小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工試驗研究

徐 波，干為民，王祥志，何亞峰，尹飛鴻，周敘榮

（ 1. 常州工學(xué)院航空與機械工程學(xué)院，江蘇常州213002；2. 江蘇省高校特種加工重點實驗室，江蘇常州213002 ）

采用螺旋肋化通道是提高冷卻孔冷卻效果的有效方法，關(guān)于小孔徑內(nèi)表面細(xì)微結(jié)構(gòu)傳熱性能的相關(guān)研究表明，具有表面強化結(jié)構(gòu)的冷卻孔較光滑孔的傳熱效率大大提高[1]，湯勇等[2]在銅孔光滑孔的內(nèi)表面加工出具有凹槽的微型結(jié)構(gòu)，并通過研究發(fā)現(xiàn)其傳熱效率高，最好的效果達(dá)到了普通光滑孔的4 倍。

針對此類表面強化結(jié)構(gòu)的加工，國內(nèi)已有一定研究。 逄珊珊等[3]針對細(xì)長孔的擴(kuò)孔加工研制了專用試驗裝置，總結(jié)了電流密度、脈沖頻率等參數(shù)對加工結(jié)果的影響規(guī)律；陳明、朱成康等[4-5]針對肋化通道中的螺旋冷卻孔， 在建立數(shù)學(xué)模型后利用MATLAB 軟件對成形過程進(jìn)行模擬仿真，并通過試驗驗證了模型的合理性；王明環(huán)等[6]針對渦輪葉片竹節(jié)孔冷卻通道， 采用電解反拷法制備工具陰極，通過FLUENT 軟件多相流模型分析了螺旋孔深度變化對加工間隙中流場分布的影響，最后高效加工出竹節(jié)孔結(jié)構(gòu)；張垚彬[7]在搭建低頻振動電解加工平臺的基礎(chǔ)上，采用改性后光敏樹脂絕緣法，通過數(shù)值模擬和試驗研究了陰極低頻振動時小孔內(nèi)壁微結(jié)構(gòu)的成形規(guī)律。

本文基于電解加工方法，以光滑小孔內(nèi)壁為加工對象，設(shè)計螺旋形陰極，通過在陰極非絕緣螺旋形表面與陽極小孔間施加電場和流場，從而加工出小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)。

1 小孔徑螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工原理

圖1 是小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工原理總圖。 其中，圖1a 是螺旋形陰極，其側(cè)面為具有一定導(dǎo)程的螺旋槽，槽內(nèi)設(shè)有絕緣材料，側(cè)壁螺旋形裸露部分為工作部分。 圖1b 是工件， 其內(nèi)設(shè)有預(yù)制孔，預(yù)制孔孔徑與陰極外徑兩者差值的一半為初始加工間隙， 對電解加工的成形結(jié)果有著重要影響。圖1c 是小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工示意， 在加工過程中，電解液通過復(fù)合刀柄從陰極內(nèi)部通孔流入底部和側(cè)壁加工間隙，最后從出口流出。 由于陰極螺旋凹槽處設(shè)有絕緣層，工件表面與絕緣層正對的部分不形成電場，從而不被加工；而陰極螺旋形裸露表面的工作部分與工件材料形成電場，在流場的共同作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕而被加工，工件陽極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)而被溶解，從而達(dá)到去除工件材料的目的；同時，溶液中的氫離子在陰極表面得到電子而發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣并逸出，隨著時間推移，去除量增多、加工間隙增大，截面積形成鼓形，陽極表面的電場強度慢慢減弱，加工電流密度與加工效率降低，直至形成所需深度的小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)。 根據(jù)電解加工基本理論，不同電壓峰值、脈沖頻率、占空比、電解液成分與濃度、表面流速、加工時間、初始加工間隙等對所加工螺旋槽的形狀有直接關(guān)系， 圖1d 是加工完成的小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)示意圖。

為進(jìn)一步研究小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工原理， 將圖1c 沿著水平方向取截面后得到的圖形見圖2。 圖2a 是加工前準(zhǔn)備狀態(tài)，工件上設(shè)有預(yù)制孔，陰極運行至預(yù)制孔內(nèi)，兩者中心線重合，陰極表面設(shè)有兩條螺旋槽，螺旋槽內(nèi)涂有絕緣層，以防電解加工時二次腐蝕而影響加工精度和孔內(nèi)形貌，工具陰極的內(nèi)部設(shè)有通液中心孔，工具陰極裸露表面對應(yīng)的圓心角為θ。 圖2b 是孔的加工過程，電解液從工具陰極內(nèi)部流入加工間隙內(nèi)，工件表面裸露的螺旋形金屬表面在流場和電場的耦合作用下，使正對的工件陽極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而被加工，由于陰極裸露工作面是螺旋形，從而工件被加工出螺旋形凹槽。

