劉發(fā)展,曲寧松,朱增偉

(南京航空航天大學(xué)江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇南京210016)

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)零件性能的要求在不斷提高,不僅要求零件加工精度高,對(duì)表面質(zhì)量還有特殊的要求,如無(wú)再鑄層、無(wú)微裂紋、無(wú)腐蝕等。對(duì)于高溫合金、硬質(zhì)合金、耐熱鋼淬火鋼等高硬度、高強(qiáng)度零件上的異形孔,用傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法已很難實(shí)現(xiàn)[1～2]。通常采用的加工方法為電射流加工、電花火加工和激光加工。對(duì)于后兩種加工方法,由于都是用瞬間產(chǎn)生的高溫?zé)崛コ牧?加工后孔的內(nèi)表面會(huì)產(chǎn)生再鑄層。再鑄層是在快速冷卻作用下,熔融材料在材料加工表面形成的淬火鑄造組織,組織內(nèi)部常含有微裂紋。在交變載荷的作用下,這些微裂紋極易擴(kuò)散,以致零件發(fā)生斷裂破壞[3～6]。因而在航空、航天制造領(lǐng)域,經(jīng)電火花加工、激光加工過(guò)的表面必須進(jìn)行研磨或拋光,以去除產(chǎn)生的再鑄層[7]。去除再鑄層的常用方法有磨粒流機(jī)械研磨和化學(xué)拋光。但磨粒流機(jī)械研磨加工異形孔的精度低,且易存在去除不了的死角[8]。而化學(xué)拋光其一種溶液只適合某幾種材料,同時(shí)溶液會(huì)對(duì)工件產(chǎn)生污染[9]。

電解是基于陽(yáng)極溶解原理去除金屬,沒(méi)有宏觀“切削力”和“切削熱”的作用,因此工件表面不會(huì)產(chǎn)生像切削加工中所形成的塑性變形層,也不會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力,更不會(huì)像電火花、激光加工那樣在加工面上產(chǎn)生再鑄層,反而還會(huì)將原有的變形層和殘余應(yīng)力層去掉[10～11]。

本文針對(duì)電火花加工異形孔產(chǎn)生的再鑄層去除困難以及成形精度難以保證的難題,提出了一種高精度異形孔成形加工的電加工組合工藝:組合了電火花成形和電解加工兩種工藝措施。通過(guò)電火花先打出成形孔,然后電解加工去除電火花加工產(chǎn)生的再鑄層,最后得到精度高、表面質(zhì)量好的異形孔。

1 實(shí)驗(yàn)原理和裝置

電火花-電解組合加工,利用電火花成形加工的高精度以及電解加工較好的表面質(zhì)量,進(jìn)行異形孔的加工。在同一加工工位、同一工具電極條件下,先進(jìn)行電火花成形加工;再進(jìn)行電解加工去除電火花加工產(chǎn)生的再鑄層,加工過(guò)程中無(wú)需更換電極。試驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。

圖1 加工裝置示意圖

在電火花成形機(jī)床的工作臺(tái)上,設(shè)計(jì)出一套獨(dú)立的夾具和工作槽等設(shè)備以及供液系統(tǒng)。將工作槽固定在電火花成形機(jī)床的工作臺(tái)上,工件裝夾在工作槽內(nèi)。工件材料為2Cr13,厚度2 mm。先往槽內(nèi)充入煤油工作液,電火花打出成形孔后,把槽內(nèi)的煤油工作液放掉;將工件接電解用脈沖電源的正極,電火花加工時(shí)的工具電極接電源負(fù)極;機(jī)床主軸回到電火花打孔時(shí)的原位;打開(kāi)供給電解液的小流量高壓泵,對(duì)加工區(qū)域進(jìn)行沖液;接通電源,進(jìn)行電解加工。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在進(jìn)行電解加工試驗(yàn)之前,先討論不同電火花加工電參數(shù)對(duì)再鑄層的影響,然后針對(duì)特定參數(shù)下電火花成形孔,選擇不同的電解加工參數(shù),評(píng)價(jià)其加工效果。

2.1 電火花加工電參數(shù)對(duì)再鑄層厚度的影響

這里討論電火花極性、脈沖寬度和峰值電流對(duì)再鑄層厚度的影響。

2.1.1 極性對(duì)再鑄層厚度的影響

圖2為峰值電流等于24 A時(shí),不同脈沖寬度條件下極性變化對(duì)再鑄層厚度的影響規(guī)律?？梢钥闯?隨加工極性不同,不同脈沖寬度對(duì)再鑄層厚度影響的曲線(xiàn)變化率也不相同。當(dāng)脈沖放電時(shí)間較短時(shí),正極性加工比負(fù)極性加工再鑄層厚度大;反之,若脈沖放電時(shí)間長(zhǎng),負(fù)極性加工比正極性加工的再鑄層厚度大。這是因?yàn)樵诙堂}沖加工時(shí),電子的轟擊作用大于離子的轟擊作用;而長(zhǎng)脈沖時(shí),離子的轟擊作用大于電子的轟擊作用。轟擊作用越強(qiáng),熔化、拋出的金屬越多,熔融金屬凝固滯留在基體上的也越多,再鑄層越厚。

