低鹽溶液電火花-電解復(fù)合加工微小方孔試驗(yàn)

吉 帥，曾永彬

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

微小方孔是微孔的一種重要結(jié)構(gòu)形式，在航空航天、兵器工業(yè)、儀器儀表、精密模具等領(lǐng)域中有著廣泛應(yīng)用[1]。 由于材料及尺寸的限制，微小方孔結(jié)構(gòu)的加工通常不采用微金屬切削技術(shù)，而常采用微細(xì)電火花加工[2-4]、微細(xì)電解加工[5-7]、激光微加工[8-9]等方法。 電火花加工微小方孔效率高、形狀精度好，但不可避免地會(huì)產(chǎn)生重鑄層等缺陷；激光加工對(duì)工件材料沒有導(dǎo)電性的要求，但也會(huì)產(chǎn)生重鑄層；電解加工微方孔雖不會(huì)產(chǎn)生重鑄層， 但加工效率較低，并存在雜散腐蝕等問題。 由于單一的加工方式難以完成微小方孔的高效高品質(zhì)加工，為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者聚焦于微小方孔的電火花電解復(fù)合加工工藝研究。Hung 等[10]使用碳化鎢電極在高鎳合金上利用電火花加工出異形通孔，再使用磷酸混合溶液對(duì)異形孔進(jìn)行電解拋光， 成功將孔內(nèi)壁表面粗糙度值從Ra2.11 μm 降低至 Ra0.69 μm。 Nguyen 等[11-13]將低電阻率去離子水用作雙特性流體，探究了微細(xì)電火花/電解反應(yīng) （simultaneous micro-EDM and micro-ECM，SEDCM）發(fā)生的條件，并驗(yàn)證了在不同的進(jìn)給速率下可實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花銑削、SEDCM 銑削、 微細(xì)電解銑削之間的轉(zhuǎn)換， 結(jié)果表明SEDCM 銑削能夠降低工件的表面粗糙度值，提高加工表面質(zhì)量。 朱荻等[14-16]對(duì)管電極電火花-電解復(fù)合加工進(jìn)行了深入研究，在電導(dǎo)率為3 mS/cm 的低鹽溶液中加工出孔徑500 μm、深徑比大于8 的微小孔，證明了電火花-電解復(fù)合加工可實(shí)現(xiàn)大深徑比、 無(wú)重鑄層微小孔的高效加工。唐健等[17]研究了電火花-電解復(fù)合高速穿孔加工中基于濺射補(bǔ)償?shù)牡碗姌O損耗機(jī)理，并通過優(yōu)化試驗(yàn)探究了工作液電導(dǎo)率、 脈沖寬度、脈沖間隔和峰值電流條件對(duì)電火花-電解復(fù)合高速穿孔加工過程中工具電極的損耗規(guī)律。

本文在超低電導(dǎo)率的NaNO3水溶液中進(jìn)行電火花-電解復(fù)合加工微小方孔試驗(yàn)， 使用微小方形電極逐層往復(fù)式銑削321 不銹鋼材料并加工成微小方孔，研究了電解液濃度、電壓、電容對(duì)方孔加工質(zhì)量的影響，最終成功加工出了側(cè)壁無(wú)重鑄層的微小方孔。

1 試驗(yàn)原理及系統(tǒng)

1.1 復(fù)合加工原理

采用低鹽溶液做為工作液，可將電火花高溫蝕除與電化學(xué)溶解過程集成在同一加工過程中，充分利用電火花高效去除材料和電解無(wú)重鑄層的加工優(yōu)勢(shì)。 圖1 是復(fù)合加工的原理：在加工初始先發(fā)生電化學(xué)溶解作用， 電極作為陰極表面析出氫氣泡，端面產(chǎn)生的氣泡不易排出而附著在電極端面，當(dāng)電極向工件進(jìn)給過程中，氫氣泡聚集形成一個(gè)絕緣空氣層，隨著進(jìn)給運(yùn)動(dòng)的進(jìn)行，加工間隙逐漸減小，當(dāng)減小到極間電壓足以擊穿空氣層時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電火花放電。 在加工過程中，側(cè)壁始終發(fā)生電化學(xué)溶解作用，去除放電加工產(chǎn)生的重鑄層，且析出的氣泡能攜帶出一部分放電蝕除產(chǎn)物。

圖1 電火花電解復(fù)合加工原理圖

圖2 是微小方孔復(fù)合加工過程，采用小尺寸方形電極往復(fù)掃描，在每次掃描的終點(diǎn)位置進(jìn)行Z 方向的定量進(jìn)給?？紤]到電極長(zhǎng)度的損耗，Z 方向進(jìn)給總量的數(shù)值設(shè)定大于工件的厚度，以保證能將方孔加工通透，并適當(dāng)延長(zhǎng)電解加工時(shí)長(zhǎng)，以消除側(cè)壁重鑄層。

