（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料電解鉆孔試驗(yàn)研究*

楊怡天，劉剛強(qiáng)，李寒松

（1.南京航空航天大學(xué),南京 210016；2.江蘇省消防救援總隊鎮(zhèn)江市支隊金山焦山北固山國家風(fēng)景名勝區(qū)大隊，鎮(zhèn)江 212004）

鈦基復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐高溫、耐腐蝕和耐疲勞等優(yōu)良的物理力學(xué)性能，在航空航天等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。然而，鈦基復(fù)合材料屬于典型的難加工材料，采用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法存在加工效率低、加工精度和加工表面質(zhì)量難以保證、刀具磨損嚴(yán)重等問題[3-4]。

電解加工是采用具有一定形狀的陰極，通過電化學(xué)溶解作用去除工件材料，從而將工件材料加工成具有一定尺寸與形狀的結(jié)構(gòu)的加工方法。與機(jī)械加工方法比較，電解加工具有不受工件材料強(qiáng)度、硬度限制的優(yōu)點(diǎn)，適用于加工鈦合金、硬質(zhì)合金等難加工材料[5-6]。

房曉龍[7]采用直徑1mm的管電極在TC4鈦合金上加工出深度為20mm的通孔結(jié)構(gòu)。但是，采用管電極加工盲孔結(jié)構(gòu)時會在孔底形成中心柱結(jié)構(gòu)[8]。劉鼎銘等[9]采用底部開孔的管式陰極在304不銹鋼上加工盲孔結(jié)構(gòu)，消除了盲孔底部的凸臺。

本研究采用管狀陰極在(TiB+TiC)/TC4復(fù)合材料上進(jìn)行盲孔結(jié)構(gòu)電解加工試驗(yàn)研究，通過對工具陰極側(cè)壁進(jìn)行絕緣抑制了孔壁的腐蝕，提高了加工精度，探究了加工電壓、電解液壓力對加工精度的影響。

1 試驗(yàn)材料及方法

試驗(yàn)采用的鈦基復(fù)合材料材料基體為TC4鈦合金，其主要成分見表1。增強(qiáng)相為TiB與TiC，增強(qiáng)相的體積分?jǐn)?shù)為8%，其中，TiB與TiC的比例為3∶1。

表1 基體TC4鈦合金的主要成分Table 1 Main components of TC4 titanium alloy

圖1為電解鉆孔加工的原理示意圖，電解鉆孔加工采用內(nèi)部中空的管狀陰極，以類似鉆削加工的方式，通過電化學(xué)溶解作用實(shí)現(xiàn)工件材料的去除。在電解鉆孔加工過程中，金屬工件與工具陰極分別與電源的正極與負(fù)極連接，電解液從工具陰極的開口端流入陰極內(nèi)部，并由陰極底部的噴液孔高速流出進(jìn)入加工間隙，參與電化學(xué)反應(yīng)，同時不斷帶走加工產(chǎn)物和焦耳熱。工具陰極一邊作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，一邊作豎直向下的進(jìn)給運(yùn)動，工件材料逐漸溶解，直至達(dá)到所需的加工距離。

圖1 電解鉆孔加工原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of electrochemical drilling

圖2所示為工具陰極的噴液孔分布形式，工具陰極直徑為10mm；其內(nèi)部盲孔直徑為8mm；噴液孔直徑為1mm；底部厚度為1mm。

圖2 工具陰極噴液孔分布圖Fig.2 Distribution diagram of tool cathode spray holes

試驗(yàn)采用的電解加工系統(tǒng)與先前進(jìn)行TC4鈦合金電解加工試驗(yàn)使用的系統(tǒng)一致[10]。工具陰極的基體材料為45號鋼，為了探究工具陰極側(cè)壁絕緣對加工效果的影響，采用電泳的方法對工具陰極進(jìn)行側(cè)壁絕緣，電泳層的厚度為60μm，將未進(jìn)行側(cè)壁絕緣的工具陰極命名為工具A，進(jìn)行側(cè)壁絕緣的工具陰極命名為工具B。

2 電化學(xué)特性研究

采用電化學(xué)工作站測量（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料在溫度為30℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液中的極化曲線，結(jié)果如圖3所示。可以看到，基體材料TC4鈦合金的分解電壓約為11V，（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的分解電壓約為12.5V，這可能是因?yàn)椋═iB+TiC）/TC4復(fù)合材料中的增強(qiáng)相顆粒阻礙了基體材料的溶解。進(jìn)行（TiB+TiC）/TC4電解鉆孔加工試驗(yàn)時，加工電壓不應(yīng)小于12.5V。

圖3 TC4鈦合金與（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料在NaNO3溶液中的極化曲線Fig.3 Polarization curvs of TC4 titanium alloy and (TiB+TiC)/TC4 composites in NaNO3 solution

采用恒電流法測量（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料在溫度為30℃，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液中的電流效率，將（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的體積電化當(dāng)量ω與電流效率η的乘積來表示實(shí)際體積電化當(dāng)量，繪制出ηω-i曲線，結(jié)果如圖4所示。可以看到，當(dāng)電流密度＜10A/cm2時，（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的實(shí)際體積電化當(dāng)量隨電流密度的增加而迅速增大。當(dāng)電流密度超過10A/cm2時，隨著電流密度的增加，（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的實(shí)際體積電化當(dāng)量增長緩慢，逐漸趨向于一定值，約為2.97×10-5cm3/（A·s）。

圖4 （TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料在NaNO3溶液中電流效率曲線Fig.4 Current efficiency curve of (TiB+TiC)/TC4 composites in NaNO3 solution