圖2 極性對(duì)再鑄層厚度的影響

2.1.2 峰值電流和脈沖寬度對(duì)再鑄層的影響

圖3是正極性加工條件下,不同峰值電流和脈沖寬度加工對(duì)再鑄層厚度的影響規(guī)律。

圖3 峰值電流和脈沖寬度對(duì)再鑄層厚度的影響

由圖3可看出,再鑄層厚度隨著峰值電流以及脈沖寬度的增大而增大。因?yàn)樵诿}沖寬度一定時(shí),峰值電流越大,單個(gè)脈沖能量也越大,其熔化、拋離的金屬就越多,滯留在工件表面的熔融金屬也越多,再鑄層就越厚。在峰值電流一定時(shí),脈沖寬度越大,導(dǎo)致單個(gè)脈沖能量也越大,再鑄層就越厚。

圖中還可看出,再鑄層厚度隨脈沖寬度、峰值電流并非呈線(xiàn)性關(guān)系變化,而呈減緩趨勢(shì)。這是由于隨著脈沖寬度的增大,脈沖能量也增大,但放電點(diǎn)的能量作用向周?chē)鷶U(kuò)散傳遞,使放電點(diǎn)的能量密度不隨脈沖能量的增大呈正比增長(zhǎng)、而是呈逐漸減緩的趨勢(shì)。

正極性時(shí),不同峰值電流和脈沖寬度組合加工的再鑄層厚度如圖4所示。

2.1.3 電火花加工電參數(shù)的選擇

放電間隙和電極損耗的大小體現(xiàn)了加工精度的高低。根據(jù)電火花加工電參數(shù)對(duì)再鑄層厚度的影響規(guī)律以及電火花加工的成形規(guī)律,兼顧加工精度、加工效率和再鑄層厚度,優(yōu)化選擇了表1中的加工參數(shù)。采用此參數(shù)加工的異形孔內(nèi)壁見(jiàn)圖5。

表1 優(yōu)化的電火花加工參數(shù)及此參數(shù)下的加工結(jié)果

2.2 電解加工效果的分析

取相同參數(shù)下的電火花成形孔為研究對(duì)象,進(jìn)行電解加工。為了保證完全去除再鑄層,電解加工去除的余量要大于再鑄層厚度,電火花加工后再鑄層厚度為8 μ m,所以取電解去除的余量為10 μ m。

圖5 采用表1的參數(shù)加工的異型孔內(nèi)壁的表面形貌

2.2.1 峰值電壓對(duì)加工效果的影響

試驗(yàn)采用微秒級(jí)脈沖電源加工。圖6所示為脈沖頻率5 kHz,占空比0.1,電解液采用4%NaClO3溶液。每次試驗(yàn)均只改變脈沖電源峰值電壓,進(jìn)行電解加工去除余量,研究峰值電壓對(duì)去除效果的影響。結(jié)果如圖6、圖7所示。其他加工參數(shù)不變,隨著電壓的增大,表面粗糙度值迅速減小。隨著加工電壓升高,電流增大,電流密度升高。采用的工件材料為2Cr13不銹鋼,由于各相的電極電位不同以及材料中化學(xué)成分的不均勻,會(huì)導(dǎo)致各相或各成分的溶解順序不同,材料中某些電極電位較負(fù)的相發(fā)生優(yōu)先溶解,電流密度越小,這種現(xiàn)象越明顯,導(dǎo)致了表面粗糙度的惡化。當(dāng)采用較高的加工電壓,使加工在高電流密度下進(jìn)行,各相幾乎同時(shí)溶解,在很大程度上提高表面質(zhì)量。由于電流密度升高,電解去除速度加快。

2.2.2 頻率對(duì)加工效果的影響

加工電壓30 V,占空比0.1,電解液采用4%NaClO3溶液。試驗(yàn)只改變脈沖頻率,研究不同脈沖頻率對(duì)加工效果的影響,結(jié)果如圖8所示。

