唐浩峰　曹明讓　楊勝?gòu)?qiáng)　李文輝　李唯東

太原理工大學(xué)，太原，030024

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分散劑在TC4上進(jìn)行電火花小孔加工的性能

唐浩峰曹明讓楊勝?gòu)?qiáng)李文輝李唯東

太原理工大學(xué)，太原，030024

摘要：針對(duì)在TC4上進(jìn)行電火花小孔加工時(shí)工件材料去除速度低、相對(duì)電極損耗大的問題，為使加工高效低耗，嘗試將一定濃度的分散劑聚丙烯酸鈉(PAAS)作為電火花小孔工作液，從加工碎屑狀態(tài)、工作液表面張力等方面進(jìn)行研究，并應(yīng)用FLUENT軟件對(duì)間隙工作液流速進(jìn)行模擬，分析流場(chǎng)對(duì)碎屑的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，得到在TC4上進(jìn)行電火花小孔加工的最佳工作液配比，改進(jìn)后材料去除速度最大提高97.56%，加工深徑比最大提高了56.94%，研究結(jié)果為電火花加工配制合適的工作液提供了參考。

關(guān)鍵詞：電火花小孔加工；分散劑;機(jī)理;仿真;實(shí)驗(yàn)分析

0引言

鈦合金具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、儀表設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。但鈦合金變形系數(shù)小、導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性大，傳統(tǒng)機(jī)械加工時(shí)會(huì)嚴(yán)重?fù)p耗刀具，影響加工效率和精度，因此，對(duì)其加工時(shí)一般使用電火花加工工藝。電火花小孔加工是電火花加工中應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)之一，它可以在各種導(dǎo)電材料上加工小孔[1-2]。

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片上有上千個(gè)散熱小孔，隨著我國(guó)航空事業(yè)的快速發(fā)展，找到一種高效低耗的小孔加工工藝勢(shì)在必行。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鈦合金小孔加工方面進(jìn)行了大量研究。胡輝等[3]通過對(duì)電火花加工電參數(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化得到了最優(yōu)加工參數(shù)，使鈦合金加工效率和精度得到提高；張?jiān)迄i等[4]利用超聲電火花復(fù)合的方法對(duì)鈦合金進(jìn)行加工，有效提高了鈦合金的表面質(zhì)量；戴立[5]提出了提高電火花加工鈦合金放電爆炸力的方法，使加工效率大幅提高；Pradhan等[6]運(yùn)用田口玄一提出的“田口法”對(duì)電火花加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到的電流對(duì)相對(duì)電極損耗、材料去除率起主要影響作用，使小孔加工質(zhì)量提高。但對(duì)于通過僅改變工作液性質(zhì)來提高在TC4上的電火花小孔加工，目前所做的研究相對(duì)較少。

本文從改變電火花加工工作液性質(zhì)入手，研究在鈦合金上進(jìn)行電火花小孔加工時(shí)使用一定濃度分散劑聚丙烯酸鈉(PAAS)作為工作液，通過對(duì)加工碎屑和工作液表面張力的影響，從而提高電火花加工穩(wěn)定性，以提高材料去除速度，降低相對(duì)電極損耗。

1PAAS在電火花小孔加工中的作用機(jī)理

PAAS屬于聚羧酸類阻垢分散劑，為低分子量電解質(zhì),具有良好的蟞合性，能與鐵、銅、等多種金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，能溶解金屬表面的氧化物，具有較好的阻垢效果并具有明顯的溶限效應(yīng)[8-9]。通常作為冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中的阻垢劑的結(jié)構(gòu)式如圖1所示，參數(shù)見表1。

