電極表面絕緣層條件下電解電火花加工Ti60試驗(yàn)與分析①

張建翔，魏天路，張 杰

(蚌埠學(xué)院機(jī)械與車輛工程學(xué)院，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

Ti60合金小孔結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療衛(wèi)生器械、機(jī)械制造裝備等領(lǐng)域中[1-2]，對(duì)于高性能材料Ti60合金小孔的加工，受到材料硬度、強(qiáng)度等力學(xué)性能的影響，對(duì)其加工方法、加工設(shè)備性能提出了更高的要求[3]。采用傳統(tǒng)的刀具加工鈦合金小孔結(jié)構(gòu)，對(duì)刀具尺寸精度、強(qiáng)度要求較高，而且過高的切削溫度會(huì)產(chǎn)生切削表面缺陷，難以保證小孔的加工質(zhì)量[4]。采用電解電火花特種加工技術(shù)，可以有效避免傳統(tǒng)加工過程中因加工刀具不足帶來的小孔加工質(zhì)量問題[5]。電解電火花小孔加工，電火花的作用實(shí)現(xiàn)小孔主要材料的快速去除，電解的作用實(shí)現(xiàn)電火花加工小孔表面產(chǎn)生的再鑄層、毛刺等去除[6-7]。但電解電火花小孔加工時(shí)，加工進(jìn)入小孔內(nèi)電極在通電的作用下，小孔內(nèi)上表面區(qū)域加工時(shí)間相對(duì)延長(zhǎng)，小孔入口處直徑與電極直徑形成較大的直徑差；隨著小孔加工深度的增加，孔內(nèi)電極表面受電腐蝕及碳化的作用，影響小孔內(nèi)電極通電作用的穩(wěn)定性和加工能力，同時(shí)影響加工時(shí)導(dǎo)電性能，而減小小孔加工表面再鑄層、毛刺等去除作用[8]。

鑒于上述研究背景，在電極表面涂絕緣層的條件，制定試驗(yàn)加工裝置，設(shè)定試驗(yàn)加工參數(shù)，開展電解電火花小孔加工試驗(yàn)于分析，研究在電極表面涂絕緣層條件對(duì)電解電火花加工Ti60合金小孔性能與質(zhì)量的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)加工裝置與測(cè)量裝置

1.1 試驗(yàn)加工裝置

試驗(yàn)加工裝置由加工裝置、電源裝置、電信號(hào)采集裝置、工作液循環(huán)系統(tǒng)等部分組成。如圖1所示電極表面涂絕緣層條件下電解電火花小孔加工試驗(yàn)裝置組成。

1.電極夾持裝置 2.電解加工直流電源 3.安全電阻 4.示波器 5.工件 6.工作液槽 7.工件夾具 8.工作液循環(huán)槽 9.表面涂絕緣層管電極 10.過濾器 11.電火花加工脈沖電源 12.泵 13.安全閥

試驗(yàn)加工時(shí)，將表面涂絕緣層管電極裝置在電極夾持裝置下端面上，加工工件Ti60固定于工作液槽中，且浸沒于電解液液面下2～3mm。依次開啟電源裝置、加工裝置、工作液循環(huán)系統(tǒng)、電信號(hào)采集裝置，表面涂絕緣層的管電極沿垂直方向向下進(jìn)給時(shí)，實(shí)現(xiàn)電解電火花小孔加工試驗(yàn)，并實(shí)現(xiàn)加工過程電信號(hào)的采集。

(1)TBS1000B型示波器 (2)NANOVEA影像儀

1.2 測(cè)量裝置

電解電火花加工過程電極通電作用的穩(wěn)定性，采用加工時(shí)采集電信號(hào)的峰值電壓及波動(dòng)情況進(jìn)行反映，電信號(hào)采用TBS1000B型示波器進(jìn)行測(cè)量采集。試驗(yàn)加工后小孔直徑、表面再鑄層厚度測(cè)量采用NANOVEA影像儀進(jìn)行測(cè)量采集。如圖2所示試驗(yàn)電信號(hào)采集與小孔測(cè)量設(shè)備。

2 試驗(yàn)加工參數(shù)設(shè)置

為研究電極表面絕緣層條件下電解電火花小孔加工性能與質(zhì)量影響的規(guī)律，試驗(yàn)參數(shù)設(shè)置從加工電壓、電流、脈沖間距、電解液濃度等方面進(jìn)行開展試驗(yàn)加工參數(shù)設(shè)置。從試驗(yàn)中探究出在加工參數(shù)設(shè)定下，電極表面涂絕緣層對(duì)提高小孔加工過程電極通電作用的穩(wěn)定性和加工能力、減小小孔加工直徑與電極直徑差、減小表面再鑄層厚度的規(guī)律。試驗(yàn)加工參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 試驗(yàn)加工參數(shù)設(shè)置