由圖2b 可知， 電解加工前工具陰極和工件的初始加工間隙Δ1 為預(yù)制孔和工具陰極直徑差值的一半，可表達(dá)為：

工件上加工所得螺旋槽與未加工部分通過圓角相連， 其半徑為R1， 大小需通過具體實驗測得。工具陰極絕緣層所正對的初始加工間隙中由于無法形成電場，此處的Δ1 在加工過程中無變化。 工具陰極螺旋形裸露金屬所正對的加工間隙由于電場和流場作用而慢慢增大，此處工件被去除速度參照公式：

式中：Δ0 為與X軸夾角為0 時的實時加工間隙值；η 為加工中電流效率；ω 為體積電化學(xué)當(dāng)量；κ 為電解液電導(dǎo)率；U為工件和工具上所加的電壓；δE為兩電極的電位值之和；Va為電解速度。

此時，螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工過程中加工間隙Δ2為：

由于此時陰極是靜止的，相對于工件無進(jìn)給速度， 加工間隙值與去除速度實際為正比例關(guān)系，即加工速度越快，加工間隙值越大，且Δ2 決定了最終加工所得螺旋槽的深度。 從圖2b 可看出，加工所得螺旋槽的寬 度決 定 于 工 件 陰 極 裸 露 長 度及 對應(yīng)的圓心角θ。

以工具陰極圓心為坐標(biāo)系原點O， 沿著水平和豎直方向分別建立X軸和Y軸，Δ1 離開中心法線的加工間隙設(shè)為Δθ（θ 為工具陰極上任意一點的法線與Y軸的夾角），經(jīng)過時間dt后，即t+dt時刻，在θ 處的加工間隙為Δθ+dΔθ， 在該dt時間內(nèi)工件表面對應(yīng)點的電解速度為：

同時，可推導(dǎo)出加工間隙與速度的基本微分方程：

式中：V為θ 角度上對應(yīng)加工速度。

2 螺旋槽結(jié)構(gòu)電解加工裝置和陰極設(shè)計

2.1 數(shù)控電解機床及刀柄設(shè)計

圖3 是試驗采用自行研制的數(shù)控電解加工機床主體，以加工某熱電廠換熱器冷卻孔為例，其孔徑φ1=3 mm， 螺旋槽深度d=0.65 mm， 導(dǎo)程為3 mm。 該裝置能實現(xiàn)多軸聯(lián)動，并配有電解液防護(hù)系統(tǒng)，實現(xiàn)在線過濾和恒溫控制；同時為減少夾具設(shè)計制造，機床主軸采用7∶24 裝配錐孔，并配備相應(yīng)的刀柄，此刀柄能實現(xiàn)陰極旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)電及導(dǎo)通電解液的功能；刀柄下端采用標(biāo)準(zhǔn)ER 彈簧夾頭，可裝夾一定直徑范圍的陰極。

2.2 陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計

陰極設(shè)計過程中需考慮到目標(biāo)零件的結(jié)構(gòu)特征和加工間隙的大小，而加工間隙的分布狀況取決于電解加工過程中電場、流場、溫度場等主要物理場的耦合作用，其中電場和流場分布是陰極設(shè)計時的主要參考因數(shù)。 圖4 是針對待加工孔結(jié)構(gòu)特點設(shè)計的陰極， 陰極螺旋體的導(dǎo)程跟工件導(dǎo)程相同，外徑φ2 根據(jù)初始加工間隙Δ1 而定。

3 小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工的電場與流場

3.1 電解加工電場分析

為掌握小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)在不同電壓和初始間隙條件下的成形結(jié)果，建立的電場分析模型見圖5， 分別分析工件陽極電勢為6、10、14 V 和初始加工間隙為0.2、0.3、0.4 mm 下的電流密度分布情況，有典型意義的為低電壓、小間隙和高電壓、大間隙時的分析結(jié)果。

從圖5a 可看出，取電壓6 V、初始間隙0.2 mm時，由于初始加工間隙較小，加工所得螺旋槽截面的圓弧兩端電流密度較集中，最大為21.03 A/mm2，而電流密度從圓弧兩端至中間逐漸減少，圓弧中心處陰陽極間距最大，電流密度僅0.013 A/mm2，加工基本停止。 可見，加工時間過長，將導(dǎo)致圓弧兩端的去除量增加而中間段較少，即加工所得螺旋槽橫截面曲率半徑過大。 由圖5b 可見，隨著電壓升高，圓弧中心處電流密度增加，達(dá)4.267 A/mm2，而圓弧兩端的電流密度也有所提高，約為25.49 A/mm2，即整個螺旋槽都處于被加工狀態(tài)，但依然是圓弧兩端比圓弧中間加工速度快。 在圖5c 中雖然電壓值較高，但由于初始加工間隙值也較大，圓弧兩端的電流密度值有所降低，電流密度在15.5～20.64 A/mm2，而圓弧中間電流密度為10.36 A/mm2。 由此可見，整個加工過程電流密度差值較小， 電化學(xué)反應(yīng)過程穩(wěn)定，陰極設(shè)計時可依據(jù)此規(guī)律。