PAAS在電火花小孔加工中的作用機(jī)理可進(jìn)行以下幾方面分析：

(1)PAAS可與電火花小孔加工后工作液里大量的金屬碎屑形成穩(wěn)定絡(luò)合物，增加其在工作液里的溶解度。同時(shí)其在水中電離生成的陰離子具有強(qiáng)烈的吸附性，它會(huì)吸附在加工碎屑上，使其表面帶有相同的電荷。由于靜電排斥作用力，這些顆粒就不會(huì)聚集，碎屑半徑r大大減小[10-13]。將電火花小孔加工中工作液與碎屑成為一個(gè)分散體系，假設(shè)碎屑顆粒為球形質(zhì)點(diǎn)，其受到的重力為

F1=4πr3(ρ-ρ0)g/3

(1)

式中，ρ為碎屑密度；ρ0為工作液密度。

按照Stokes定律，碎屑所受的阻力為

F2=6πηrv

(2)

式中，η為工作液黏度；v為碎屑沉降速度。

同時(shí)，碎屑受到的工作液沖力為

F3=pπr2

(3)

其中，p為沖液壓力。當(dāng)F3=0,F1=F2時(shí),碎屑將懸浮或勻速下降，由式(1)、式(2)得

(4)

由式(4)可見，其他條件相同時(shí)，v與r2成正比，碎屑越小，沉降速度越小。

當(dāng)F3>F1+F2時(shí)，工作液中碎屑向孔外排出，由式(1)～式(3)可得

p>10rg(ρ-ρ0)/3

(5)

由表1可見PAAS密度與水接近，且因配置工作液濃度較低，對(duì)工作液密度影響較小，故碎屑與工作液密度差的變化忽略不計(jì)，由式(5)可見，在工作液壓力p不變的情況下，PAAS工作液更易于加工碎屑的排出，提高電火花小孔加工工作穩(wěn)定性，特別在加工的底部端面碎屑堆積減少，可提高小孔加工質(zhì)量。

(2)使用FLUENT軟件對(duì)間隙工作液流速進(jìn)行模擬，假設(shè)黃銅電極為中空?qǐng)A柱體，直徑為1mm，取加工深度為2mm，黃銅電極轉(zhuǎn)速為120r/min，工作液壓力p為2.0MPa；電火花小孔加工工作液雷諾數(shù)為

Re=ρ0viD/μ

(6)

式中，vi為工作液入口流速；D為電極直徑；μ為流體黏度。

工作液入口流速為2m/s,在16 ℃下測(cè)得濃度為0.5%的PAAS工作液密度為1007kg/m3，黏度與水近似相同，為1.11kPa·s，經(jīng)計(jì)算工作液雷諾數(shù)小于2000為層流狀態(tài)，間隙工作液流速模擬見圖2；側(cè)隙工作液流速模擬取圖2側(cè)隙部分，如圖3所示。

由圖3可見，在電火花小孔加工中電極與工件間隙側(cè)隙中間工作液流速較大，靠近電極和工件處工作液流速較小。間隙中碎屑顆粒所受離心力為

Fa=πd3(ρ-ρ0)n2H/6

(7)

式中，d為碎屑直徑；H為碎屑距離電極中心的距離；n為電極轉(zhuǎn)速。

碎屑所受工作液的摩擦力作用為

Fb=3πdηnr

(8)

(3)液體內(nèi)部。每個(gè)分子會(huì)受到鄰近分子各個(gè)方向的吸引力(包括排斥力)，故液體內(nèi)部分子所受合力為零，然而在液體表面的分子總受到向液體內(nèi)部的拉力作用，即液體的表面張力作用，所有液體都有一定的表面張力。電火花小孔加工時(shí)，工作液分別與電極和工件接觸形成液-固膜，隨著工作液排出，界面能發(fā)生變化產(chǎn)生黏附功,液-固相表面被拉開。根據(jù)特勞貝定則，在稀溶液中，溶液的表面張力相對(duì)減小值與濃度成正比，因此，PAAS工作液較原有水工作液表面張力減小，工作液排出所要克服的黏附功減小，在相同工作液沖壓時(shí)，使電火花小孔加工工作液更易排出，加工穩(wěn)定性提高，減小“二次放電”。

