電火花成形斜孔內(nèi)表面尖角電化學(xué)倒圓成形規(guī)律研究

張亞雄，馬 寧，張景強(qiáng)

(沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

隨著航空發(fā)動機(jī)不斷向更高水平發(fā)展，其效率和推重比持續(xù)提高，這對渦輪葉片的服役溫度提出了更高的要求。而高溫材料及高效冷卻技術(shù)是提升葉片服役溫度、保證其可靠性的關(guān)鍵。據(jù)統(tǒng)計，在過去的40年間，渦輪葉片服役溫度提高了約450 ℃，其中30%來源于合金成分設(shè)計及熱處理工藝優(yōu)化，而70%得益于高效的隔熱冷卻技術(shù)[1]。氣膜冷卻孔具有孔徑小、數(shù)量多、深徑比高、空間角度復(fù)雜、質(zhì)量要求高等特點(diǎn)。但氣膜孔加工角度并非垂直，因此發(fā)動機(jī)葉片氣膜孔內(nèi)壁表面會出現(xiàn)尖角，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。

胡春燕等[2]研究了電液束加工對單晶高溫合金氣膜孔的損傷行為，結(jié)果表明，帶單孔的DD6單晶高溫合金試樣疲勞裂紋萌生有兩種情況：一是從孔邊的疏松缺陷處萌生裂紋；二是來源于孔邊電解腐蝕損傷層附近的應(yīng)力集中處。Li等[3]分析了氣膜冷卻孔鎳基高溫合金在原位拉伸試驗中的裂紋萌生和擴(kuò)展，通過試驗和有限元分析確定了裂紋萌生的應(yīng)力值和位置。余自遠(yuǎn)[4]采用電化學(xué)法對微小孔毛刺尤其是復(fù)雜殼體、管零件等內(nèi)表面難到達(dá)區(qū)域毛刺進(jìn)行可控去除；鄭乾坤[5]得出了較優(yōu)的去除醫(yī)療導(dǎo)筒內(nèi)孔以及3C攝像頭后蓋上孔洞中去除毛刺的參數(shù)；陳蘭蘭[6]以鉆削碳素結(jié)構(gòu)鋼與不銹鋼形成的毛刺為研究對象，成功去除了工件表面毛刺且邊緣形成倒角；張旭[7]利用電解質(zhì)等離子加工技術(shù)對氣膜孔內(nèi)表面尖角去除進(jìn)行了試驗研究，可惜的是出口處材料雖然被去除，但沒有達(dá)到理想效果。本文利用管電極脈沖電化學(xué)倒圓角加工的方法去除氣膜孔內(nèi)壁尖角，研究了相關(guān)因素對圓角成形的影響規(guī)律。

1 實驗原理

電化學(xué)加工是一種利用金屬在電解液中產(chǎn)生電化學(xué)陽極溶解原理的加工方法。如圖1所示，管電極脈沖電化學(xué)倒圓角加工是以工件為陽極，工具電極為陰極，當(dāng)電解液通過工件上的尖角和特殊設(shè)計的工具電極之間十分狹小間隙的時候，在兩極施加電壓，這時在工件的尖角部分產(chǎn)生集中電流，電流密度最大，因而尖角很快被溶除，即尖角被倒圓。

圖1 實驗原理圖

2 實驗

2.1 實驗步驟

考慮到發(fā)動機(jī)葉片比較昂貴，不能直接在葉片上進(jìn)行實驗研究，故以孔徑為0.7 mm的60°電火花成形斜孔樣板(如圖2所示)作為研究對象進(jìn)行電化學(xué)倒圓實驗，研究電極裸露長度和電極下降位置對斜孔內(nèi)表面尖角倒圓的影響規(guī)律。

圖2 實驗樣板

1)實驗準(zhǔn)備階段。制備專用夾具及電化學(xué)反應(yīng)池，絕緣方法為電極側(cè)壁絕緣，采用材料為環(huán)氧樹脂的絕緣層，外側(cè)選用材料為聚酰亞胺的套管，放入恒溫干燥箱干燥40 min，配置質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的硝酸鈉和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的檸檬酸鈉混合溶液。

2)電化學(xué)去除尖角階段。將反應(yīng)池固定于加工平臺上，并連接電解液循環(huán)裝置；再將樣品工件固定于夾具中，并將其放置于反應(yīng)池中；如圖3(b)所示，樣品工件作為陽極，銅電極作為陰極，將陽極電線通過螺栓和墊片與樣品工件連接，實現(xiàn)陽極工件導(dǎo)電，陰極電線通過電極夾持裝置實現(xiàn)導(dǎo)電；然后通過三軸機(jī)床控制電極進(jìn)入尖角加工區(qū)，用x軸控制加工間隙、z軸控制下降深度進(jìn)行電化學(xué)加工。

圖3 實驗設(shè)備

3)雜質(zhì)去除階段。電化學(xué)倒圓實驗完成后，取出實驗樣板放入超聲波清洗儀中用去離子水清洗240 s，將電化學(xué)倒角后樣板斜孔內(nèi)的殘留物清洗干凈。

