王正蘭，徐 成,，傅香如，王 津，韓福柱

（1.清華大學 機械工程系，北京 100084；2.工程兵學院，徐州 221004）

0 引言

電解加工由于加工范圍廣、加工效率高、無電極損耗、無表面再鑄層等優(yōu)點，在航空航高溫合金加工領(lǐng)域有著重要應用[1,2]。在電解加工過程中，會產(chǎn)生大量加工屑與氣泡，如不及時排除，會導致電極工件之間發(fā)生短路，嚴重影響加工質(zhì)量和效率。傳統(tǒng)電解加工一般采用強制沖液方式更新電解液，即設(shè)計專門流道，通過高壓泵強制電解液在流道內(nèi)循環(huán)，用來排除加工屑與氣泡，更新間隙內(nèi)電解液、改善極間加工環(huán)境。然而此種強制沖液方式需要針對不同形狀的工件設(shè)計不同形狀的沖液裝置，準備時間長，普適性差[3]。因此，本文提出了一種采用網(wǎng)狀電極代替實體電極進行電解加工的方法，通過電極上的網(wǎng)孔增強排屑，同時配合電極抬刀和搖動，實現(xiàn)了無強制沖液裝置，只需普通噴頭在加工區(qū)域進行外部沖液條件下的穩(wěn)定加工，具有較強的普適性。

1 實驗平臺簡介

本電解加工實驗平臺是在蘇州三光科技股份有限公司生產(chǎn)的W30型精密數(shù)控電火花成形機床基礎(chǔ)上，添加電解液循環(huán)系統(tǒng)及脈沖電源系統(tǒng)而成。電極能實現(xiàn)抬刀、搖動等復雜精密運動；脈沖電源系統(tǒng)最大電流100A，能實現(xiàn)電壓0～20V、頻率0～10KHz、占空比0～100%連續(xù)可調(diào)；電解液循環(huán)系統(tǒng)采用JET高壓泵，入口壓強可達0.5MP，搭配節(jié)流閥調(diào)節(jié)壓力。整個實驗平臺如圖1所示。

2 可行性實驗

圖1 電解加工實驗平臺

本文提出采用網(wǎng)狀電極代替實體電極進行電解加工實驗，希望通過電極上的網(wǎng)孔增強排屑和電解液更新，從而實現(xiàn)在不強制充液條件下的電解加工。通過設(shè)計電極勻速進給實驗、電極抬刀、電極抬刀結(jié)合搖動等實驗，探索出了一種適合網(wǎng)狀電極穩(wěn)定加工的方法。

2.1 電極勻速進給實驗

網(wǎng)狀電極材料為304不銹鋼，厚度0.5mm，孔徑1mm，孔間距1.5mm，直徑15mm；工件為GH4169高溫鎳基合金，厚度100mm，如圖2所示。沖液泵入口壓力為0.45MPa，通過兩根噴液管引入加工區(qū)域，電解液為質(zhì)量濃度10%的硝酸鈉。

圖2 網(wǎng)狀電極與工件

實驗采用的主要加工參數(shù)如表1所示。

表1 主要實驗參數(shù)

實驗現(xiàn)象及分析：通電開始加工時，氣泡和加工屑被沖散至加工區(qū)域四周。當加工至工件表面以下0.3mm處時，開始出現(xiàn)短路現(xiàn)象。由于此時極間間隙較小，只靠外部沖液難以有效去除加工間隙內(nèi)的氣泡和加工屑，無法保證間隙內(nèi)電解液及時更新，導致工件蝕除速度低于電極進給速度，最終發(fā)生短路。加工結(jié)果如圖3所示。

圖3 勻速進給加工結(jié)果

圖4 電極抬刀示意圖

2.2 電極抬刀實驗

網(wǎng)狀電極勻速進給時只靠外部沖液無法及時更新電解液，因此考慮加入電極抬刀，如圖4所示。電極首先勻速進給，加工一段時間后向上運動至設(shè)定最高點，再向下運動至抬刀起始點，進入下一循環(huán)。當電極抬刀時，電極與工件之間的間隙增大，此時沖液效果相對于勻速進給時更徹底。

采用與實驗2.1同樣的電源參數(shù)，將勻速進給改為電極抬刀運動，具體抬刀參數(shù)如表2所示。

表2 主要實驗參數(shù)