(4)由于PAAS在工作中也會(huì)電離出鈉離子，用其制備的電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率會(huì)隨其濃度的增大而增大，嘗試通過工作液電導(dǎo)率的提高使極間距離適當(dāng)增加，加工碎屑不易在孔底沉聚且更易排出，不易發(fā)生“二次放電”，但工作液電導(dǎo)率太大會(huì)導(dǎo)致放電空載和“二次放電”概率增大，故工作液中PAAS濃度應(yīng)控制在一定值內(nèi)。

2實(shí)驗(yàn)及分析

2.1實(shí)驗(yàn)一

在D703F高速電火花小孔機(jī)床上，使用1mm的黃銅管狀電極對(duì)2mm的TC4板進(jìn)行小孔加工，TC4物理參數(shù)見表2。沖液壓力為2.0MPa，電極轉(zhuǎn)速為120r/min，加工電流脈沖寬度選用35μs,電流強(qiáng)度選用6A；分別以不同濃度的PAAS溶液作為電火花小孔加工工作液；小孔深度與擊穿時(shí)間的比為加工的材料蝕除速度；單位時(shí)間的工具電極損耗長(zhǎng)度為電極蝕除速度，電極蝕除速度與材料蝕除速度為相對(duì)電極損耗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，材料蝕除速度和相對(duì)電極損耗與工作液PAAS濃度的關(guān)系分別如圖4與圖5所示。

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，當(dāng)工作液的PAAS濃度由0增至0.35%時(shí)，電火花小孔加工材料蝕除速度隨著其濃度增大而增大，相對(duì)電極損耗隨其濃度增加而減小，這是因?yàn)樗樾急砻嫖降年庪x子逐漸增多，碎屑間相互排斥不易團(tuán)聚使半徑減小，工作液電導(dǎo)率也在此區(qū)間內(nèi)逐漸增大，使得兩級(jí)間隙增大，這都有利于碎屑的排出，使加工更加穩(wěn)定，因此，此區(qū)間內(nèi)電火花小孔加工加工性較好。但工作液的PAAS濃度在0～0.1%區(qū)間內(nèi)時(shí)，由于工作液中PAAS濃度相對(duì)較小，陰離子不能完全覆蓋碎屑表面，故其加工性能改變量較小。當(dāng)工作液PAAS濃度為0.35%時(shí)，電火花小孔加工材料蝕除速度達(dá)到最大值0.81mm/min，較原有水質(zhì)工作液提高97.56%，相對(duì)電極損耗達(dá)到最小值15.5%，較原有水質(zhì)工作液降低38.25%。當(dāng)PAAS濃度超過0.35%后，由于材料蝕除速度的增大，加工碎屑來不及排出，散熱條件變差，PAAS發(fā)生一定程度的碳化現(xiàn)象，加工穩(wěn)定性降低，同時(shí)由于工作液電導(dǎo)率增大，放電空載和“二次放電”概率增加，因此，材料蝕除速度下降，相對(duì)電極損耗增加。

2.2實(shí)驗(yàn)二

使用與實(shí)驗(yàn)一相同的實(shí)驗(yàn)條件，選用不同濃度的工作液，在尺寸為25mm×50mm×25mm的TC4塊上進(jìn)行電火花小孔加工深徑比實(shí)驗(yàn)，加工到無法正常加工時(shí)測(cè)量小孔深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。

