔平均入口直徑為472 μm，平均出口直徑為390 μm，而無(wú)冰層輔助加工出的小孔平均入口直徑為451 μm，平均出口直徑為366 μm，孔徑對(duì)比如圖9所示。

可以發(fā)現(xiàn)，相同加工參數(shù)下，冰層輔助后小孔的出入口直徑都比無(wú)冰層輔助加工的要大，且如圖10(a)所示，冰層輔助后小孔出口處有明顯的雜散腐蝕，而如圖10(b)所示，無(wú)冰層輔助后的小孔出口處幾乎沒(méi)有雜散腐蝕。原因分析如下：加工過(guò)程中同時(shí)存在著電火花和電解2種加工形式，加工間隙中只要有溶液，管電極對(duì)孔壁及出入口處就有電解作用，無(wú)冰層輔助加工時(shí)，小孔穿透之前加工間隙中一直有反向沖液，入口處一直有電解作用，小孔穿透之后，即小孔穿透瞬間到管電極到達(dá)預(yù)設(shè)深度過(guò)程中，由于存在缺液現(xiàn)象，管電極不能對(duì)孔壁及出入口進(jìn)行電解作用，因此小孔出入口孔徑較小且出口處幾乎沒(méi)有雜散腐蝕。

圖9 有、無(wú)冰層輔助小孔出、入口孔徑對(duì)比 Fig.9 Comparison of diameters for exit and entrance between holes with and without aided ice layer

圖10 有、無(wú)冰層輔助小孔出、入口形貌對(duì)比 Fig.10 Comparison of morphology for exit and entrance between holes with and without aided ice layer

冰層輔助加工時(shí)，穿透之前，加工間隙一直有反向沖液，入口處一直有電解作用，小孔穿透之后，加工間隙中依然有反向沖液，管電極對(duì)入口和出口處依然有電解作用，即延長(zhǎng)了管電極對(duì)出口及入口處的電解作用時(shí)間，因此小孔的出入口孔徑較大且出口處有明顯的雜散腐蝕。

3.4 冰層輔助對(duì)孔壁重鑄層去除的影響

電火花-電解復(fù)合加工時(shí)，電火花加工是通過(guò)高溫蝕除材料，加工過(guò)程中熔融的加工產(chǎn)物遇到溶液會(huì)冷卻附著在孔壁上，形成重鑄層，但是由于電解作用的存在，孔壁上產(chǎn)生的重鑄層會(huì)被電解作用溶解掉，如果電解作用較弱或者電解時(shí)間不夠，孔壁可能會(huì)出現(xiàn)重鑄層的殘留。

無(wú)冰層輔助加工時(shí)，小孔穿透之前加工間隙中一直有反向沖液，管電極對(duì)孔壁進(jìn)行電解作用，去除電火花加工產(chǎn)生的重鑄層，因此孔壁的上部和中部一般都無(wú)重鑄層殘留。小孔穿透之后，由于加工間隙中的缺液現(xiàn)象，即使設(shè)置底部停頓時(shí)間，即小孔穿透后管電極達(dá)到預(yù)設(shè)深度繼續(xù)停留一段時(shí)間，也不能形成有效的反向沖液，因此出口處的重鑄層無(wú)法通過(guò)電解作用去除，同時(shí)在側(cè)邊間隙中尚存的加工產(chǎn)物不能及時(shí)充分的排出，造成管電極對(duì)孔壁產(chǎn)生二次放電，放電產(chǎn)生的高溫熔融產(chǎn)物會(huì)冷卻附著在孔壁上形成新的重鑄層，這些重鑄層由于沒(méi)有電解作用會(huì)殘留在孔壁上，一般會(huì)出現(xiàn)在孔壁的底部。如圖11、圖12(a)所示，孔壁上部和中部都無(wú)重鑄層殘留，底部孔壁有重鑄層殘留。

圖11 無(wú)冰層輔助小孔剖面形貌 Fig.11 Cross-sectional image of holes without aided ice layer

冰層輔助加工時(shí)，小孔穿透之后仍會(huì)形成充足的反向沖液，所以小孔出口處的重鑄層去除比無(wú)冰層輔助加工時(shí)充分，而且通過(guò)設(shè)置底部停頓時(shí)間，延長(zhǎng)管電極對(duì)孔壁的電解時(shí)間，則可以進(jìn)一步提升重鑄層的去除效果，圖12(b)、圖13是底部停頓4 s時(shí)加工出的小孔剖面圖，可以發(fā)現(xiàn)孔壁上、中、下部重鑄層殘留都明顯減少。

綜上，無(wú)冰層輔助加工時(shí)，小孔的上部和中部孔壁無(wú)重鑄層殘留，底部會(huì)出現(xiàn)重鑄層的殘留，冰層輔助加工在增加底部停頓時(shí)間的情況下，可以顯著提高重鑄層的去除效果，有望實(shí)現(xiàn)小孔整個(gè)孔壁重鑄層的完全去除。