實驗現(xiàn)象及分析：電極向上抬刀時，極間間隙增大，沖液效果較好；電極向下抬刀時，對間隙內(nèi)電解液進行擠壓，混合著加工屑的電解液從網(wǎng)孔中被擠壓排出，改善了極間加工環(huán)境，在加工至工件表面以下約0.5mm之前，加工一直較為穩(wěn)定。但是在加工深度超過0.5mm以后，開始頻繁出現(xiàn)短路現(xiàn)象，停止加工進行觀察，可以發(fā)現(xiàn)，工件表面有與電極網(wǎng)孔相對應的凸起，其阻礙了電解液從網(wǎng)孔中的流動和排屑，導致排屑不暢，電解液更新受阻，從而發(fā)生短路。加工結(jié)果如圖5所示。

圖5 電極抬刀加工結(jié)果

圖6 電極圓心運動軌跡

2.3 電極抬刀結(jié)合搖動實驗

為解決抬刀加工時工件表面殘留凸起的問題，在電極抬刀的基礎(chǔ)上加入了電極搖動，希望電極在平面內(nèi)的運動使得電極實體部分將凸起抹平。電極搖動即電極在向下勻速進給的同時，在與進給方向垂直的平面內(nèi)做圓周搖動，電極圓心在平面內(nèi)的運動軌跡如圖6所示，加工開始時由O運動至O1（OO1為搖動半徑），之后進行圓周運動。

實驗采用電極搖動半徑為500μ m，搖動周期為35秒，具體參數(shù)如表3所示。

表3 主要實驗參數(shù)

實驗現(xiàn)象及分析：加入電極搖動之后，整個加工過程一直比較穩(wěn)定，加工深度為3mm時，仍然可以穩(wěn)定加工?？梢钥闯觯敿尤腚姌O搖動時，網(wǎng)狀電極實體部分可以有效抹平電極網(wǎng)孔對應的凸起，此時在抬刀和外部沖液的共同作用下，加工屑可以通過網(wǎng)孔被順利帶出，保證了加工間隙內(nèi)電解液及時更新，從而維持加工穩(wěn)定進行。加工結(jié)果圖7所示。

圖7 抬刀搖動實驗結(jié)果

通過以上三組實驗可以看出，網(wǎng)狀電極在抬刀、搖動、外部沖液的共同作用下，能夠?qū)崿F(xiàn)外部沖液（非強制沖液）條件下氣泡、加工屑的排出以及電解液的更新，從而保證加工穩(wěn)定進行。

3 搖動半徑對于加工表面粗糙度的影響

采用網(wǎng)狀電極進行加工時，搖動半徑選取不當，會導致工件表面上會有殘留凸起。搖動半徑過小時，可能無法將凸起抹平，導致表面粗糙度差甚至無法穩(wěn)定加工；搖動半徑過大時，則有可能會減小加工效率。因此，有必要研究搖動半徑與底面粗糙度的關(guān)系，從而確定適合于不同網(wǎng)孔的最佳搖動半徑。本文首先進行了孔徑1.0mm的網(wǎng)狀電極，加工深度1mm，搖動半徑分別為300μ m、400μ m、500μ m、600μ m、700μ m的實驗，研究了不同搖動半徑對底面粗糙度的影響。圖8為表面粗糙度隨搖動半徑的變化曲線。

圖8 表面粗糙度隨搖動半徑變化曲線

實驗結(jié)果表明，當搖動半徑為300μm時，加工穩(wěn)定性差，不能進行深度加工。當搖動半徑為孔徑的一半，即500μm時，工件表面粗糙度Ra值為0.889μm，當搖動半徑減小至400μm時，表面粗糙度Ra值為1.365μm；當搖動半徑逐漸增大，分別為600μm、700μm時，表面粗糙度Ra值分別為1.056μ m、1.140μ m。

分析原因為：當搖動半徑小于500μm時，在雜散腐蝕的作用下，工件凸起部分仍能被蝕除，工件表面仍能被抹平，但效果稍差，且當搖動半徑過小時，不能完全抹平凸起，導致加工不穩(wěn)定；當搖動半徑大于500μm時，表面粗糙度Ra值增大，是因為當搖動半徑增大時，搖動角速度減慢，加工結(jié)束之前的一個搖動周期內(nèi)，實體電極部分在工件表面停留時間相對較長，工件蝕除量較多，從而導致表面粗糙度Ra值增大。