由實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)可知，當(dāng)工作液的PAAS濃度由0增至0.35%時(shí)，TC4上加工小孔的深徑比隨PAAS濃度增加而增大，與實(shí)驗(yàn)一分析結(jié)論相同，在此階段工作液中的PAAS可發(fā)揮良好分散性，加工碎屑不易團(tuán)聚，且工作液電導(dǎo)率的變化使得極間距離變大，這都有利于加工碎屑排出，因此，小孔加工深徑比逐漸增大。當(dāng)工作液PAAS濃度為0.35%時(shí)，加工小孔深徑比達(dá)到最大值11.3，較原有水質(zhì)工作液提高了56.94%。然而隨著工作液PAAS濃度繼續(xù)增加，小孔加工深徑比急劇下降，這是因?yàn)殡S著小孔深度的增加，孔內(nèi)溫度逐升高，工作液中的PAAS發(fā)生碳化形成沉淀，失去對(duì)加工碎屑的分散作用，同時(shí)工作液電導(dǎo)率超過臨界值使得放電空載和“二次放電”概率增加，這些反而阻礙了電火花小孔的正常加工。當(dāng)工作液的PAAS濃度達(dá)到0.45%時(shí)，隨著小孔深度的增大，PAAS碳化現(xiàn)象嚴(yán)重，并伴隨煙霧和刺鼻性氣味，加工穩(wěn)定性較差，加工性能比原有水質(zhì)工作液差。

2.2實(shí)驗(yàn)三

配置PAAS濃度為0.35%的工作液分別存放10天、30天、60天，其他設(shè)定與實(shí)驗(yàn)一相同，進(jìn)行電火花小孔實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如圖6所示。

由圖6可見PAAS工作液具有良好的穩(wěn)定性，長(zhǎng)期存放并不會(huì)影響其加工性能，故其適合長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)藏和運(yùn)輸，作為電火花小孔加工工作液具有實(shí)用性。

3結(jié)論

(1)加工TC4時(shí)，使用一定濃度的PAAS作為電火花小孔加工工作液，可有效提高材料蝕除速度，降低相對(duì)電極損耗。在本文實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)PAAS濃度為0.35%時(shí)，材料蝕除速度為0.81mm/min、相對(duì)電極損耗為15.5%，相比原有水質(zhì)工作液，材料蝕除速度提高了97.56%，相對(duì)電極損耗降低了38.25%。

(2)在本文實(shí)驗(yàn)條件下，當(dāng)PAAS濃度為0.35%時(shí)，小孔加工深徑比為11.3，較原有水質(zhì)工作液提高了56.94%。

(3)PAAS工作液經(jīng)過長(zhǎng)久放置后仍能發(fā)揮良好的加工性能，具有一定的實(shí)用前景。

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(編輯陳勇)

DispersantPerformanceonTC4inSmallHoleEDM

TangHaofengCaoMingrangYangShengqiangLiWenhuiLiWeidong

TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan，030024

Keywords：electricaldischargemachining(EDM);dispersant;mechanism;simulation；experimentalanalysis

Abstract：ThereexistedmanyproblemsinthesmallholeEDMprocesswhichconductedonTC4,andthechipremovalandtherelativelossofelectrodewereespeciallyprominent.Inordertosolvetheproblems,acertainconcentrationofsodiumpolyacrylate(PAAS)wasusedasworkingsolutionofsmallholeEDM.Studiesweredoneonmanywayssuchastheparticlesizeofprocessingscrapandsurfacetensionofworkingliquid,andsimulationanalyseswascompletedabouttheeffectsofflowfieldonprocessingscarpusingsoftwareFLUENT.Experimentswereprocessedonthebasisoftheanalyses,therefore,theoptimalworkingfluidratiosinsmallholeEDMonTC4wasobtained.Aftertheimprovements,themaximummaterialremovalratecanbeincreasedby97.56%,andthedepthtodiameterratioisincreasedby56.94%.TheresearchresultshavereferencevaluesonmakingappropriateworkingliquidinthesmallholeEDM.

收稿日期：2015-04-15

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51075294)；山西省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2014011026-3)；山西省研究生教育創(chuàng)新項(xiàng)目(02100758)

作者簡(jiǎn)介：唐浩峰，男，1991年生。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生。主要研究方向?yàn)樘胤N加工。曹明讓，男，1957年生。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院副教授。楊勝?gòu)?qiáng)，男，1964年生。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。李文輝，男,1975年生。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。李唯東，男，1974年生。太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院講師。

中圖分類號(hào)：TH16;TG661

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.015