管電極電解加工三角孔實(shí)驗(yàn)研究

孟生冬 ，干為民 ，陳 陽 ，朱 燁 ，蔣麗偉 ，王 新

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州 213022；2.江蘇省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213032；3.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213164）

異形孔在航空航天領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，如被譽(yù)為發(fā)動(dòng)機(jī)“心臟”的燃燒室，采用內(nèi)、外兩層的浮動(dòng)壁結(jié)構(gòu)，能有效改善燃燒室溫度分布、提高燃燒室壽命和可靠性，其內(nèi)層結(jié)構(gòu)分為多個(gè)弧形斜孔壁面、外環(huán)表面布滿沖擊進(jìn)氣孔，這些孔結(jié)構(gòu)的尺寸精度要求高，難以采用常規(guī)方法加工[1]。為了降低航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪承受的高溫、高壓燃?xì)鉀_擊，氣膜冷卻作為代表性的冷卻技術(shù)應(yīng)用于渦輪，但有許多空間角度復(fù)雜、出氣口形狀不規(guī)則的異形孔成為了加工難題[2]，如隱形戰(zhàn)機(jī)采用陣列群孔的金屬柵格結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣道隱身，柵格形狀大多數(shù)為方形、三角形和梯形[3]。對(duì)于這些常見的異形孔，用傳統(tǒng)機(jī)械鉆削加工存在困難，用電火花或激光加工又存在表面再鑄層的問題。

電解加工是一種利用電化學(xué)氧化還原反應(yīng)原理，使工件金屬不斷失去電子發(fā)生陽極溶解而將工件加工成形的現(xiàn)代加工方法[4]，具有不受材料力學(xué)性能限制、無工具損耗、無重熔層等優(yōu)點(diǎn)。常用的電解加工小孔的方法有電化學(xué)射流加工、掩膜電解加工、管電極電解加工等。其中，管電極電解加工作為一種采用中空金屬管作為工具陰極，對(duì)陽極工件進(jìn)行溶解去除的加工技術(shù)，在異形孔加工方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)[5]。近年來，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)電解加工異形孔做了許多探索和研究。房曉龍等[6]建立了方孔加工間隙內(nèi)的電解液流動(dòng)模型，分析了電極內(nèi)孔形狀及尺寸對(duì)加工區(qū)流場(chǎng)均勻性的影響規(guī)律，其結(jié)果表明：電極內(nèi)孔橫截面積越大，加工區(qū)流場(chǎng)分布越均勻，加工穩(wěn)定性和精度均可得到提高。楊振文等[7]設(shè)計(jì)了一種包含陰極通液槽結(jié)構(gòu)和陰極振動(dòng)進(jìn)給模式的流場(chǎng)模型，結(jié)果表明：在弧形通液槽陰極加工時(shí)，菱形孔底面電解液流速分布較均勻，陰極振動(dòng)進(jìn)給能降低菱形孔底面的電解液流速。劉壯等[8]采用側(cè)壁絕緣成形金屬管電極，在普通機(jī)床及直流電源的基礎(chǔ)上進(jìn)行了提高小孔加工精度的試驗(yàn)研究，結(jié)果表明：采用側(cè)壁絕緣的陰極可加工出近似零錐度的小孔，采用較小的電壓和較大的陰極進(jìn)給速度有利于減小小孔側(cè)面加工間隙，提高孔加工精度。Skoczypiec[9]建立了管電極電解加工間隙流場(chǎng)模型，仿真分析了超聲輔助電解加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，電極的超聲振動(dòng)可促使電解產(chǎn)物排出，提高加工精度。Hewidy等[10]提出了電極低頻振動(dòng)復(fù)合電解加工方法，能改善加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)狀態(tài)，提高孔的表面質(zhì)量。本文選取異形孔中的三角形孔作為加工試驗(yàn)對(duì)象，采用中性鹽溶液NaNO3溶液作為電解液，進(jìn)行單因素試驗(yàn)研究，尋找到提高三角孔電解加工精度的方法。

