NaCl-乙二醇溶液微細(xì)電解加工Ti6Al4V實(shí)驗(yàn)研究

余寧，房曉龍，曾永彬，鄒祥和

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

Ti6Al4V鈦合金材料具有密度小、比強(qiáng)度高、韌性較高及優(yōu)異的耐腐蝕特性，被廣泛應(yīng)用于航空、汽車和生物醫(yī)療器械等領(lǐng)域[1-2]。但由于其熱導(dǎo)系數(shù)低，易與刀具材料發(fā)生反應(yīng)，鈦合金也是典型的難加工材料[3]，使得機(jī)械加工時(shí)存在嚴(yán)重的工具損耗、加工表面完整性差、回彈和殘余應(yīng)力等問題[4]。近年來，多種特種加工方法被用來加工鈦合金，如電火花加工、激光加工和電解加工。電火花加工和激光束加工是通過高溫熔化和氣化去除材料，加工表面存在重鑄層和熱影響區(qū)，影響零件的疲勞壽命[5-6]。而電解加工是利用金屬陽極溶解反應(yīng)去除材料，工具陰極與工件陽極在加工過程中不接觸，加工材料不受強(qiáng)度和硬度的限制，工具陰極無損，是一種有效的難加工材料加工方法。同時(shí)，電解加工的工件具有表面質(zhì)量好、無重鑄層、無微裂紋等優(yōu)點(diǎn)[7-8]。研究人員在鈦合金電解加工方面進(jìn)行了大量研究。張美麗采用NaNO3、NaCl及含EDTA添加劑的電解液進(jìn)行了電解加工Ti6Al4V實(shí)驗(yàn)，選用合適濃度的電解液及恰當(dāng)?shù)碾妳?shù)，獲得了較好的加工質(zhì)量[9-10]。李寒松等采用掩膜電解加工技術(shù)和NaNO3水溶液，在Ti6Al4V工件表面制造出平均直徑為2.54 mm的陣列微孔[11]。陳曉磊等在NaNO3溶液中，采用聚二甲基硅氧烷（PDMS）微孔模板在Ti6Al4V工件表面進(jìn)行微凹坑加工實(shí)驗(yàn)，利用優(yōu)化后的參數(shù)制造出直徑為110 μm、深度為20 μm的微凹坑陣列[12]。陳學(xué)振等通過正交試驗(yàn)研究了NaCl溶液中電解加工參數(shù)對(duì)鈦合金Ti60表面粗糙度的影響，并采用優(yōu)化后的參數(shù)加工出表面粗糙度為Ra0.912 μm的整體葉盤葉片[13]。

鈦合金電解加工產(chǎn)物多呈絮狀，且體積大，而微細(xì)電解加工間隙通常僅數(shù)十微米，故加工產(chǎn)物排出困難；同時(shí)，工件浸泡在電解液中，其加工表面極易出現(xiàn)雜散腐蝕，形成點(diǎn)蝕缺陷。為此，本文采用NaCl-乙二醇電解液加工Ti6Al4V鈦合金，該電解液具有的少、無氧環(huán)境能避免加工過程中鈦合金表面產(chǎn)生鈍化膜，有利于加工進(jìn)行，且其具有的弱導(dǎo)電性能可弱化電場、降低雜散電流、減少點(diǎn)蝕；同時(shí)采用螺旋電極加快傳質(zhì)、促進(jìn)產(chǎn)物排出。本文首先測量了NaCl-乙二醇電解液中Ti6Al4V材料的極化曲線，了解其電化學(xué)溶解行為，在此基礎(chǔ)上研究了電解加工參數(shù)對(duì)加工縫寬的影響。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及原理

螺旋電極電解加工原理見圖1。螺旋電極在電解加工過程中跟隨電主軸做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于電極表面有螺旋狀溝槽，電極旋轉(zhuǎn)會(huì)帶動(dòng)加工間隙內(nèi)的電解液做圓周運(yùn)動(dòng)和垂直方向運(yùn)動(dòng)，加速電解液的更新，提高加工的精度和穩(wěn)定性。根據(jù)電解加工原理可得加工參數(shù)與加工縫寬的關(guān)系（圖2）：

式中：s為加工縫寬；ΔS為加工間隙；d為螺旋電極直徑；Δb為前端間隙；v為加工速度；η為電流效率；ω為鈦合金Ti6Al4V的電化學(xué)當(dāng)量；κ為電導(dǎo)率；U為加工電壓。