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 電極表面涂絕緣層對(duì)加工小孔過程電極通電作用穩(wěn)定性與加工能力影響

圖3為試驗(yàn)加工過程采用示波器所采集的加工過程電信號(hào)。從圖3可以看出，根據(jù)試驗(yàn)加工脈沖參數(shù)設(shè)置100μs，加工過程電極通電作用采集電信號(hào)呈現(xiàn)穩(wěn)定的周期性變化過程。電解液濃度越高，其加工過程采集的峰值電壓也有所增加，分值電壓在20V～25V間波動(dòng)，這是因?yàn)殡娊庖簼舛仍黾?，促進(jìn)了加工時(shí)電解電火花的作用，激發(fā)了電極下端面區(qū)域加工時(shí)短時(shí)間內(nèi)的峰值電壓大于設(shè)定電壓20V。電極表面涂絕緣層有效地避免了電極端面區(qū)域以外的電極表面因電解液濃度的影響，形成電極表面電腐蝕及碳化現(xiàn)象，而造成加工小孔過程電極通電作用的不穩(wěn)定現(xiàn)象。提高了小孔加工過程電極通電作用的穩(wěn)定性及加工的能力。

圖3 電極表面涂絕緣層在不同電解液濃度下加工小孔過程采集電信號(hào)

3.2 電極表面涂絕緣層對(duì)加工小孔直徑的影響

從圖4中可以看出，在電極表面涂絕緣層的情況下，根據(jù)設(shè)定的試驗(yàn)加工參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)加工后，隨著電解液濃度的增加，加工小孔直徑與電極直徑差隨之增加，直徑差分別為0.016mm、0.034mm、0.047mm，由于絕緣漆的厚度為0.005mm，加工小孔直徑與電極直徑差為0.006mm、0.024mm、0.037mm，直徑差均小于0.04mm。表面涂有絕緣層的電極在進(jìn)行小孔加工時(shí)，在絕緣層的作用下電極端面區(qū)域形成主要的電解電火花加工，在加工區(qū)域垂直方向隨距離電極端面距離越大，其電解作用逐漸適當(dāng)降低，有效地避免了電極端面加工區(qū)域以外孔的表面因通電作用下電解電火花過度加工小孔，而形成顯著增加孔直徑的現(xiàn)象，使孔加工直徑難以控制。電解液濃度的增加，加強(qiáng)了電解電火花加工能力，加工小孔直徑表現(xiàn)逐漸加大。電極表面涂絕緣層對(duì)加工小孔直徑與電極直徑差減小有明顯的效果。

圖4 電極表面涂絕緣層在不同電解液濃度下加工小孔直徑

3.3 電極表面涂絕緣層對(duì)加工小孔表面再鑄層的影響

從圖5中可以看出，依據(jù)試驗(yàn)加工參數(shù)表設(shè)定下，電極表面涂有絕緣層，隨著電解液濃度的增加，加工小孔上表面區(qū)域的表面再鑄層厚度逐漸減，表面再鑄層厚度最大分別為30.52μm、33.07μm、26.00μm，表面再鑄層厚度均小于34μm。這是因?yàn)殡姌O表面涂絕緣層，避免了電極下斷面區(qū)域以外電極表面因通電作用形成再鑄層。在電解液濃度的增加及電壓、電流等參數(shù)不變的情況下，又適當(dāng)增加了電極下端面區(qū)域以外加工過程電解的作用，使電火花過程產(chǎn)生的再鑄層在電解逐漸適當(dāng)加強(qiáng)的作用下，有效地減小了再鑄層的厚度，同時(shí)電極表面涂絕緣層有效地避免了小孔加工區(qū)域表面過電解的影響，保證了孔的加工質(zhì)量。

圖5 電極表面涂絕緣層在不同濃度下加工小孔表面再鑄層

4 結(jié) 論

通過在電極表面涂絕緣層的條件下，對(duì)Ti60進(jìn)行電解電火花小孔加工試驗(yàn)，得出結(jié)論如下：

1.電極表面涂絕緣層電解電火花小孔加工，有效地提高了加工小孔過程電極通電作用的穩(wěn)定性與加工能力，加工過程呈現(xiàn)周期性的穩(wěn)定加工。

2.電極表面涂絕緣層電解電火花小孔加工，在電解液濃度加大的情況下，加工小孔入口處直徑與電極直徑差雖有所增加，但直徑差有效得到了較大的減?。患庸ば】妆砻鎱^(qū)域再鑄層厚度逐漸減小，再鑄層厚度值均較小。