圖12 無(wú)、有冰層輔助小孔孔壁重鑄層去除效果對(duì)比 Fig.12 Comparison of effect of removal of recast layer on hole walls between holes without and with aided ice layer

圖13 冰層輔助小孔剖面形貌 Fig.13 Cross-sectional morphology of holes with aided ice layer

4 結(jié) 論

1) 提出了冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔加工的方法，通過(guò)在工件底部填充冰層解決了電火花-電解復(fù)合穿孔加工小孔穿透之后的漏液?jiǎn)栴}，提升了重鑄層去除效果，從而提高小孔的加工質(zhì)量。設(shè)計(jì)了輔助冰層的制備裝置，搭建了冰層輔助電火花-電解穿孔加工試驗(yàn)平臺(tái)，并進(jìn)行了有、無(wú)冰層輔助電火花-電解復(fù)合穿孔加工的對(duì)比試驗(yàn)。

2) 試驗(yàn)結(jié)果表明，冰層輔助加工小孔穿透后，管電極中的高壓溶液沖擊到冰層上可以形成沿孔壁向上的反向沖液，有效的解決了小孔穿透之后的漏液?jiǎn)栴}，在設(shè)置4 s的底部停頓時(shí)間的基礎(chǔ)上，即延長(zhǎng)管電極對(duì)孔壁的電解時(shí)間，可以獲得較好的重鑄層去除效果，有望實(shí)現(xiàn)小孔整個(gè)孔壁的重鑄層完全去除。

[1] 朱海南, 齊歆霞. 渦輪葉片氣膜孔加工技術(shù)及其發(fā)展[J]. 航空制造技術(shù), 2011(13): 71-74.

ZHU H N, QI X X. Development of machining technology gas holes on turbine blades[J]. Aeronautical Manufacturing Technology, 2011(13): 71-74 (in Chinese).

[2] 梁潔萍, 周知進(jìn). 微小孔加工與微細(xì)鉆頭[J]. 湘潭師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2004, 26(4): 56-58.

LIANG J P, ZHOU Z J. Machining on microvoid and micro-drill[J]. Journal of Xiangtan Normal University (Natural Science Edition), 2004, 26(4): 56-58 (in Chinese).

[3] 應(yīng)人龍, 曾莉群, 顧大強(qiáng). 微小孔加工技術(shù)綜述[J]. 機(jī)床與液壓, 2008, 36(6): 144-148.

YING R L, ZENG L Q, GU D Q. Review of micro-hole machining technology[J]. Machine Tool & Hydraulics, 2008, 36(6): 144-148 (in Chinese).

[4] 施文軒, 張明歧, 殷旻, 等. 電射流加工工藝研究和發(fā)展[J]. 電加工與模具, 2001(1): 36-39.

SHI W X, ZHANG M Q, YIN M, et al. Investigation and development of the electro-stream technology[J]. Electromachining & Mould, 2001(1): 36-39 (in Chinese).

[5] KUNIEDA M, MIZUGAI K, WATANABE S, et al. Electrochemical micromachining using flat electrolyte jet[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2011, 60(1): 251-254.

[6] 段文強(qiáng), 王恪典, 董霞, 等. 激光旋切法加工高質(zhì)量微小孔工藝與理論研究[J]. 西安交通大學(xué)學(xué)報(bào), 2015, 49(3): 95-103.

DUAN W Q, WANG K D, DONG X, et al. Study on machining of high-quality micro-holes by laser trepan drilling[J]. Journal of Xi’an Jiaotong University, 2015, 49(3): 95-103 (in Chinese).

[7] MASUZAWA T. Machining characteristics of EDM using water as dielectric fluid[C]//The 22nd International Machine Tool Design and Research (MTDR) Conference. Manchester: University of Manchester Institute of Science and Technology, 1981: 441-447.

[8] MASUZAWA T, KUO C L, FUJINO M. A combined electrical machining process for micronozzle fabrication[J]. CIRP Annals-Manufacturing Technology, 1994, 43(1): 189-192.

[9] CHUNG D K, SHIN H S, KIM B H, et al. Surface finishing of micro-EDM holes using deionized water[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2009, 19(4): 1-7.

[10] HUNG J C, YAN B H, LIU H S, et al. Micro-hole machining using micro-EDM combined with electropolishing[J]. Journal of Micromechanics and Microengineering, 2006, 16(8): 1480-1486.

[11] NGUYEN M D, RAHMAN M, WONG Y S. Transitions of micro-EDM/SEDCM/micro-ECM milling in low-resistivity deionized water[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2013, 69: 48-56.

[12] NGUYEN M D，RAHMAN M，WONG Y S. Simultaneous micro-EDM and micro-ECM in low-resistivity deionized water[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2012, 54-55: 55-65.

[13] ZHANG Y, XU Z Y, ZHU D, et al. Tube electrode high-speed electrochemical discharge drilling using low-conductivity salt solution[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2015, 92: 10-18.

