□ 李寒松 □ 高傳平 □ 李龍文 □ 王國乾

南京航空航天大學 機電學院 南京 210016

1 概述

在科學技術(shù)和制造技術(shù)高速發(fā)展的今天,由于各個領(lǐng)域的需要，很多具有特殊性能的材料不斷被研究出來并加以利用。TC4鈦合金以其優(yōu)良的耐蝕性、很小的密度、很高的比強度及較好的韌性和焊接性等一系列優(yōu)點，在航空領(lǐng)域、機械制造業(yè)、石油產(chǎn)業(yè)、船舶技術(shù)、高級汽車開發(fā)、醫(yī)療器械等行業(yè)中有著廣泛的應用。但是，要使TC4鈦合金薄板在航空領(lǐng)域上充分利用，比如應用于航空發(fā)動機中空氣導管阻尼套的微小陣列群孔的加工，它是所有加工工藝中的關(guān)鍵。

加工TC4鈦合金薄板微小陣孔的主要方法有：傳統(tǒng)機械加工、電火花加工、電解加工、激光加工、超聲加工等。太原科技大學張平寬［1］教授探索性地提出了一種新的加工理論—微小孔磨鉆技術(shù)，利用磨削原理，將刀具看成由無數(shù)個磨粒組成的磨具，在給予一定的轉(zhuǎn)速和進給量后來加工材料。蔡曉江［2］等人采用超聲振動輔助對SiCp/Al進行鉆削加工。朱波［3］等人研究工件的超聲振動，進行超聲功率、小孔孔徑、脈沖頻率的微小孔電火花加工工藝研究。劉宇［4］等人采用磁場電火花復合加工方法在鐵磁材料工件上加工小孔。王龍［5］研究在聯(lián)合穿刺針的導管上進行微細長槽的電解加工。高峰［6］等人采用微弧氧化、電泳復合工藝成模的側(cè)壁絕緣電極加工小孔。林金堵［7］等人利用飛秒級激光鉆孔。張曉兵［8］等人采用焦耳級脈沖能量毫秒激光在鎳基高溫合金上快速加工初始通孔，再采用毫焦耳級脈沖能量納秒激光擴孔，二次加工小孔。劉治國［9］通過工藝創(chuàng)新，設(shè)計加工輔具及超聲波壁厚儀在實際加工中應用，開創(chuàng)出一種新的大型階梯孔加工方法。崔曉旭［10］等人通過超聲振動研磨和復合拋光技術(shù)，實現(xiàn)了腔體內(nèi)表面的精密加工。在國外，采用電解加工工藝時，所配用的一般都是混合電解液或是加入適量的KBr等活性電解液。采用混合電解液加工時，隨著加工的進行，電解液不斷被消耗，混合電解液的配比一直在變化，從而給后續(xù)補充電解液帶來困難。同時，KBr對人體有危害，長期吸入會損害健康。

采用NaNO3電解液時，即使電流值很小，鈦合金材料也會有一定的溶解，造成工件的加工精度差；采用NaCl電解液時，鈦合金的加工精度高［11］。由于實驗采用掩模電解加工方法，非加工區(qū)域不會發(fā)生電解加工。由此，本實驗利用NaNO3電解液加工效率高的特性，研究其在TC4薄板陣列群孔的電解加工。

2 電解加工原理

電解加工，是對作為陽極的金屬工件在電解液中進行陽極溶解而去除材料，實現(xiàn)工件加工成形的工藝過程［12］。因為工件陽極是通過離子形式溶解的,所以在微細加工中有非常好的加工效果。筆者采用雙面模板電解加工技術(shù)進行電解加工，如圖1所示，該裝置由金屬板 （夾具）、掩模板和工件構(gòu)成。夾緊后，工件陽極被上下模板緊緊貼牢；通電后，雙陰極和工件加工區(qū)域間形成電場；加工時，工件陽極失電子而不斷被溶解，經(jīng)過一定時間，工件形成和模板上的設(shè)計圖形幾乎一樣的形狀，控制好加工參數(shù)就能得到符合設(shè)計要求的結(jié)構(gòu)；電解液在模板與金屬板間的間隙中高速流動，將加工中產(chǎn)生的熱量及其產(chǎn)物及時帶走，保證加工能夠正常進行。

