同軸兆聲輔助射流電解加工工藝研究

翟 科，李騰楠，馬仕豪，梁勇康，杜立群

（1. 河北大學(xué)質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督學(xué)院，河北保定 071002；2. 大連理工大學(xué)機械工程學(xué)院，高性能精密制造全國重點實驗室，遼寧大連 116024）

電解加工具有不與零件接觸、 不受材料強度和硬度等性能影響、無冷作硬化層、無熱鑄層和微裂紋等優(yōu)勢特點， 在復(fù)雜構(gòu)件和難加工材料制造方面具有巨大的潛力和優(yōu)勢，是航空、航天、兵器等工業(yè)領(lǐng)域的重要制造技術(shù)之一[1-2]。 然而電解加工中存在雜散腐蝕問題，加工效率很大程度受反應(yīng)物傳質(zhì)限制。

超聲電解復(fù)合加工因獨特的優(yōu)勢在提高加工效率、改善表面質(zhì)量、提高加工精度等方面展現(xiàn)出優(yōu)異的效果與發(fā)展?jié)摿3-6]。 超聲振動在電解液中產(chǎn)生的微幅振動及空化作用， 一方面能夠改善工件表面溶解狀態(tài)，另一方面有利于加快反應(yīng)界面粒子運動、交換效率及電解產(chǎn)物的擴散速率， 從而提高微結(jié)構(gòu)的刻蝕速率[7]。 王明環(huán)等[8]探究了超聲輔助微細電解加工間隙內(nèi)電解液中的空化微射流對材料蝕除的影響， 結(jié)果表明在超聲振幅10 μm、 加工間隙50 μm下加工5 s，凹坑蝕除深度從20 μm 提高到100 μm，凹坑底部粗糙度從Ra290 nm 降低到Ra40 nm。Goel等[9]采用基于多物理場的建模與仿真方法，分析了射流電解鉆削和超聲輔助射流電解鉆削過程的加工規(guī)律，結(jié)果表明，在電解液射流上疊加超聲波后材料去除率得到顯著提高。Wang 等[10]研究了掩膜電解加工中超聲波攪拌參數(shù)對傳質(zhì)的影響，通過數(shù)值模擬得到了電解液中聲壓隨時間的變化關(guān)系，并通過優(yōu)化的傳質(zhì)在大規(guī)模錫青銅襯底上制作了直徑30 μm的微坑陣列。Wang 等[11]提出了一種空氣輔助和超聲輔助相結(jié)合的新型混合電解加工工藝，兩種輔助工藝相結(jié)合產(chǎn)生了協(xié)同效應(yīng)，超聲輔助促進中心區(qū)域的溶解，空氣輔助則阻礙邊緣區(qū)域的雜散腐蝕，由此可以制備出縱橫比增強、雜散腐蝕減少的微結(jié)構(gòu)。

兆聲波與超聲波相比具有更短的波長、更高的振動頻率、更好的指向性以及更高的空化閾值，且它的聲流效應(yīng)更為顯著，在改善流動、促進產(chǎn)物傳質(zhì)方面效果更為突出[12-13]。 本研究在射流電解加工中引入同軸傳輸?shù)恼茁暡?，進行電解單點加工或同軸電解銑削加工，以達到促進加工區(qū)域產(chǎn)物排出、提高加工效率與加工定域性的目的。

1 原理方法

1.1 數(shù)學(xué)模型

本方法采用的兆聲波在液體中傳播，波形以縱波為主，滿足下式的波動方程：

分離時間項，得到非齊次亥姆霍茲方程：

式中：▽為哈密頓算子；p為聲壓幅值；ρ0為介質(zhì)材料密度；c為材料中聲速；t為時間項；P為聲壓；ω 為聲波角頻率；ρc為復(fù)合密度；cc為復(fù)合聲速。

兆聲波線性度好、頻率高，波長比其他聲波短，兆聲作用下，電解液受兆聲作用的體積力擾動，促進陽極加工區(qū)域內(nèi)的電解質(zhì)更新，從而達到增強對流傳質(zhì)的目的。 因此在兆聲聲場作用下，流體中的體積力F可表示為：