圖1 螺旋電極電解加工原理圖

圖2 加工縫寬示意圖

實(shí)驗(yàn)采用微螺旋電極作為工具，結(jié)合高精度的多軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)，基于電化學(xué)陽極溶解原理對(duì)鈦合金材料進(jìn)行加工，實(shí)驗(yàn)裝置見圖3。電解加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、脈沖電源、示波器、CCD觀測系統(tǒng)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)和轉(zhuǎn)速控制器等。其中，XYZ運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)由運(yùn)動(dòng)控制卡控制，螺旋電極與電主軸連接并在加工時(shí)跟隨電主軸旋轉(zhuǎn)，工件隨XY軸做平面進(jìn)給運(yùn)動(dòng)；脈沖電源為加工提供能量，保證加工持續(xù)進(jìn)行；示波器可監(jiān)測加工過程中的電流和加工的穩(wěn)定性；CCD可觀測加工區(qū)的狀況；轉(zhuǎn)速控制器可控制電主軸的轉(zhuǎn)速。

圖3 電解加工實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)及裝置

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 Ti6Al4V在不同電解液中的溶解特性

為了研究Ti6Al4V在NaCl水溶液和NaCl-乙二醇溶液中的溶解特性，使用電化學(xué)工作站分別測量了Ti6Al4V在1 mol/L的NaCl水溶液和1 mol/L的NaCl-乙二醇溶液中的極化曲線，結(jié)果見圖4。在測量過程中，將鉑電極作為對(duì)電極、甘汞電極作為參比電極、鈦合金作為工件陽極，并設(shè)掃描速度為100 mV/s、采樣間隔為0.1 s、測量電位為-2～20 V。測量時(shí)的電流闕值為5 A，當(dāng)電流閾值超過5 A時(shí)，測量自動(dòng)停止。

圖4 Ti6Al4V在不同溶液中的極化曲線

由圖4a可知，Ti6Al4V在NaCl水溶液中，當(dāng)電勢低于6.8 V時(shí)，電流密度處于鈍化區(qū)，電流值接近于0，且隨著電勢增加基本不增大；而當(dāng)電勢高于6.8 V時(shí)，電流密度進(jìn)入超鈍化區(qū)，電流值隨著電勢增加而顯著增大。由圖4b可知，Ti6Al4V在NaCl-乙二醇溶液中，不存在明顯的鈍化區(qū)和超鈍化區(qū)，電流值隨著電勢增加而逐漸增大。這可能是由于NaCl-乙二醇溶液中無水分，在電解加工時(shí)可阻止鈍化膜的形成，提高工件的加工性能。此外，由圖4可看出，NaCl水溶液中的電流密度為A/cm2級(jí)別，而NaCl-乙二醇溶液中的電流密度僅為mA/cm2級(jí)別，這是因?yàn)? mol/L的NaCl水溶液的電導(dǎo)率為82.3 mS/cm，而1 mol/L的NaCl-乙二醇溶液的電導(dǎo)率僅為4.01 mS/cm。

2.2 加工參數(shù)對(duì)加工縫寬的影響

分析可知，Ti6Al4V在NaCl-乙二醇溶液中不存在明顯的鈍化區(qū)和超鈍化區(qū)，故實(shí)驗(yàn)采用1 mol/L的NaCl-乙二醇溶液作為電解液，將直徑為200 μm的PCB微鉆頭作為工具陰極、厚度為0.7 mm的Ti6Al4V作為工件陽極，研究了不同加工參數(shù)對(duì)加工縫寬的影響，具體的加工參數(shù)見表1。

表1 電解加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

2.2.1 加工電壓對(duì)加工縫寬的影響

在表1所示的加工電壓條件下，選取頻率為200 kHz、占空比為30%、主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min、加工速度為0.3 μm/s，所得縫寬隨電壓變化的關(guān)系見圖5，加工微縫見圖6。由式（1）～式（3）可知，隨著電壓增加，前端間隙增大，繼而加工縫寬增大。當(dāng)電壓為11、12 V時(shí)，加工頻繁出現(xiàn)短路，加工失??；當(dāng)電壓為13 V時(shí)，加工縫寬為235.4 μm；當(dāng)加工電壓增至16 V時(shí)，縫寬為367.3 μm，故認(rèn)為最佳加工電壓為13 V。