▲圖1 雙面掩模板電解加工原理圖

3 實驗

實驗采用SV612F110T不銹鋼離心泵,額定流量16 m3/h，額定功率11 kW；采用揚州雙鴻電子有限公司制造的WWL—SS21大功率脈沖電源，輸入頻率50 Hz/60 Hz，輸入電壓 380 V，輸出電壓 0～40 V，輸出電流0～1 500 A；工件材料為0.5 mm厚的TC4鈦合金薄板。

▲圖2 模板電解加工系統(tǒng)圖

根據(jù)掩模電解加工的工作原理及其工作特點，設(shè)計了如圖2所示的試驗系統(tǒng)圖。本實驗系統(tǒng)由大功率脈沖電源、電解液過濾循環(huán)裝置和工作臺及裝夾機構(gòu)等組成。工件材料為TC4鈦合金薄板，采用質(zhì)量分數(shù)為10%的NaNO3溶液的電解液，設(shè)置電解液壓力為0.5 MPa。本實驗的加工工藝流程為：制作掩模板→清洗→裝夾→電解→測量。

（1）加工掩模板。按照圖紙的設(shè)計標準，利用數(shù)控鉆銑機制成掩模板。

（2）清洗。去除掩模板上的切屑與污物，并清除工件上的雜物及其油污，獲得清潔的零件表面，以獲得均勻的電解加工速度。

（3）裝夾。將工件和掩模板按順序定位在電解機床上，利用氣壓裝置進行夾緊。

（4）電解加工。打開電解液過濾循環(huán)裝置，設(shè)定電解液壓力，接通脈沖電源，調(diào)好加工參數(shù)進行加工。

（5）測量。加工結(jié)束后，利用超聲清洗機清洗工件。檢測所加工微小孔的尺寸參數(shù)。

以小孔錐度大小為本實驗主要的評價指標，圖3所示為切割加工小孔的剖面示意圖，小孔錐度θ的計算：

式中：D1為小孔的大徑，mm；D2為小孔的小徑，mm； T為工件厚度，mm。

4 實驗分析

4.1 電壓對加工結(jié)果的影響

在陰極和工件陽極間施加電壓，建立相應大小的電場，電場必須確保能達到所需要的電流密度，進而保證電解加工能夠持續(xù)正常進行。電壓大小對實驗結(jié)果有很大的影響，在本實驗設(shè)備的支持條件下，選取了25 V、30 V、35 V、40 V 4組電壓值進行實驗，在采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，其加工結(jié)果如圖4所示。

▲圖3 微小孔剖面示意圖

▲圖4 不同電壓下加工的孔

▲圖5 不同電壓下孔的錐度

圖5 表明，當加工電壓為40V時，加工的小孔錐度較好，其主要原因是，電壓增大，電場強度增強，電場線分布更均勻；此外，電流密度也相應增加，單位時間工件的腐蝕量增加，電解加工速度隨之加快，加工的小孔錐度減小。因此，在采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，確定選用40 V為電解加工電壓。

4.2 脈沖頻率對加工結(jié)果的影響

脈沖電流電解加工的基本原理：以周期間歇供電代替?zhèn)鹘y(tǒng)的連續(xù)供電，使工件陽極在電解液中發(fā)生周期斷續(xù)的電化學陽極溶解，它利用脈沖電流的脈沖效應，導致電解加工間隙過程物理、化學特性變化的一系列變化?；A(chǔ)實驗研究表明，脈沖頻率是影響間隙過程物理、化學特性變化的重要參數(shù)，直接影響電化學陽極溶解的集中蝕除能力［12］，從而影響加工精度。本實驗采用 200 Hz、400 Hz、600 Hz、800 Hz 4 組頻率值來研究其對錐度的影響。

圖6展示了在采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，不同頻率下小孔電解加工的結(jié)果。

圖7表明，當脈沖頻率大于400 Hz時，增大脈沖頻率會導致小孔的平均錐度相應增加。在相同的加工參數(shù)條件下，提高電源脈沖頻率，導致電解加工產(chǎn)物和加工產(chǎn)熱不能及時有效地排出，從而引起小孔處的溫度升高［13］，導致電場線分布不均勻和加工不均勻，造成小孔錐度增大。在采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，為保證電解液充分帶走產(chǎn)物和產(chǎn)熱，可以適當提高加工脈沖頻率以減小小孔錐度，為此采用加工脈沖頻率為400 Hz。