4)檢測階段。將工件沿著軸向切割，通過掃描電子顯微鏡(SEM)觀察實驗結(jié)果。

實驗中采用的條件及其實驗設(shè)備見表1和表2。

表1 實驗條件

表2 實驗設(shè)備

2.2 加工區(qū)域研究

為了確保能加工到尖角區(qū)域，在其他條件不變，電極露出長度為1.5 mm(如圖3(a)所示)、加工時間為60 s的參數(shù)條件下，分別將電極下降4.5,4.7,4.9,5.1,5.3,5.5 mm進(jìn)行了6次實驗，并將樣板切開觀察圓角成形的情況。

在下降深度為4.5,4.7 mm時，由于最小間隙未處于尖角位置，陰陽極放電優(yōu)先去除斜孔內(nèi)壁材料，導(dǎo)致尖角呈等梯度去除，尖角區(qū)域仍然存在(圖4(a)、圖4(b))；在電極下降至4.9，5.1，5.3 mm時，最小間隙慢慢地出現(xiàn)在尖角位置，故而尖角區(qū)域優(yōu)先去除，形成了較為規(guī)整的圓角(圖4(c)～圖4(e))；但是當(dāng)電極下降深度超過5.5 mm時，最小間隙對應(yīng)于斜孔外壁，外壁材料優(yōu)先被去除，使得尖角呈倒鉤狀，并未形成圓角(圖4(f))。因此，將下降深度初步控制在4.8～5.4 mm進(jìn)行后續(xù)實驗。

圖4 電極下降深度實驗

2.3 電極下降深度和電極裸露長度對倒圓角的影響

如圖5所示，在電化學(xué)倒圓角時，電極(銅電極)與工件(尖角)形成一個可成形加工區(qū)域，其通過電極下降深度和電極露出長度與尖角之間形成一個可倒圓角區(qū)域來確保圓角成形的加工穩(wěn)定性。

圖5 可倒圓角區(qū)域示意圖

圖中：δ為加工范圍，δ≤0.2 mm；s為電極露出長度，0.6 mm≤s≤1.6 mm；h為電極下降深度，4.8 mm≤h≤5.4 mm；R為最終圓角半徑；A點(diǎn)為尖點(diǎn)位置；B點(diǎn)所在水平線表示電極絕緣終點(diǎn)；C點(diǎn)為對刀點(diǎn)。

如圖6所示，在加工過程中，按照B點(diǎn)與A點(diǎn)相對位置分類可分為上、中、下3種位置。其中，中間位置分別為4.8 mm，0.8 mm；5.0 mm，1.0 mm；5.2 mm，1.2 mm；5.4 mm，1.4 mm(每組數(shù)據(jù)前一個為電極下降深度h，后一個為電極露出長度s)。處于中間位置時h和s之間的差值為4.0 mm，當(dāng)h-s>4.0 mm的時候B點(diǎn)處于A點(diǎn)上方；當(dāng)h-s<4.0 mm的時候B點(diǎn)處于A點(diǎn)下方。由此可知，隨著電極下降深度的增加，電極露出長度應(yīng)當(dāng)減小，即在其他條件不變的情況下，電極下降深度和電極露出長度呈反比。

圖6 不同加工位置示意圖

圖7所示為不同加工位置對應(yīng)的圓角成形狀態(tài)，相應(yīng)實驗結(jié)果見表3，當(dāng)偏移值超過0.3 mm時倒圓角效果開始變差，圓角直徑變?。辉?h-s)的差值為3.8～4.2 mm，即δ≤0.2 mm時可穩(wěn)定倒圓角。假設(shè)加工間隙不變，當(dāng)處于偏“上”位置時，斜孔內(nèi)壁去除速度大于斜孔外壁，倒圓角效果較佳；隨著偏移值的減少，逐漸達(dá)到“中”位置，這時倒圓角效果變化不大；當(dāng)處于偏“下”位置時，倒圓角效果開始變差。

圖7 不同加工位置對應(yīng)的成形狀態(tài)

表3 實驗結(jié)果

電火花成形斜孔內(nèi)壁尖角倒圓的難點(diǎn)在于需要精確地控制電極和內(nèi)壁尖角的相對加工位置，一旦加工位置有誤差就會導(dǎo)致無法形成圓角。由于實驗過程中無法直接觀測實際加工位置，因此必須對工具陰極和尖角的相對位置進(jìn)行精確調(diào)控。

3 結(jié)論

為研究斜孔尖角電化學(xué)倒圓中相關(guān)因素對圓角成形的影響規(guī)律，本文采用管電極脈沖電化學(xué)倒圓角加工方法對電火花成形斜孔內(nèi)表面尖角進(jìn)行倒圓實驗，得到如下結(jié)論：

1) 利用脈沖電化學(xué)方法對斜孔內(nèi)壁尖角定點(diǎn)進(jìn)行倒圓的方法是可行的，前提是需要保證電極下降深度和電極露出長度保持在某個加工區(qū)域。

2) 在電化學(xué)倒圓角的實驗研究中，只取得了初步的實驗效果，電化學(xué)倒圓角的工藝還不成熟，應(yīng)該做進(jìn)一步研究，例如探究電參數(shù)的優(yōu)化以及絕緣形式對倒圓角的影響、研究倒圓角后力學(xué)性能的檢測以及倒圓角后表面的腐蝕對工件的損傷。