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2 加工示意圖

圖3 是微小方孔復(fù)合加工試驗(yàn)系統(tǒng)，主要包括XYZ 軸及運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、 旋轉(zhuǎn)主軸、 直流電源、RC放電狀態(tài)變送器、CCD 觀測(cè)系統(tǒng)、電解液槽、氣浮隔振模塊等。運(yùn)動(dòng)主軸采用M511.DG 型高精度位移平臺(tái)， 單向往復(fù)精度為0.4 μm； 旋轉(zhuǎn)主軸選用NR-403E 型主軸，由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，徑向跳動(dòng)誤差小于1 μm，最高轉(zhuǎn)速可達(dá)40 000 r/min；放電狀態(tài)變送器采集RC 回路中的電壓信號(hào)并傳輸?shù)焦た貦C(jī)1，為運(yùn)動(dòng)控制卡提供伺服控制信號(hào)，可實(shí)現(xiàn)變速進(jìn)給及加工過程中短路自動(dòng)回退功能；CCD 觀測(cè)系統(tǒng)主要用于觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象及調(diào)整電極的位置與角度。

圖3 微方孔復(fù)合加工系統(tǒng)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 加工參數(shù)對(duì)方孔加工質(zhì)量的影響

評(píng)價(jià)方孔加工質(zhì)量的指標(biāo)主要包括孔的縫寬一致性、孔拐角半徑及孔側(cè)壁錐度，影響孔加工質(zhì)量的參數(shù)主要有電解液濃度、電壓、電容，其中電解液濃度對(duì)孔的形貌影響較大。

2.1.1 電解液濃度的影響

由于電解液濃度的變化會(huì)導(dǎo)致溶液電導(dǎo)率的改變， 加工時(shí)溶液中的電流密度也會(huì)相應(yīng)發(fā)生改變，在復(fù)合加工中，發(fā)生電解加工的程度不同，這會(huì)對(duì)加工孔的形貌產(chǎn)生較大影響。 為探究電解液濃度對(duì)加工孔質(zhì)量影響，固定電壓45 V、電容3300 pF、單層銑削厚度 5 μm、開路進(jìn)給速度 30 μm/s，總銑削厚度140 μm， 選取電解液的質(zhì)量濃度為10、30、50、70、90 mg/L （相應(yīng)的電導(dǎo)率分別為 14.63、42.5、68.1、95.9、121.6 μS/cm），加工得到方孔的光學(xué)顯微照片見圖4。

圖4 不同質(zhì)量濃度電解液下加工出的方孔

圖5 不同質(zhì)量濃度電解液下加工的方孔特征參數(shù)

圖5 是方孔入口處平均縫寬、 孔側(cè)壁錐度、孔拐角半徑隨電解液質(zhì)量濃度的變化走勢(shì)圖。 從圖4和圖5 可見，隨著電解液質(zhì)量濃度升高，縫寬與孔拐角半徑均越來越大，而錐度先增大后減小。 這是由于隨著電解液濃度升高，電導(dǎo)率逐漸增大，在相同的脈沖能量下， 發(fā)生電化學(xué)溶解的作用增強(qiáng)，側(cè)邊與尖棱處的加工間隙均會(huì)增大，從而導(dǎo)致了入口縫寬與拐角半徑逐漸增大。 當(dāng)電解液的質(zhì)量濃度從10 mg/L 升至50 mg/L 時(shí)，入口處的電解作用逐漸增強(qiáng)，而出口處發(fā)生的電解作用并不強(qiáng)烈，所以錐度逐漸增大； 當(dāng)電解液質(zhì)量濃度從50 mg/L 繼續(xù)升至90 mg/L 時(shí)，電解溶解能力變強(qiáng)，加工間隙變大，相同的單層進(jìn)給量下銑削通透所需的掃描次數(shù)變少，相當(dāng)于延長(zhǎng)了出口處發(fā)生電解作用的時(shí)間，使得出口處縫寬變大，導(dǎo)致錐度變小。 由圖4 可看出，質(zhì)量濃度為10 mg/L 的電解液加工的方孔形狀精度明顯優(yōu)于90 mg/L，因此選取10 mg/L 的電解液進(jìn)行后續(xù)試驗(yàn)。

2.1.2 電壓的影響

為了探究電壓對(duì)加工孔質(zhì)量的影響，固定電解液質(zhì)量濃度10 mg/L、電容3300 pF、單層銑削厚度5 μm、進(jìn)給速度 30 μm/s、總銑削厚度 140 μm，選取加工電壓為 30、35、45、55、65 V，加工得到方孔的光學(xué)顯微照片見圖6。

圖6 不同電壓下加工出的方孔

圖7 是方孔入口處平均縫寬、 孔側(cè)壁錐度、孔拐角半徑隨電壓的變化走勢(shì)圖， 由于電壓為30 V時(shí)，加工過程中程序采集的電壓信號(hào)界面出現(xiàn)連續(xù)短路，故圖中未歸納。 由圖7 可見，縫寬、錐度及拐角半徑都隨著加工電壓的升高而逐漸增大。 當(dāng)電壓較低時(shí)，電火花與電解共同作用的程度較小，加工出的方孔形狀精度較好；隨著電壓升高，電路釋放的脈沖能量增大，相同濃度下電流密度變大，電火花與電解的加工能力都大大提升，使得加工間隙變大，縫寬、錐度和拐角半徑均增大。 綜上，選取加工電壓為35 V 進(jìn)行進(jìn)一步試驗(yàn)。