▲圖7不同脈沖頻率下孔的錐度

▲圖6 不同脈沖頻率下加工的小孔

4.3 電解液溫度對加工結(jié)果的影響

電解液是影響電解加工效果的重要因素,對電解加工精度、表面品質(zhì)以及加工效率均有影響［14］，其中，電解液溫度又影響其活性，從而影響電解加工的結(jié)果，主要體現(xiàn)在加工效率及其小孔的表面質(zhì)量上。因此，需要對電解液溫度進行研究。本實驗采用35℃、40℃、45℃、50℃4組溫度值來研究其對TC4加工效果的影響。圖8是在采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，各個溫度下電解加工的結(jié)果。

采用溫度為45℃的電解液，加工小孔的錐度較其它溫度小，電解液的溫度在35℃到45℃范圍時，小孔的錐度隨著電解液溫度的升高而相應減小，如圖9所示，這是因為隨著電解液溫度的升高，電解液中離子的活性加強，電流密度會相應提高，加工區(qū)域的腐蝕速度差異減小，從而使小孔錐度減小。由于電解加工本身放出大量熱，當溫度大于45℃時，加工區(qū)域熱量來不及排出，電解液可能沸騰、蒸發(fā)，且電解產(chǎn)生的氫氣膨脹會產(chǎn)生空穴，導致電場分布不均和加工不穩(wěn)定，從而使小孔錐度變大。因此，采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，電解液溫度加熱到45℃較好。

4.4 電源占空比對加工結(jié)果的影響

占空比是指脈沖信號的通電時間與通電周期之比。在采用大功率脈沖電源的電解加工中，工件的加工結(jié)果受電源占空比的影響很大［15］，加工占空比較小時，電解液可及時排除電解產(chǎn)物，并帶走大量熱量，降低加工區(qū)的溫度；當加工占空比較大時，有利于電解加工效率的提高，因此，有必要研究占空比如何影響加工結(jié)果。在此，選取占空比為15%、20%、25%、30%，采用10%的NaNO3溶液為電解液，加工的小孔如圖10所示。

▲圖9 不同溫度下加工孔的錐度

▲圖8 不同溫度下加工的小孔

▲圖1 0不同占空比下加工的小孔

▲圖1 1不同占空比下孔的錐度

▲圖1 2 實驗群孔

▲圖1 3 成品群孔

由圖11可知，采用15%的占空比時，工件陽極恰好完全加工穿透，同樣的加工時間，加工結(jié)果并不符合設(shè)計標準，小孔錐度比較大。占空比在20%以下時，加工產(chǎn)物和產(chǎn)熱都能及時有效地隨著電解液的沖洗而排出，加工區(qū)域溫度不致過高，氣體膨脹不致過大［16］，可以維持穩(wěn)定的流場和電場，加工能夠持續(xù)穩(wěn)定地進行，致使小孔的錐度減小。因此，采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，設(shè)置占空比為20%比較理想。

5 加工參數(shù)的優(yōu)化

參數(shù)的選擇對工件的加工結(jié)果影響很大，通過以上的討論分析，將對所用參數(shù)進行優(yōu)化。采用10%的NaNO3溶液為電解液加工時，選用40 V加工電壓，400 Hz加工脈沖頻率，20%占空比，45℃電解液溫度。優(yōu)化后的加工參數(shù)用于TC4鈦合金薄板的陣列群孔加工，如圖12～圖13所示是實驗加工的陣列群孔和加工成成品的陣列群孔。

6 結(jié)論

在采用10%的NaNO3溶液為電解液的情況下，利用雙面掩模脈沖電解加工技術(shù)，加工TC4鈦合金薄板微小陣列群孔。主要研究分析了加工脈沖頻率、加工電壓、加工占空比和電解液溫度對加工小孔錐度的影響，并有如下結(jié)論。

（1）采用掩模電解加工工藝，以NaNO3溶液為電解液進行加工，選擇合適的加工參數(shù)，能夠加工出錐度和孔徑大小均滿足工程實際需要的微小陣列群孔。

（2）采用較高的電壓、較低的脈沖頻率和較低的占空比能有效降低加工小孔的錐度，提高加工質(zhì)量。

（3）采用45℃電解液溫度時，加工的小孔錐度較小，同時，加工效率也較高。

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