超聲輔助模板電解加工夾具設(shè)計(jì)及參數(shù)優(yōu)化

趙思淳，李寒松，孫飛響，曲寧松

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

0 引言

模板電解加工技術(shù)是特種加工技術(shù)中的一種，有著加工后無(wú)毛刺、不變形、工具無(wú)損耗和表面質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，特別適合群孔類結(jié)構(gòu)的加工。模板電解加工時(shí)，利用機(jī)械外力將帶有特定圖形的模板緊貼于工件表面，電解液高速?gòu)哪０迮c陰極之間流過(guò)帶走加工產(chǎn)物與焦耳熱，裸露于電解液中的工件即被電解去除。近年來(lái)，研究人員不斷進(jìn)行研究改進(jìn)，試圖進(jìn)一步提高模板電解加工的質(zhì)量。李寒松等人通過(guò)對(duì)模板電解加工技術(shù)進(jìn)行工藝參數(shù)優(yōu)化，成功地在鈦合金、鉬等材料上加工出了高質(zhì)量群孔結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)行了模板電解加工中的壓緊圓柱繞流分析并創(chuàng)新設(shè)計(jì)了蛇形流道[1-3]。

超聲輔助近年來(lái)發(fā)展速度很快，在化學(xué)化工、機(jī)械制造、生物醫(yī)療等很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。對(duì)于電解加工，超聲輔助同樣有著良好的優(yōu)化效果，超聲空化作用可以促進(jìn)電解產(chǎn)物的排出，清潔電極表面，同時(shí)也可以使溶液做持續(xù)運(yùn)動(dòng)，減少濃度極化，提高電流密度和電流效率。部分研究人員針對(duì)超聲輔助與電解加工的結(jié)合展開(kāi)了試驗(yàn)研究， A.Ruszaj 等學(xué)者將超聲振動(dòng)引入到陰極工具之中，使表面粗糙度得到了大幅改善[4]。S. Skocyzypiec建立了電極超聲振動(dòng)輔助電解加工的流場(chǎng)模型，進(jìn)行了電解和振動(dòng)參數(shù)對(duì)加工效果影響的實(shí)驗(yàn)分析[5]。 MS Hewidy等人研究了低頻振動(dòng)的電解加工，結(jié)果表明：應(yīng)用低頻振動(dòng)改變加工間隙的物理狀態(tài)，是提高加工精度的有效手段之一[6]。

超聲在液體中主要的工作機(jī)制是空化作用，即存在于液體中的微小氣泡核在經(jīng)歷超聲波不斷的正壓、負(fù)壓時(shí)，會(huì)產(chǎn)生膨脹、壓縮、崩潰、震動(dòng)等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程，這個(gè)過(guò)程發(fā)生在約0.1μs內(nèi)，空化氣泡的這種急劇崩潰會(huì)瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓(可達(dá)5000K，1800atm)進(jìn)而對(duì)周圍組織產(chǎn)生影響。而根據(jù)相關(guān)理論，空化作用的強(qiáng)弱不僅受超聲本身頻率和功率的影響，也與反應(yīng)體系的溫度、壓力等因素有密切的關(guān)系，所以有必要對(duì)引入超聲輔助后部分參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行重新優(yōu)化。

本文嘗試將模板電解與超聲輔助相結(jié)合，設(shè)計(jì)了超聲輔助模板電解加工專用夾具，并以鈦合金TC4為材料進(jìn)行試驗(yàn)，研究了超聲頻率、功率、電解液壓力、溫度等參數(shù)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律，確定出最優(yōu)化加工參數(shù)，證明了超聲輔助模板電解加工這一方法的有效性。

1 空化泡運(yùn)動(dòng)方程分析

超聲空化作用下空化泡運(yùn)動(dòng)方程是研究超聲空化作用的重要手段。假設(shè)超聲聲場(chǎng)強(qiáng)度恒定，空化泡中的氣體和水蒸氣滿足理想氣體變化規(guī)律，液體不可壓縮且溫度恒定，氣泡壁的運(yùn)動(dòng)滿足球形對(duì)稱運(yùn)動(dòng)?？紤]液體黏度和表面張力對(duì)空化泡運(yùn)動(dòng)的影響，由能量守恒推導(dǎo)出多參數(shù)作用下空化泡運(yùn)動(dòng)方程[7]：

(1)

式中：R為空化氣泡瞬時(shí)半徑；R0為空化氣泡初始半徑；Pc為超聲聲壓；R0為作用在氣泡壁上的流體靜壓力；Pv為氣泡內(nèi)蒸汽壓；σ為反應(yīng)體系表面張力系數(shù)；μ為液體的粘滯系數(shù)；ρ為反應(yīng)體系密度；k為絕熱指數(shù)；t為反應(yīng)時(shí)間。