2.2.2 脈沖頻率對(duì)加工縫寬的影響

在表1所示的脈沖頻率條件下，選取加工電壓為13 V、占空比為30%、主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min、加工速度為0.3 μm/s，所得縫寬隨脈沖頻率變化的關(guān)系見圖7，加工微縫見圖8?？梢?，隨著脈沖頻率增加，加工縫寬逐漸變小。當(dāng)頻率為20 kHz時(shí)，加工縫寬為364.7 μm；當(dāng)頻率增至200 kHz時(shí)，加工縫寬為235.4 μm，故認(rèn)為最佳脈沖頻率為200 kHz。

圖5 縫寬隨加工電壓的變化曲線

圖6 不同電壓加工的微縫

圖7 縫寬隨脈沖頻率的變化曲線

圖8 不同脈沖頻率加工的微縫

2.2.3占空比對(duì)加工縫寬的影響

在表1所示的占空比條件下，選取加工電壓為13 V、脈沖頻率為200 kHz、主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min、加工速度為0.3 μm/s，所得縫寬隨占空比變化的關(guān)系見圖9，加工微縫見圖10。隨著占空比增加，每個(gè)周期內(nèi)的加工時(shí)間增多，導(dǎo)致平均加工電流增大和材料去除量增加，進(jìn)而導(dǎo)致加工縫寬增大。當(dāng)占空比為30%時(shí)，加工縫寬為235.4 μm；當(dāng)占空比增至45%時(shí)，加工縫寬為365.9 μm，故認(rèn)為最佳占空比為30%。

圖9 縫寬隨占空比的變化曲線

圖10 不同占空比加工微縫圖片

2.2.4 主軸轉(zhuǎn)速對(duì)加工縫寬的影響

在表1所示的主軸轉(zhuǎn)速條件下，選取加工電壓為13 V、脈沖頻率為200 kHz、占空比為30%、加工速度為0.3 μm/s，所得縫寬隨主軸轉(zhuǎn)速變化的關(guān)系見圖11，加工微縫見圖12。由于螺旋電極可加速加工間隙內(nèi)產(chǎn)物的排出，所以主軸轉(zhuǎn)速變化對(duì)加工縫寬的影響不像其他參數(shù)那樣明顯。當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為4000 r/min時(shí)，加工縫寬為235.4 μm；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為6000 r/min時(shí)，加工縫寬為248.1 μm；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為8000 r/min時(shí)，加工縫寬為241.2 μm；當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速為10000 r/min時(shí)，加工縫寬為226.8 μm，故認(rèn)為最佳主軸轉(zhuǎn)速為10000 r/min。

2.3 利用最優(yōu)電參數(shù)加工典型結(jié)構(gòu)

通過對(duì)上述參數(shù)的單因素研究，得出最適合NaCl-乙二醇溶液微細(xì)電解加工的工藝參數(shù)為：加工電壓13 V、脈沖頻率200 kHz、占空比30%、主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min、加工速度0.3 μm/s。利用該優(yōu)化參數(shù)，在厚度為0.7 mm的Ti6Al4V工件上加工出如圖13所示的“N”型典型微細(xì)結(jié)構(gòu)。

圖11 縫寬隨主軸轉(zhuǎn)速的變化曲線

圖12 不同轉(zhuǎn)速加工微縫圖片

圖13 最優(yōu)參數(shù)加工“N”型微細(xì)結(jié)構(gòu)

3 結(jié)束語

根據(jù)實(shí)驗(yàn)得出的極化曲線和溶液電導(dǎo)率測量結(jié)果，NaCl-乙二醇電解液的少、無氧環(huán)境能避免加工過程中鈦合金表面產(chǎn)生鈍化膜，有利于低電流密度條件下加工，其具有的弱導(dǎo)電性能弱化電場、降低雜散電流、減少點(diǎn)蝕。通過單因素實(shí)驗(yàn)研究了加工參數(shù)對(duì)加工縫寬的影響，得到優(yōu)化的加工參數(shù)為：電壓13 V、脈沖頻率200 kHz、占空比30%、主軸轉(zhuǎn)速10000 r/min、加工速度0.3 μm/s；同時(shí)得出，螺旋電極轉(zhuǎn)速的變化對(duì)加工縫寬的影響不明顯。

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