1 實(shí)驗(yàn)原理及系統(tǒng)裝置

1.1 實(shí)驗(yàn)原理

圖1是管電極電解加工三角形單孔的原理示意圖。電解液從工具陰極的通液槽流入電解加工區(qū)域，再?gòu)墓茈姌O側(cè)壁流出。工件接電源正極，工具接電源負(fù)極，接通電源后，打開電解液開關(guān)，機(jī)床主軸開始以恒定的速度向工件表面進(jìn)給，在電化學(xué)作用下工件表面不斷被蝕除，最終加工出三角孔。

圖1 管電極電解加工三角形單孔示意圖

1.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)裝置

圖2是管電極電解加工三角形孔的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)主要由電解加工機(jī)床、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)及電源系統(tǒng)等組成。電解加工機(jī)床為自主研制的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電解機(jī)械復(fù)合加工機(jī)床，具有數(shù)控電解復(fù)合鉆削、切割、鏜銑削、磨削和機(jī)械復(fù)合拋光加工等功能；電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)可對(duì)加工后帶有雜質(zhì)的濾液進(jìn)行過濾，進(jìn)而得到純凈的電解液，保證了加工精度及加工的穩(wěn)定性；電源系統(tǒng)采用WWL-SS41型可控硅整流超大功率直流穩(wěn)壓穩(wěn)流智能電源，其額定電壓為24 V，占空比可調(diào)。

圖2 三角孔電解加工系統(tǒng)示意圖

2 實(shí)驗(yàn)安排及結(jié)果分析

2.1 實(shí)驗(yàn)安排

試驗(yàn)采用三棱柱形狀的管電極作為陰極，其底面形狀為邊長(zhǎng)8 mm的正三角形（圖3），通液槽直徑為2.5 mm，陰極長(zhǎng)度為40 mm，工件陽極為厚度11 mm的304不銹鋼板。采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液作為電解液，設(shè)定入口壓力為0.5 MPa。在其他加工條件不變的情況下，研究了電壓、進(jìn)給速度、初始間隙3個(gè)加工參數(shù)對(duì)三角形孔加工精度的影響。

圖3 電解加工用陰極

加工開始前，將工裝夾具架于機(jī)床上，進(jìn)液口管道與電解液壓力泵相連并做好防水處理，電源正、負(fù)極分別與工件和工具連接。然后，進(jìn)行對(duì)刀工作，將萬用表的兩端分別與工具和工件連接，搖動(dòng)手柄使工具向下進(jìn)給，當(dāng)工具與工件碰觸時(shí)，萬用表發(fā)出響聲，即可找到對(duì)刀點(diǎn)，再設(shè)置初始加工間隙并編好程序。最后，打開壓力泵開關(guān)和電源開關(guān)，啟動(dòng)加工程序。電解加工裝置各部件的實(shí)際連接情況見圖4。

圖4 電解加工實(shí)物連接圖

2.2 初始間隙對(duì)三角孔加工精度的影響

實(shí)驗(yàn)選取加工電壓為20 V、陰極進(jìn)給速度為1.0 mm/min，在初始加工間隙分別為0.15、0.175、0.2、0.225、0.25 mm條件下進(jìn)行三角孔電解加工實(shí)驗(yàn)。如圖5所示，加工過程中，三角孔的錐度會(huì)隨著初始加工間隙的增加而逐漸增大。由式（1）可知：

隨著加工間隙Δ減小，以近似二次方的變化率劇增，反映了小間隙加工時(shí)的集中蝕除能力顯著增強(qiáng)，從而導(dǎo)致整平比增加、孔錐度減小、成形精度提高。因此，選擇小間隙加工并使初始間隙與平衡間隙盡量接近，有利于提高三角孔的電解加工精度。

圖5 初始加工間隙對(duì)三角孔錐度的影響

2.3 陰極進(jìn)給速度對(duì)三角孔加工精度的影響

實(shí)驗(yàn)選取加工電壓為20 V、初始加工間隙為0.2 mm， 在陰極進(jìn)給速度分別為 0.6、0.7、0.8、0.9、1.0 mm/min條件下進(jìn)行三角孔電解加工實(shí)驗(yàn)。如圖6所示，加工過程中的三角孔錐度會(huì)隨著進(jìn)給速度的增加而逐漸減小。由式（2）可知：