由式(1)可知，超聲空化作用下氣泡運(yùn)動(dòng)狀態(tài)受超聲頻率、超聲功率、電解液壓力、反應(yīng)體系溫度多種因素的影響，有必要通過(guò)試驗(yàn)對(duì)這些關(guān)鍵加工參數(shù)的影響規(guī)律進(jìn)行進(jìn)一步的探究。

2 試驗(yàn)系統(tǒng)

為了保證試驗(yàn)效果，使超聲波高效地傳導(dǎo)至電解液中，本文針對(duì)超聲輔助模板電解加工設(shè)計(jì)了專用夾具。該夾具如圖1所示，采用雙面對(duì)心加工方式，上、下夾具兩側(cè)分別設(shè)有進(jìn)液口與出液口，夾具內(nèi)設(shè)有嵌入式鋼板，鋼板一側(cè)固定有超聲振頭。裝夾時(shí)，先將活動(dòng)模板固定于下夾具上，工件置于活動(dòng)模板之中，再蓋上上夾具并緊密固定。通過(guò)夾具內(nèi)嵌入式鋼板，將超聲、電解有機(jī)結(jié)合在一起，使超聲高效直接地傳導(dǎo)至電解液流道內(nèi)，引起電解液內(nèi)“空化”現(xiàn)象，促進(jìn)電解反應(yīng)持續(xù)高效進(jìn)行，嵌入的鋼板作為電解反應(yīng)中的陰極，同時(shí)也是超聲傳導(dǎo)的介質(zhì)。

圖1 夾具示意圖

本試驗(yàn)采用10%NaCl溶液作為電解液，每一組試驗(yàn)同時(shí)加工5個(gè)小孔，加工時(shí)間3.5min，超聲頻率、功率作為自變量均可調(diào)，其余加工參數(shù)詳見(jiàn)表1。加工效果的主要衡量指標(biāo)為小孔的平均圓度誤差以及直徑方差。試驗(yàn)結(jié)束后立即超聲清洗工件表面并使用 Leica 顯微鏡(DVM5000，Germany)觀察檢測(cè)。

表1 電解加工部分參數(shù)表

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 超聲參數(shù)的影響

在本組試驗(yàn)中，電解液溫度、壓力分別為40℃、0.4MPa，選取超聲頻率20kHz、30kHz、40kHz以及無(wú)超聲作為頻率自變量，選取超聲功率50W、100W作為功率自變量進(jìn)行試驗(yàn)，測(cè)得各組小孔圓度誤差、直徑方差變化如圖2所示。由圖2(a)可知，引入超聲輔助后加工所得小孔的平均圓度誤差與直徑方差要明顯優(yōu)于無(wú)超聲時(shí)的加工結(jié)果，當(dāng)超聲頻率為20kHz時(shí)，小孔的平均圓度誤差和直徑方差分別從無(wú)超聲時(shí)的18.0682μm、153.2336μm降低至8.8952μm、59.6856μm，優(yōu)化效果非常明顯。隨著超聲頻率的增加，雖然優(yōu)化效果開(kāi)始逐漸減弱，但是相比于無(wú)超聲狀態(tài)，小孔精度的提升效果仍十分可觀。

圖2 不同超聲參數(shù)下圓度誤差與直徑方差

超聲功率恒定時(shí)，頻率越小，超聲波的空化作用越強(qiáng)，對(duì)電解的輔助促進(jìn)作用越明顯。此外，低頻超聲波的穿透性也更強(qiáng)，在鋼板厚度不變的情況下，超聲波頻率越低，振動(dòng)速度越慢，阻抗越?。辉阡摪逯邢牡哪芰恳苍叫?，在鋼板的另一側(cè)(電解液側(cè))能保持更高的聲壓，表現(xiàn)為穿透力強(qiáng)。因此在超聲輔助模板電解加工中，一般需要選擇較小的超聲頻率，以提高超聲輔助對(duì)加工質(zhì)量的優(yōu)化效果。

從圖2(b)可知超聲功率也是影響其優(yōu)化效果的重要因素，低超聲功率下超聲空化作用強(qiáng)度會(huì)減弱，加工質(zhì)量變差，圓度誤差及直徑方差均不及高超聲功率?？梢?jiàn)在加工時(shí)，為保證超聲的優(yōu)化效果，應(yīng)選擇較高的超聲功率。

3.2 電解液溫度的影響

在本組試驗(yàn)中，電解液壓力以及超聲頻率、功率分別為0.4MPa、20kHz、100W。選取溫度35℃、40℃、45℃ 、50℃為試驗(yàn)自變量，進(jìn)行試驗(yàn)研究。圖3為不同溫度下群孔平均直徑、直徑方差統(tǒng)計(jì)圖。從圖3中可以看出，小孔的平均直徑隨溫度提升而增大，而孔的直徑方差呈V字形變化，在45℃之前，孔的直徑方差隨溫度升高越來(lái)越小，即群孔孔徑一致性越來(lái)越好，在45℃時(shí)到達(dá)最小值，而后又呈上升態(tài)勢(shì)?？梢钥闯觯曒o助模板電解加工中溫度的升高有益提高加工速率，但過(guò)高的溫度降低了孔徑一致性，不利于提高加工質(zhì)量。