圖7 不同電壓下加工的方孔特征參數(shù)

2.1.3 電容的影響

為了探究電容對(duì)加工孔質(zhì)量的影響，固定電解液質(zhì)量濃度10 mg/L、加工電壓35 V，其他加工條件均保持不變，選取電容為 1000、3300、5500、8000、10 000 pF，加工得到方孔的光學(xué)顯微照片見圖8。

圖8 不同電容下加工出的方孔

圖9 是方孔入口處平均縫寬、 孔側(cè)壁錐度、孔拐角半徑隨電容的變化走勢(shì)圖。 可見，縫寬、錐度及拐角半徑隨電容增大均呈現(xiàn)先增大后減小的變化趨勢(shì)，且變化幅度不大。

圖9 不同電容下加工的方孔特征參數(shù)

采用電解液質(zhì)量濃度10 mg/L、 加工電壓35 V時(shí)，電解作用的程度較低，加工出方孔的微小變化主要是由電火花放電作用產(chǎn)生的，電火花放電過程帶有爆炸性質(zhì)，放電爆炸力可近似表示為[18]：

式中：P 為放電爆炸力；β 為定壓比熱容與定容比熱容的復(fù)雜積分函數(shù)，對(duì)于同一材料β 為常數(shù)；ρ 為液體介質(zhì)密度；WL為單位放電長(zhǎng)度上的能量；tr為放電脈沖前沿時(shí)間；tf為放電脈沖寬度。

根據(jù)式（1）可知，相同加工電壓的條件下，隨著電容增大，RC 回路中的 WL、tr、tf都隨之增大， 這就引起出現(xiàn)隨著電容增大， 放電爆炸力先增大后減小、且變化不明顯的趨勢(shì)。

2.2 微小方孔側(cè)壁重鑄層狀況

根據(jù)優(yōu)化參數(shù)，選取電解液質(zhì)量濃度10 mg/L、電壓35 V、電容1000 pF，其他加工條件不變，加工出了形狀較好的微小方孔，其掃描電鏡照見圖10。

圖10 微小方孔電鏡圖

為探究方孔側(cè)壁是否有殘留的重鑄層，對(duì)工件進(jìn)行了特殊處理并制樣， 拍攝了金相照片見圖11?？梢?， 加工的微小方孔兩側(cè)壁并無(wú)明顯的重鑄層，與試驗(yàn)?zāi)康南喾?/p>

圖11 復(fù)合加工微小方孔側(cè)壁金相圖

2.3 電極損耗狀況

為探究微小方孔加工過程中的電極損耗狀況，采用優(yōu)化后的加工參數(shù)，分別測(cè)量加工前后電極的尺寸，以此計(jì)算出電極的損耗量。 由于復(fù)合加工電極損耗較小， 一根電極用于加工兩個(gè)狹長(zhǎng)方孔，測(cè)量并計(jì)算出方孔體積，最終得到了電極與工件的體積相對(duì)損耗比，具體見表1。

圖12、 圖13 分別是加工前后電極對(duì)比及加工的狹長(zhǎng)方孔1 入出口顯微照片。 可見，復(fù)合加工微小狹長(zhǎng)方孔的電極損耗量很小，且電極加工前后形狀并無(wú)明顯改變，表明復(fù)合加工在降低電極損耗方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

3 結(jié)論

本文提出了在低電導(dǎo)率NaNO3水溶液中使用電火花-電解復(fù)合加工微小方孔的加工方法， 選用微小方形的鎢棒作為工具電極，采用逐層往復(fù)式銑削的加工方式在100 μm 厚的321 不銹鋼薄片上加工出微小方孔， 并以微小方孔入口處平均縫寬、入口拐角半徑、側(cè)壁錐度為加工質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，通過單因素試驗(yàn)探究了電解液濃度、電壓、電容等參數(shù)對(duì)微小方孔加工的影響，得到以下結(jié)論：

表1 電極損耗與工件材料去除量

圖12 加工前后電極對(duì)比圖

圖13 狹長(zhǎng)方孔1 顯微照片

（1）試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，電解液濃度與電壓為影響方孔加工質(zhì)量的主要因素，電容對(duì)加工質(zhì)量影響較小。

（2）優(yōu)選加工參數(shù)，電解液質(zhì)量濃度 10 mg/L、加工電壓35 V、 電容1000 pF， 可加工出形狀精度較高、質(zhì)量較好且側(cè)壁無(wú)明顯重鑄層的微小方孔。

（3）探究?jī)?yōu)化的加工參數(shù)下電極的損耗狀況，發(fā)現(xiàn)復(fù)合加工下的電極相對(duì)損耗極小， 僅有0.05%左右。