孔徑為0.8mm、0.5mm時，搖動半徑與底面粗糙度的變化規(guī)律與孔徑1.0mm一致，即搖動半徑為孔徑值一半時，表面粗糙度Ra值最小，此處不再贅述。

4 網(wǎng)狀電極加工實驗

4.1 大面積加工實驗

可行性實驗中采用的電極面積相對較小，直徑皆為15mm。實際應用中，所需加工的面積往往較大，例如，部分渦輪葉片的尺寸約為28mm×15mm×15mm，因此，為驗證本文提出的加工方法能否滿足實際加工需要，本文設(shè)計了大面積加工實驗，驗證在使用網(wǎng)狀電極進行大面積加工時的可行性。電極如圖9所示。

圖9 直徑分別為25mm、20mm、15mm網(wǎng)狀電極

三種面積下的加工結(jié)果對比如圖10所示，加工深度皆為1mm。實驗表明，三種直徑的網(wǎng)狀電極都能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定加工，只是隨著加工面積增大，加工電流增大較快。因此，在大面積加工時，應配合輔助散熱，以保證加工過程中溫度恒定，提高加工的安全性和可重復性。

圖10 大面積加工實驗結(jié)果

圖11 曲面電極

4.2 曲面電極加工實驗

可行性和大面積加工實驗中采用的都是平面電極，而曲面加工在實際應用中尤其常見，以渦輪葉片為例，葉片加工表面在各個方向都有曲率[4]。為此，本文設(shè)計了曲面網(wǎng)狀電極加工實驗，探討采用網(wǎng)狀電極進行曲面加工時的可行性及其應該注意的問題。電極如圖11所示，側(cè)面是在直徑為80mm的圓周上截取的一段弦長為25mm的圓弧，弦長與弧頂點之間的距離為2mm，孔徑為0.8mm，孔間距為1.5mm，進給速度為0.05mm/min，工件寬度為15mm，長度為25mm，加工深度為2mm。

實驗表明，整個加工過程十分穩(wěn)定，隨著加工進行，工件與電極對應面積不斷增大，電流相應增加，當加工深度為2mm時，工件與電極形狀基本吻合，此時加工電流保持在43A左右。加工結(jié)果如圖12所示?？梢钥闯?，加工工件的側(cè)面形狀與電極基本吻合，但是工件左右兩頭表面有殘留凸起，中間部分凸起不明顯。此凸起是由于工件表面與平面有夾角，電極做平面搖動時無法將曲面上的凸起完全抹平，且弧面與搖動平面夾角越大，殘留凸起越明顯。此凸起可以通過采用實體電極精修，或者采用同樣形狀的網(wǎng)狀電極錯位加工的方法進行修正。因此可以看出，配合以適當?shù)暮罄m(xù)處理工藝，網(wǎng)狀電極能夠用于進行曲面加工。

圖12 曲面電極加工結(jié)果

5 結(jié)束語

本文提出了采用網(wǎng)狀電極代替實體電極進行加工的方法，通過設(shè)計電極勻速進給、抬刀和搖動等實驗，得出了適用于網(wǎng)狀電極的穩(wěn)定加工方法，即采用電極抬刀加搖動同時結(jié)合外部沖液的方法。在此基礎(chǔ)上，研究了搖動半徑與加工表面粗糙度的關(guān)系，即最佳搖動半徑為所使用網(wǎng)狀電極孔徑的一半。之后進行了大面積實驗和曲面電極加工實驗，結(jié)果表明，配合以適當?shù)臈l件和工藝，網(wǎng)狀電極能夠用來進行大面積和曲面加工。

本文實驗中網(wǎng)狀電極電解加工深度普遍不大，基本為2mm～3mm，此深度對于大部分實際應用場合已經(jīng)足夠。因為在電解加工型面之前，一般會進行粗加工，只留有2mm以內(nèi)的加工余量，所以盡管本文提出的網(wǎng)狀電極加工方法深度不大，但仍然能夠滿足實際應用。如需加工更大深度，可以考慮將電極做成封閉型，而非本實驗采用的開放式電極，從電極內(nèi)部進行沖液，可以進一步改善沖液的均勻性，增加加工深度，改善加工效果。

[1] Westley J A, Atkinson J, Duff i eld A.Generic aspects of tool design electrochemical machining[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1):348-392.

[2] 錢密,徐家文.數(shù)控展成電解加工的陰極結(jié)構(gòu)及流暢研究[J].航空精密制造技術(shù),2003(2):14-18.

[3] 徐成,王津,等.基于抬刀和外部沖液的高溫鎳基合金電解加工實驗研究[J].電加工與模具,2014(4):28-32.

[4] 萬能,杜珂,等.葉片類復雜型面電解加工的等幾何數(shù)值分析方法研究[J].制造業(yè)自動化,2014,10.