圖8 頻率對(duì)加工效果的影響

隨著頻率的升高,加工效率提高,表面粗糙度值降低。這是因?yàn)槊}沖效應(yīng)隨著頻率提高而相應(yīng)加強(qiáng),電流效率 η對(duì)電流密度i的非線(xiàn)性特性被進(jìn)一步強(qiáng)化,使超鈍化在較高的電流密度下發(fā)生,集中蝕除能力加強(qiáng),表面粗糙度值提高。而且間隙內(nèi)氫氣壓力波對(duì)極間電解液的攪拌作用,改善了電解液對(duì)小間隙處的充填能力,使加工間隙的流場(chǎng)參數(shù)趨于均勻,提高了加工的穩(wěn)定性。由于占空比沒(méi)變,加工時(shí)平均電流改變不大。增加頻率使電流陽(yáng)極溶解的定域蝕除能力大為加強(qiáng);雜散電流減小、加工區(qū)域電流升高,提高了加工效率。加工效果如圖9所示。

圖9 不同頻率加工后的表面形貌

2.2.3 占空比對(duì)加工效果的影響

加工電壓30 V,脈沖頻率5 kHz,電解液采用4%NaClO3溶液。每次均只改變占空比進(jìn)行試驗(yàn)。圖10所示為不同占空比對(duì)加工效果的影響。

加工結(jié)果表明,在脈沖寬度一定的條件下,占空比對(duì)群孔加工產(chǎn)生顯著影響。加工表面粗糙度值隨著占空比的增大而增大,即占空比越小,越有利于獲得較高的集中蝕除能力。在頻率一定的情況下,減小占空比即增大脈沖停歇時(shí)間,間隙通道中的電解產(chǎn)物可在相對(duì)較長(zhǎng)的脈沖間歇時(shí)間內(nèi)充分排出,間隙內(nèi)的流場(chǎng)、溫度場(chǎng)得到更好的改善;同時(shí)脈沖電流增強(qiáng)了電解液的非線(xiàn)性特性,且隨著占空比的減小,加工集中蝕除能力相應(yīng)增強(qiáng),使表面粗糙度值降低,但減小占空比使加工平均電流下降,導(dǎo)致加工效率降低(圖11)。

圖10 占空比對(duì)加工效果的影響

圖11 不同占空比加工后的表面形貌

圖12 電解液對(duì)加工效果的影響

2.2.4 電解液對(duì)加工效果的影響

加工電壓30 V,占空比0.1,脈沖頻率5 kHz。試驗(yàn)只改變電解液參數(shù)。分別研究中性溶液NaClO3、NaNO3和酸性電解液H2SO4對(duì)加工效果的影響,各溶液濃度均為4%,結(jié)果見(jiàn)圖12?？梢钥闯?在其他加工條件不變的情況下,濃度同為4%的NaClO3、NaNO3、H2SO4 電解液中,NaClO3電解液加工表面粗糙度值最低,NaNO3電解液次之,H2SO4電解液加工表面粗糙度值最高,而加工效率則相反。這是由于NaClO3與NaNO3為非線(xiàn)性電解液,集中蝕除能力較強(qiáng),特別是NaClO3溶液的非線(xiàn)性特性更強(qiáng),其集中蝕除能力最強(qiáng)。而H2SO4是非鈍化電解液,電流效率η基本接近100%,非加工區(qū)即使電流密度很小,也會(huì)發(fā)生溶解反應(yīng),散蝕嚴(yán)重;同時(shí),工件材料在稀H2SO4電解液中還會(huì)發(fā)生化學(xué)溶解,對(duì)非加工面有腐蝕作用。由于在NaClO3溶液中加工時(shí)的電流最小,NaNO3次之,H2SO4中最大,所以它們的加工效率依次升高,去除余量所需的加工時(shí)間依次降低。加工結(jié)果見(jiàn)圖13。

圖13 不同電解液加工后的表面形貌

由以上分析得出一組優(yōu)化的電解參數(shù):電壓30 V,頻率5 kHz,占空比0.1,電解液為 4%NaClO3溶液。采用此參數(shù)加工的效果見(jiàn)圖14。

圖14 采用優(yōu)化的電解參數(shù)加工后異形孔內(nèi)壁的表面形貌

2.3 加工結(jié)果

采用上述的電火花-電解組合加工工藝,并采用優(yōu)化的電火花和電解參數(shù)加工,最終加工出的異形孔如圖15所示。

圖15 采用優(yōu)化的電火花-電解組合工藝加工的異形孔

3 結(jié)論

本文對(duì)無(wú)再鑄層異形孔的電火花-電解組合加工工藝進(jìn)行了一系列的實(shí)驗(yàn)研究。該工藝是一種加工高表面質(zhì)量異形孔的有效方法。采用優(yōu)化的電火花參數(shù)可得到精度高、再鑄層厚度小的異形孔,再通過(guò)采用優(yōu)化的電解參數(shù)可快速、均勻地去除電火花產(chǎn)生的再鑄層,得到的異形孔內(nèi)壁無(wú)再鑄層、無(wú)微裂紋,且具有很低的表面粗糙度值。

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