3.2 電解加工流場分析

為了解陰極加工結(jié)束前加工間隙中流場分布情況，利用FLUENT 軟件進(jìn)行流場分析。 假設(shè)電解液為理想單相液體流，分析時不考慮加工過程中溫升和離子產(chǎn)物對流體力學(xué)性能的影響，入口壓力初設(shè)為1 MPa、初始加工間隙為0.4 mm，整個流道和局部放大流速分布見圖6?？煽闯?，螺旋槽在加工一定深度后，在出口處及螺旋結(jié)構(gòu)表面流域均存在渦流現(xiàn)象，渦流不僅影響了電解液更新，還降低了電解液的電導(dǎo)率、影響電解產(chǎn)物的排除，從而降低加工速度和加工所得螺旋槽的表面質(zhì)量。

在陰極設(shè)計時發(fā)現(xiàn)，陰極螺旋槽與螺旋加工面交接處（圖6 所示A處）為直角結(jié)構(gòu)時，流域內(nèi)流場分布受此影響較大， 現(xiàn)將A處改為小半徑圓角結(jié)構(gòu)，得到的新流場見圖7，流道內(nèi)只有出口附近還存在少許渦流，但此處為非加工面，不影響加工結(jié)果，流道內(nèi)其他地方無渦流現(xiàn)象，且加工所得工件螺旋結(jié)構(gòu)表面流速約為30 m/s，完全滿足電解加工對電解液流速的要求。

4 加工試驗及結(jié)果分析

4.1 正交試驗

為求得各加工參數(shù)對螺旋槽加工深度的影響規(guī)律， 采用正交試驗研究方法， 選取電壓（12、14、16、18 V）、時間（1、3、5、7 min）、占空比（40%、50%、60%、70%）、初始加工間隙（0.1、0.15、0.2、0.25 mm）的四因素四水平試驗設(shè)計方案。

根據(jù)初始加工間隙的不同，需在試件上預(yù)鉆孔徑不同的陣列孔，利用橡膠墊圈、ER32 彈簧夾頭將陰極固定在刀柄上，刀柄一端接通電解液，另一端聯(lián)接電源導(dǎo)線。 加工時需用鎖緊螺栓固定刀柄軸套，防止加工中陰極發(fā)生旋轉(zhuǎn)運動，同時陰極需深入預(yù)鉆孔，使得工件與刀柄之間的間隙較小，在電解液流出時工件表面與刀柄間因存在電場而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)， 所以在工件表面設(shè)有有機玻璃薄片，以防雜散腐蝕，其試驗過程及結(jié)果見圖8 和表1。

從極差分析可知，影響小孔徑螺旋槽結(jié)構(gòu)槽深的主次關(guān)系為：加工間隙＞電壓＞占空比＞加工時間。從16 組試驗可直接看出， 加工結(jié)果較好的為第2、3、14 號試驗，這三組加工結(jié)果輪廓明顯、雜散腐蝕小，成形精度高、無短路燒傷陰極現(xiàn)象。 用線切割剖開工件并采用超景深顯微鏡對加工所得螺旋槽進(jìn)行三維掃描測量，并對各試驗結(jié)果進(jìn)行比較，部分加工結(jié)果見圖9，其3D 成像和深度顯示見圖10。

表1 正交試驗結(jié)果及分析

比較表1 所示螺旋槽槽深可看出各組試驗數(shù)據(jù)對于試驗結(jié)果的影響規(guī)律。 從試驗1～4 號可看出，在加工間隙相同的情況下，隨著電壓、時間及占空比的增大，螺旋孔凹槽的深度也增大，加工效率越明顯；同時，加工時間過長可能會引起陰極表面的附著物增加明顯，導(dǎo)致電解液溫度過高而加速絕緣材料的脫落。 相同電壓下選取第1、5、9、13 號試驗進(jìn)行比較可知，加工電壓較低時加工深度都不夠理想；選取第4、8、12、16 號試驗發(fā)現(xiàn)，加工電壓較高時螺旋槽加工深度明顯提高， 且隨著占空比升高，加工深度也有所增加。