在電解反應(yīng)中，極少數(shù)陽極溶解的陽離子與氫氧根結(jié)合，產(chǎn)生氫氧化物沉淀，但與陰極析出的氫氣的量相比可忽略不計。 因此，可以認為流場主要為氫氣和電解液組成的氣液兩相流。 假設(shè)電解液為不可壓縮流體，則流場滿足N-S 方程：

式中：F為電解液質(zhì)點間的體積力；μ 為電解加工時電解液的動力黏度；u為氯化鈉溶液的流速。

此外，流場的質(zhì)量守恒方程可描述為：

式中：ul為液相速度；ug為氣相速度；φg為電解液截面含氫氣百分比；φl為電解液截面含氯化鈉溶液百分比；ρl為電解液密度；ρg為氫氣密度。

此外， 電解時在陽極周圍產(chǎn)生少量的陽極電解氣，在陰極周圍大量析氫，同時電解反應(yīng)釋放熱量，使電解液溫度上升，從而降低電解質(zhì)的導(dǎo)電性能，即電導(dǎo)率下降：

式中：κ0為氯化鈉溶液原始電導(dǎo)率；β 為氯化鈉溶液中氫氣體積分數(shù)；n為布魯格曼系數(shù)；T0為氯化鈉溶液初始溫度；T為電解加工過程某時刻溶液溫度； γ為電解加工時溫度對氯化鈉溶液的影響系數(shù)。

在實際的電解過程中， 將電解液置于恒溫水浴中，此時默認溫度是恒定的，據(jù)此式（7）可簡化為：

此時， 電解液電導(dǎo)率對電解加工過程有較大的影響，主要體現(xiàn)為對電流密度的影響，考慮一次電流分布的情形， 則電流密度與電解液電導(dǎo)率的關(guān)系如下式所示：

結(jié)合上述分析過程，當(dāng)電解加工進行時，電解液中的氫氣體積百分比上升， 直接影響了電解液的電導(dǎo)率，導(dǎo)致此時的電流密度減小，陽極金屬溶解速率減小。而將兆聲系統(tǒng)復(fù)合到噴射電解加工過程中，一方面能增加電解液流速， 使陽極被加工區(qū)域的電解液不斷地更新， 另一方面兆聲的附加可促進反應(yīng)氣體排出， 兩方面共同作用有望提高電解加工精度并改善電解加工效率。

1.2 實驗裝置

圖1 是同軸兆聲輔助射流電解加工304 不銹鋼的裝置， 其中噴頭結(jié)構(gòu)用于發(fā)生兆聲波的壓電超聲換能器與射流電解的電解陰極、電解液束流同軸，工件作為電解陽極放置于噴嘴正下方。工作時，電解液由噴頭側(cè)壁的接口流入，經(jīng)噴嘴噴射至工件表面，同時壓電超聲換能器發(fā)射兆聲波在電解液中與電解液束流同軸傳播至工件表面。 實驗過程中，將噴嘴固定在三軸運動平臺上，控制噴頭移動以實現(xiàn)單點加工或電解銑削加工；同時，噴頭與陽極板保持一定距離，通過電源改變?nèi)鋭颖玫碾妷簛砜刂齐娊庖旱牧魉佟?實驗中使用質(zhì)量分數(shù)為15%的NaCl 溶液，將溶液的pH 控制在1.5～2，陽極板與噴嘴之間的距離設(shè)置為0.5 mm，兆聲換能器的頻率為1 MHz。

圖1 同軸兆聲輔助射流電解加工裝置

2 結(jié)果與分析

2.1 電解液流量對刻蝕效果的影響

固定電解電壓40 V、無兆聲的情況下，通過調(diào)節(jié)蠕動泵設(shè)置電解液流量為0.45、0.9、1.22 L/min，開展射流電解定點加工實驗，得到的刻蝕凹坑與深徑比分別見圖2 和表1。由圖和表所示，隨著電解液流量增大，蝕刻凹坑的孔徑和孔深都逐漸增大，凹坑刻蝕的深徑比略有增加。 然而， 當(dāng)蠕動泵流量為1.22 L/min 時，蠕動泵管道震動嚴重，使加工效果一致性較差，因此在進一步刻蝕中選定電解液流量為0.9 L/min。