[14] ZHANG Y, XU Z Y, ZHU D, et al. Drilling of film cooling holes by a EDM/ECM in situ combined process using internal and side flushing of tubular electrode[J]. International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2016, 83(1-4): 505-517.

[15] 張建華, 張勤河, 賈志新, 等. 復(fù)合加工[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2015: 154-155.

ZHANG J H, ZHANG Q H, JIA Z X, et al. Combined machining[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2015: 154-155 (in Chinese).

[16] 朱云. 微小孔電火花-電解復(fù)合加工穿透檢測(cè)及實(shí)驗(yàn)研究[D]. 南京: 南京航空航天大學(xué), 2016: 1-18.

ZHUN Y. Penetration detection and experiments of EDM&ECM hybrid machining for micro-hole[D]. Nanjing： Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016:1-18 (in Chinese).

[17] 朱荻, 張彥, 徐正揚(yáng), 等. 基于低溫環(huán)境的冰凍輔助微小孔加工方法及裝置: CN104801801A[P]. 2015-07-29.

ZHU D, ZHANG Y, XU Z Y, et al. Device and method for machining micro-holes under low temperature with aided ice: CN104801801A[P]. 2015-07-29 (in Chinese).

[18] 徐家文, 云乃彰, 王建業(yè), 等. 電化學(xué)加工技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2008: 6-35.

XU J W, YUN N Z, WANG J Y, et al. Electrochemical machining technique[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2008: 6-35 (in Chinese).

[19] 趙萬(wàn)生. 先進(jìn)電火花加工技術(shù)[M]. 北京：國(guó)防工業(yè)出版社, 2003: 13-20.

ZHANG W S. Advanced electrical discharge machining technology[M]. Beijing: National Defense Industry Press, 2003: 13-20 (in Chinese).

[20] 王振龍, 趙萬(wàn)生. 微細(xì)電火花加工中電極材料的蝕除機(jī)理研究[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2002, 21(1): 124-126.

WANG Z L, ZHANG W S. Research on the erosion process of electrode materials in micro-EDM[J]. Mechanical Science and Technology, 2002, 21(1): 124-126 (in Chinese).

(責(zé)任編輯： 李世秋)

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161019.1313.004.html

Effectsofaidedicelayeronelectrochemicaldischargedrilling

DINGFei,XUZhengyang*,WANGFeng,ZHANGYan

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China

Theprocessingmethodofelectrochemicaldischargedrilling(ECDD)isexpectedtoachievehighefficiencymachiningofthedifficult-to-machinematerialoffilmcoolingholeswithoutrecastlayeronturbineblade.Inordertofurtherimprovethemachiningqualityofholewalls,anewprocessingmethodofECDDwithicelayerfilledatthebottomoftheworkpieceisproposed.Theeffectsoficelayeroncurrentandvoltagewaveformbetweentoolelectrodeandworkpieceelectrode,machiningefficiency,thediameteroftheentranceandexit,andremovalofrecastlayeronholewallsareanalyzed.ContrastexperimentsbetweenECDDwithaidedicelayerandECDDwithoutaidedicelayerareconducted.Experimentresultsshowthattheaidedicelayercanhelptoformsufficientreverseflushingofworkingfluidandeffectivelysolvetheproblemofworkingfluidleakageafterpenetration.Afterpenetrationofsmallholes,thetubeelectrodestaysforafewsecondsatthepredetermineddepthtoincreasetheelectrochemicaldissolutiontime,sothattheECDDwithaidedicelayercanenhancetheremovaleffectofrecastlayer,andisexpectedtoachievecompleteremovalofentirerecastlayerofthewallofsmallholes.

aidedicelayer;electrochemicaldischargedrilling(ECDD);waveform;machiningefficiency;recastlayer

2016-07-27；Revised2016-08-29；Accepted2016-09-12；Publishedonline2016-10-191313

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51475237);NationalHigh-techResearchandDevelopmentProgramofChina(2013AA040101)

.E-mailxuzhy@nuaa.edu.cn

2016-07-27；退修日期2016-08-29；錄用日期2016-09-12； < class="emphasis_bold">網(wǎng)絡(luò)出版時(shí)間

時(shí)間：2016-10-191313

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國(guó)家自然科學(xué)基金 (51475237)； 國(guó)家“863計(jì)劃” (2013AA040101)

.E-mailxuzhy@nuaa.edu.cn

丁飛， 徐正揚(yáng)， 王豐， 等． 冰層輔助對(duì)電火花-電解復(fù)合穿孔的影響J． 航空學(xué)報(bào),2017,38(5):420643.DINGF,XUZY,WANGF,etal.EffectsofaidedicelayeronelectrochemicaldischargedrillingJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(5):420643.

http://hkxb.buaa.edu.cnhkxb@buaa.edu.cn

10.7527/S1000-6893.2016.0256

V261.94

A

1000-6893(2017)05-420643-09