由于電解液參數(shù)、工件材料、加工電參數(shù)均保持不變，陽極溶解速度與陰極進(jìn)給速度呈反比。當(dāng)進(jìn)給速度增大時(shí)，同一位置的電解加工時(shí)間縮短、電化學(xué)溶解區(qū)域減小、孔的錐度減?。煌瑫r(shí)，進(jìn)給速度的增大也使得加工效率得到提高。然而，隨著進(jìn)給速度的增大、加工間隙的減小，加工產(chǎn)物排出變得困難，易引起短路并造成工件加工區(qū)域燒傷，進(jìn)而降低成形精度和加工表面質(zhì)量。

圖6 陰極進(jìn)給速度對(duì)三角孔錐度的影響

2.4 加工電壓對(duì)三角孔加工精度的影響

實(shí)驗(yàn)選取初始加工間隙為0.2 mm、陰極進(jìn)給速度為 1.0 mm/min，在加工電壓分別為 18、19、20、21、22 V條件下進(jìn)行三角孔電解加工實(shí)驗(yàn)。如圖7所示，加工過程中的三角孔錐度會(huì)隨著電壓的增加而逐漸增大。由式（2）可知，在其他加工參數(shù)條件不變的情況下，加工電壓與電流密度值成正比，若電流密度增大會(huì)使材料去除量增大；在進(jìn)給速度不變的情況下，加工電壓的增大會(huì)使加工間隙增大、電化學(xué)溶解范圍增大、集中蝕除能力下降，型孔的錐度也隨之變大。因此，選擇低電壓加工能很好地提高加工過程中的集中蝕除能力、減小雜散腐蝕、降低孔的錐度，從而提高三角孔的加工精度。

圖7 電壓對(duì)三角孔加工錐度的影響

通過上述工藝參數(shù)影響規(guī)律的研究，擇優(yōu)選取初始加工間隙為0.15 mm、進(jìn)給速度為1.0 mm/min、加工電壓為16 V，在304不銹鋼試件上加工三角形孔。經(jīng)測(cè)量，三角孔的單邊長(zhǎng)為8.186 mm、錐度為7.25°，其形狀精度良好、表面質(zhì)量較高，且加工過程穩(wěn)定，未發(fā)生短路現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

本文通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了管電極電解加工三角孔的可行性。研究認(rèn)為，采用較小的初始加工間隙、較高的進(jìn)給速度和較低的加工電壓能有效地降低三角孔的側(cè)壁錐度、提高三角孔的電解加工精度。研究結(jié)果對(duì)于三角孔及其他方孔、梯形孔等異形孔的加工具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)：

[1]趙清杰，李彬.浮動(dòng)瓦塊冷卻結(jié)構(gòu)在燃燒室中的應(yīng)用和發(fā)展[J].燃?xì)鉁u輪試驗(yàn)與研究，2001，14（1）：10-13.

[2]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.

[3]張樂，周洲，許曉平，等.飛翼無人機(jī)3種保形進(jìn)氣口進(jìn)氣道氣動(dòng)與隱身綜合特性對(duì)比 [J].航空動(dòng)力學(xué)報(bào)，2015，30（7）：1651-1660.

[4]王維，朱荻，曲寧松，等.管電極電解加工工藝過程穩(wěn)定性研究[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào)，2010，46（11）：179-184.

[5]王建業(yè)，徐家文.電解加工原理及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2001.

[6]房曉龍，曲寧松，李寒松，等.電極內(nèi)孔結(jié)構(gòu)對(duì)鈦合金方孔電解加工的影響 [J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào) （自然科學(xué)版），2013，41（9）：137-142.

[7]楊振文，趙建社，呂焱明，等.菱形孔振動(dòng)進(jìn)給電解加工工藝穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)研究[C]//2016年全國(guó)電化學(xué)加工技術(shù)研討會(huì)會(huì)議論文集.連云港，2016：48-54.

[8]劉壯，劉燕，王維，等.提高小孔電解加工精度的試驗(yàn)研究[J].機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2009，28（3）：380-385.

[9]SKOCZYPIEC S.Research on ultrasonically assisted electrochemicalmachining process [J].International Journal of Advanced Manufacture Technology，2011，52（5-8）：565-574.

[10]HEWIDY M S，EBEID S J，EI-TAWEEL T A，et al.Modeling the performance of ECM assisted by low frequency vibrations[J].Journal of Materials Processing Technology，2007（1-3）：466-472.