表1 不同電解液流量下的孔徑、孔深、深徑比

圖2 不同電解液流量下的刻蝕凹坑

2.2 兆聲功率對刻蝕效果的影響

固定電解液流量為0.9 L/min，陰陽極之間電壓為40 V，設(shè)置兆聲功率分別為8、16、22 W 開展射流電解定點加工實驗， 得到的刻蝕凹坑與深徑比分別見圖3 和表2。 由圖和表所示，在兆聲功率較小的情況下，微坑刻蝕的深徑比與無兆聲的情況比較接近，兆聲作用并未顯現(xiàn)；隨著兆聲功率的增加，刻蝕凹坑的孔深不斷加深，刻蝕孔徑并不明顯增大，這說明在兆聲作用下， 同軸傳播的兆聲起到了將電解凹坑底部電解產(chǎn)物振動排出的效果， 促使電解反應(yīng)向著深度方向進行，提高了電解加工的深刻蝕能力。

表2 不同兆聲功率下的孔徑、孔深、深徑比

圖3 不同兆聲功率下的刻蝕凹坑

2.3 電解電壓對刻蝕效果的影響

為了進一步驗證兆聲射流電解加工的有效性，固定電解液流量為0.9 L/min，分別設(shè)置陰陽極電壓為30、40、50 V，在不施加兆聲波、施加22 W 兆聲波下開展射流電解定點加工實驗，得到的刻蝕凹坑與深徑比分別見圖4 和表3。由圖表可見，在電解電壓較小的情況下，微坑刻蝕的深徑比與無兆聲情況的比較接近；隨著電解電壓的增加，刻蝕凹坑的深徑比得以提高，且施加兆聲能夠很好地增大孔深。

表3 不同電解電壓下的孔徑、孔深、深徑比

圖4 不同電解電壓下的刻蝕凹坑

電解電壓是極間進行電化學(xué)反應(yīng)的原始動能，在恒定射流與恒定間隙條件下，極間的總電阻可認為是穩(wěn)定的，總電流受電解電壓控制，隨著電解電壓的增大，電解電流也依次增大，而不同電解電壓下，兆聲作用的電解電流均大于無兆聲作用的情況，說明兆聲作用使得極間總電阻減小；同時，兆聲作用使凹坑在深度方向的刻蝕能力較無兆聲加強， 這說明兆聲改善了陽極反應(yīng)界面的極化條件， 促進了陽極表面?zhèn)髻|(zhì)， 減小了極化電阻， 促進了正向反應(yīng)的發(fā)生。 由此可見，同軸兆聲波主要通過影響陽極極化、減小極化電阻達到改善凹坑刻蝕效果的目的。

2.4 溝槽結(jié)構(gòu)刻蝕

在單點兆聲刻蝕的基礎(chǔ)上， 通過控制噴頭移動進行電解銑削刻槽加工， 在其他參數(shù)保持不變下設(shè)置電解液流量為0.9 L/min，電解電壓為50 V，噴頭移動速度為0.8 mm/s， 對比了無兆聲施加、22 W 兆聲施加下的溝槽刻蝕效果，結(jié)果如圖5 所示?？涛g后測量微溝槽的線寬與刻深， 在無兆聲時溝槽線寬為6.61 mm，刻蝕深度為0.26 mm，深寬比為0.039，此時陰陽極之間的電流為0.65 A；在兆聲功率為22 W時溝槽線寬為5.98 mm，刻蝕深度為0.35 mm，深寬比為0.059，此時陰陽極之間的電流為1.13 A。 由此可見， 兆聲電解可作為一種有效的電解銑削方法實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的定域電解銑削加工。

圖5 有無兆聲施加條件下的溝槽刻蝕效果

3 結(jié)論

本文通過在射流電解加工中引入同軸傳輸?shù)恼茁暡ǎ?對304 不銹鋼的電解加工過程進行了理論分析，并研究了電解液流量、兆聲聲強、電解電壓對刻蝕效果的影響，得到以下結(jié)論：

（1） 理論分析了施加兆聲在射流電解加工中的作用，即兆聲通過促進電解液更新、電解產(chǎn)物排出的方式促進電解反應(yīng)進行，改善加工精度與加工效率。

（2） 通過凹坑結(jié)構(gòu)定點刻蝕以及溝槽結(jié)構(gòu)的電解銑削刻蝕，驗證了兆聲射流電解加工的有效性，與無兆聲相比，兆聲作用下的深徑比和深寬比增大，兆聲作用提高了定域加工能力與刻蝕效率。