3 電解鉆孔試驗(yàn)研究

3.1 側(cè)壁絕緣對錐度的影響

由于加工初始階段加工間隙內(nèi)的流場不穩(wěn)定，采用較大的加工速度可能會導(dǎo)致火花放電現(xiàn)象。為了保證加工的穩(wěn)定性，工具陰極先以一個較小的速度切入一段距離，待加工間隙內(nèi)的流場穩(wěn)定后，再以較大的進(jìn)給速度進(jìn)行加工。加工電壓為30V，電解液壓力為0.6MPa，初始加工間隙為200μm，其他主要試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

表2 主要試驗(yàn)參數(shù)Table 2 Main experimental parameters

圖5為加工出的孔的入口形貌?？梢钥闯觯?dāng)工具陰極側(cè)壁未絕緣時，由于陰極側(cè)壁對內(nèi)孔壁面的腐蝕，導(dǎo)致加工出的孔孔徑較大，明顯大于工具陰極的直徑。此外，在孔的入口處，存在明顯的雜散腐蝕現(xiàn)象，孔形質(zhì)量較差。而工具陰極側(cè)壁絕緣時，在加工過程中不會造成已加工表面二次腐蝕，因此加工出的孔孔徑較小，接近工具陰極的直徑。在加工出的孔的入口處，無明顯的雜散腐蝕現(xiàn)象，孔形質(zhì)量較好。

圖5 孔的入口形貌圖Fig.5 Entrance morphology of holes

采用橋式三坐標(biāo)測量機(jī)對孔的輪廓進(jìn)行掃描，當(dāng)工具陰極側(cè)壁未絕緣時，孔的入口直徑為15.52mm，深度為20.58mm，錐度為6.37°。而工具陰極側(cè)壁絕緣時，孔的入口直徑為10.81mm，深度不變，錐度只有0.5°。這說明通過對工具陰極側(cè)壁進(jìn)行絕緣處理，可以有效地減小孔的錐度，提高孔形精度。

3.2 加工電壓對加工精度的影響

孔徑是決定孔的尺寸精度的重要指標(biāo)，孔徑的大小主要由刀具直徑和加工間隙決定。為了探究加工電壓對加工精度的影響，采用工具B，保持電解液入口壓力為0.6MPa，主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)給速度為1.0mm/min，進(jìn)行電解鉆孔加工式驗(yàn)。采用三坐標(biāo)測量機(jī)對孔徑進(jìn)行測量，結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯?，隨著加工電壓的增大，孔徑也隨之增大。這是因?yàn)楫?dāng)加工電壓升高時，工具陰極底部對工件材料的蝕除作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致孔的直徑變大。

圖6 加工電壓對孔徑的影響Fig.6 Effect of processing voltage on aperture

3.3 電解液壓力對加工精度的影響

為了探究電解液壓力對加工精度的影響，采用工具B，保持加工電壓為30V，主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min，進(jìn)給速度為1.0mm/min，進(jìn)行電解鉆孔加工式驗(yàn)。采用三坐標(biāo)測量機(jī)對孔徑進(jìn)行測量，結(jié)果如圖7所示，可以看出，當(dāng)電解液壓力較低或較高時，孔徑都較大，這是因?yàn)楫?dāng)電解液壓力較低時，加工間隙內(nèi)電解液流量小，不利于加工產(chǎn)物的排出，加工穩(wěn)定性差，容易產(chǎn)生細(xì)小的火花放電，造成孔徑變大。當(dāng)電解液壓力較大時，加工間隙內(nèi)的電解液流速顯著提高，保證了加工間隙內(nèi)電解液的充足和電導(dǎo)率的穩(wěn)定，使孔徑又有所增大。

圖7 電解液壓力對孔徑的影響Fig.7 Effect of electrolyte pressure on aperture

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，采用加工電壓30V、電解液壓力0.6MPa、進(jìn)給速度1mm/min、加工深度32mm，在（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料上加工盲孔結(jié)構(gòu)，結(jié)果如圖8所示?？梢钥吹剑椎娜肟谛蚊擦己?，錐度很小。根據(jù)測量結(jié)果，加工出的盲孔圓度誤差為41.1μm；深度為32.5mm；深徑比為3.06；錐度僅有0.4°，這表明電解鉆孔加工方法對于（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料等難加工材料的盲孔結(jié)構(gòu)加工具有一定的優(yōu)勢。

圖8 孔的入口形貌及剖面圖Fig.8 Entrance morphology and cross-sectional view of hole

4 結(jié)論

采用直徑10mm的管狀陰極進(jìn)行（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料電解鉆孔試驗(yàn)研究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，可以得到以下結(jié)論。

（1）溫度為30℃時，TC4鈦合金在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液中的分解電壓為11V；（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的分解電壓約為12.5V。

（2）當(dāng)電流密度＜10A/cm2時，（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的實(shí)際體積電化當(dāng)量隨電流密度的增加而迅速增大。當(dāng)電流密度超過10A/cm2，隨著電流密度的增加，（TiB+TiC）/TC4復(fù)合材料的實(shí)際體積電化當(dāng)量增長緩慢，逐漸趨向于一定值，約為2.97×10-5cm3/（A·s）。

（3）采用側(cè)壁未絕緣的工具陰極時，加工出的孔的入口直徑為15.52mm，錐度為6.37°；采用側(cè)壁絕緣的工具陰極時，加工出的孔的入口直徑為10.81mm，錐度為0.5°，加工精度得到明顯提高，在一定范圍內(nèi)孔徑隨著加工電壓的增大而增大。