圖3 不同溫度下平均直徑與直徑方差

單從超聲空化作用的角度來(lái)看，反應(yīng)體系溫度的增加會(huì)提高超聲空化作用的強(qiáng)度，有益于超聲輔助的優(yōu)化效果；同時(shí)隨著電解溫度的升高，電解液中離子活性增強(qiáng)，電流密度提高，有利于提高反應(yīng)速度，表現(xiàn)為小孔平均直徑隨溫度提升而增大。但當(dāng)溫度>45℃時(shí)，加之電解反應(yīng)本身也會(huì)產(chǎn)生熱量，加工區(qū)熱量來(lái)不及排出，電解液可能沸騰、蒸發(fā)，大量氣泡來(lái)不及排除，影響小孔加工一致性，導(dǎo)致直徑方差變大。根據(jù)試驗(yàn)得到的規(guī)律， 選擇45℃為超聲輔助模板電解加工的最佳溫度，此時(shí)群小孔一致性達(dá)到最佳，也保證了較高的加工速率。

3.3 電解液壓力的影響

在本組試驗(yàn)中，電解液溫度以及超聲頻率、功率分別為40℃、20kHz、100W，選取電解液壓力0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa為自變量進(jìn)行試驗(yàn)。圖4為不同電解液壓力下群孔圓度誤差、直徑方差的統(tǒng)計(jì)。從圖4中可以看出，孔的圓度誤差、直徑方差均隨電解液壓力提升先減小，而后有增加趨勢(shì)，圓度誤差在0.3MPa達(dá)到最低，直徑方差在0.4MPa達(dá)到最低。

圖4 不同壓力下平均圓度誤差與直徑方差

3.4 最優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)

在上文試驗(yàn)中已經(jīng)找到了超聲頻率、功率、溫度、電解液壓力等因素對(duì)超聲輔助模板電解加工試驗(yàn)的影響規(guī)律，本節(jié)將根據(jù)最優(yōu)化取值，在航空發(fā)動(dòng)機(jī)常見(jiàn)難加工材料鈦合金TC4上進(jìn)行群孔加工試驗(yàn)，群孔數(shù)量為2×5，以期望探究超聲輔助對(duì)加工質(zhì)量的最大優(yōu)化效果。試驗(yàn)中，超聲頻率取20kHz，超聲功率100W，溫度45℃，電解液壓力0.35MPa，各小孔測(cè)量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)于表2中，使用Leica顯微鏡拍攝小孔照片如圖5所示，并選取了圖5中線條所指示的3個(gè)小孔進(jìn)行了放大拍攝，后利用線切割機(jī)床將小孔剖開(kāi)，對(duì)其橫截面進(jìn)行了拍攝。發(fā)現(xiàn)各小孔形狀均清晰完好，圓度較佳，錐度可以穩(wěn)定控制在5°，圓度誤差控制在15μm內(nèi)，達(dá)到了理想的加工效果，證明了超聲輔助模板電解加工的實(shí)用價(jià)值。但電解液壓力過(guò)小時(shí)，電解反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、產(chǎn)物等無(wú)法被及時(shí)帶走，會(huì)在加工區(qū)積累，影響電解反應(yīng)的順利進(jìn)行；而過(guò)大的壓力會(huì)使電解液深入掩模板與工件貼合區(qū)，造成小孔周圍出現(xiàn)點(diǎn)蝕，影響加工精度。同時(shí)，根據(jù)超聲空化作用理論可知，過(guò)大的電解液壓力也不利于超聲輔助的效果，超聲空化作用的強(qiáng)弱是隨著電解液瞬態(tài)壓力的增強(qiáng)而減弱的。為使超聲輔助電解加工質(zhì)量達(dá)到最佳，電解液壓力應(yīng)該在0.3MPa、0.4MPa之間，取0.35MPa較好。

圖5 最優(yōu)化參數(shù)試驗(yàn)小孔照片

表2 小孔測(cè)量數(shù)據(jù)

4 結(jié)語(yǔ)

本文提出了超聲輔助模板電解加工這一新方法，設(shè)計(jì)并制造了超聲輔助模板電解加工專用夾具，并在以TC4材料的加工試驗(yàn)中證明了這一方法的可行性，探索出部分關(guān)鍵參數(shù)的影響規(guī)律。試驗(yàn)表明：超聲輔助對(duì)電解加工有著良好的優(yōu)化作用，超聲頻率越小、功率越大，則超聲空化作用越強(qiáng)；超聲輔助模板電解加工的最佳電解液溫度為45℃，最佳電解液壓力為0.35MPa。通過(guò)參數(shù)優(yōu)化后群小孔的錐度可以穩(wěn)定控制在5°左右，圓度誤差控制在15μm內(nèi)，加工質(zhì)量較好。