本試驗中，以各組試驗的電流變化規(guī)律最為明顯，選擇不同電壓對應(yīng)初始加工間隙時觀測加工電流的變化趨勢，其中電壓為12、14、16、18 V 時初始加工間隙分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mm。 由圖11 可知，對應(yīng)某一電壓，隨著加工時間的推移，電流呈逐漸下降的趨勢， 這是由于加工過程中電壓保持不變，加工面積緩慢增加、電解液流速緩慢降低、加工間隙逐漸增加，從而導(dǎo)致電流密度降低、材料去除速率降低；而針對相同初始加工間隙時，電壓越高，加工電流越大，其去除速度越快，但并非電壓越高越好，高電壓加工時雜散腐蝕嚴(yán)重，加工所得表面質(zhì)量與形狀精度差，故需根據(jù)實際要求選擇合理的電壓參數(shù)。

綜合對比分析可看出， 在電壓14 V、 占空比60%時加工效果較好， 加工時間選擇5 min 較為合適，此參數(shù)下加工所得螺旋槽深度理想，表面質(zhì)量較好。

4.2 試驗結(jié)果分析

4.2.1 加工間隙與槽深的關(guān)系

圖12 是加工間隙與加工所得螺旋槽的槽深之間的關(guān)系，可看出隨著加工間隙增大，螺旋槽深度逐漸減小。 這是由于同等加工電壓下，加工間隙中電場強度逐漸降低， 導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速度降低，從而使去除量下降，因此加工所得槽深減小，如此亦符合螺旋槽電解加工基本理論公式（4）， 即去除量跟加工間隙呈反比關(guān)系。

4.2.2 加工電壓與槽深的關(guān)系

圖13 是加工電壓與螺旋槽槽深的關(guān)系， 可看出，螺旋槽深度隨著加工電壓的升高而增大。 這是由于電場強度大時電解蝕除能力增強，加工速度變快，金屬去除量增多，使螺旋槽槽深也隨之增大。

4.2.3 占空比與槽深的關(guān)系

采用脈沖電流加工是以周期間歇電流代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電流， 電流的脈沖效率可促使加工過程中，加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物和化學(xué)特性發(fā)生一系列變化，比如可提高加工精度、加工效率與表面質(zhì)量。 圖14 是占空比與螺旋槽槽深的關(guān)系，可看出，占空比在40%至60%時， 槽深逐漸增大。 這是由于占空比增大，脈沖有效率提高，即單個脈沖的加工時間增大，引起去除量增多。 當(dāng)占空比超過60%后，槽深隨著占空比增大而降低。 這是由于電解加工時脈沖占空比過大，單個脈沖能量過大，電解液產(chǎn)物來不及排除，起不到間歇排屑的效果，導(dǎo)致槽深變小。 由此可見，占空比60%為最佳值，此時電流利用率最高。

4.2.4 加工時間與槽深的關(guān)系

圖15 是加工時間與螺旋槽槽深的關(guān)系， 可看出，在所選加工時間內(nèi)，槽深隨時間延長而增大，符合公式m=ηkIt，即當(dāng)電流效率、電化學(xué)當(dāng)量和電流強度一定時，去除量跟加工時間成正比。 當(dāng)然，槽深增加并不會無限發(fā)展下去，當(dāng)加工間隙增加到某一值時，此時的綜合加工條件會限定電化學(xué)加工的繼續(xù)，如加工間隙增大時電場強度降低，電解液的電阻率增大，陽極壓降降低，當(dāng)壓降小于金屬的電極電位時，則電化學(xué)反應(yīng)不再繼續(xù)；此外，加工時間過長會引起附加反應(yīng)增多，能耗增大。

4.3 工具陰極優(yōu)化后的加工試驗

根據(jù)正交試驗優(yōu)化結(jié)果，選擇加工參數(shù)為電壓14 V、占空比60%、初始加工間隙0.4 mm、加工時間5 min，優(yōu)化后的加工結(jié)果見圖16。 經(jīng)測量，螺旋槽的槽深在0.655～0.672 mm， 深度誤差為0.017 mm，試驗過程穩(wěn)定、重復(fù)率高，符合設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

采用表面強化結(jié)構(gòu)-螺旋肋化通道是提高冷卻孔冷卻效果的有效方法之一，本文采用螺旋形陰極電解加工小孔徑內(nèi)壁螺旋槽結(jié)構(gòu)。 首先改裝了數(shù)控電解加工機床，研制具有通水、導(dǎo)電功能的特制刀柄；然后通過電場和流場分析指導(dǎo)陰極設(shè)計，解決了螺旋槽電解加工過程中存在渦流導(dǎo)致加工速度低、表面質(zhì)量差的問題；最后通過正交試驗研究了各加工參數(shù)對加工所得槽深的影響規(guī)律，從而得出優(yōu)化的螺旋孔電解加工工藝參數(shù)，成功加工出效果理想的小孔內(nèi)壁螺旋槽。