姚羊洋，房曉龍，曾永彬，王文漢

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，飛行器控制一體化技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065）

軸向沖液電解線切割50CrVA試驗(yàn)研究

姚羊洋1，房曉龍1，曾永彬1，王文漢2

（1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016；2.中航工業(yè)西安飛行自動(dòng)控制研究所，飛行器控制一體化技術(shù)國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710065）

采用軸向高速?zèng)_液電解線切割方法加工50CrVA彈簧鋼，利用高速流動(dòng)的電解液快速帶走加工產(chǎn)物。通過(guò)對(duì)加工區(qū)域的流場(chǎng)進(jìn)行仿真，選出合適的噴嘴直徑，并對(duì)影響加工的重要因素（加工電壓、占空比、頻率、進(jìn)給速度）進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究各參數(shù)對(duì)加工縫寬的影響。最后，采用優(yōu)化參數(shù)加工出縫寬約為1 mm的典型零件。

50CrVA；彈簧鋼；軸向沖液；電解線切割加工

50CrVA具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高，加入釩能使鋼的晶粒細(xì)化，降低過(guò)熱敏性，提高了強(qiáng)度和韌性，適用于工作應(yīng)力振幅高、疲勞性能要求嚴(yán)的場(chǎng)合，被廣泛用作現(xiàn)代航空航天領(lǐng)域噴油嘴彈簧及安全閥簧的材料[1-2]。彈簧鋼的加工方法有機(jī)械加工、激光加工和電火花線切割等。機(jī)械加工會(huì)使工件產(chǎn)生殘余應(yīng)力，進(jìn)而影響零件的性能。激光切割是利用高溫熔化、氣化金屬而達(dá)到切割的目的，工件會(huì)產(chǎn)生變形及熱影響區(qū)，從而影響零件的使用壽命[3]。電火花線切割是利用放電原理產(chǎn)生高溫氣化或熔化金屬的加工方法，會(huì)導(dǎo)致工件表面產(chǎn)生重鑄層，也會(huì)影響零件的疲勞壽命[4]。

電解線切割加工技術(shù)是以金屬絲作為工具陰極、對(duì)工件進(jìn)行切割的一種電解加工方法[5]。加工時(shí)，工件接電源正極，電極絲接電源負(fù)極，以離子剝離的形式去除材料[6]。電解線切割繼承了電解加工的諸多優(yōu)點(diǎn)，如電極絲不會(huì)與工件表面直接接觸，所以工件表面不會(huì)產(chǎn)生塑性變形，也沒(méi)有殘余應(yīng)力。相比于電火花線切割加工技術(shù)，利用電解線切割加工工件時(shí)，工件表面不會(huì)產(chǎn)生重鑄層，且電極絲無(wú)損耗，可重復(fù)利用[7]。由于電解線切割是基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理，故只要各工藝參數(shù)因素匹配恰當(dāng)，便可獲得比切削加工更好的微觀表面質(zhì)量[8]。

加工產(chǎn)物的排出效率是影響電解線切割加工精度和加工效率的重要因素[9]。為了提高產(chǎn)物的排出速度，曲寧松等采用往復(fù)走絲的方法來(lái)加快電極間產(chǎn)物的排出[10]；房曉龍等采用高速旋轉(zhuǎn)的螺旋電極來(lái)提高電極間的傳質(zhì)[11]；于洽等采用陽(yáng)極低頻振動(dòng)和往復(fù)運(yùn)絲結(jié)合的方法來(lái)促進(jìn)產(chǎn)物的排出[12]。上述研究主要針對(duì)微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工，應(yīng)用于宏觀加工時(shí)效果甚微。本文采用軸向高速?zèng)_液的方式來(lái)加工大厚度50CrVA材料，高速?zèng)_液能極大地提高加工間隙中電解產(chǎn)物的排出速率，從而提高加工速率。本文首先對(duì)電解液射流及加工區(qū)流場(chǎng)進(jìn)行仿真，優(yōu)選出合適的噴嘴，再通過(guò)試驗(yàn)優(yōu)化加工參數(shù)。

1 加工原理

軸向沖液電解線切割加工原理見圖1。加工時(shí)，工件接電源正極，電極絲接電源負(fù)極，結(jié)合簡(jiǎn)單的相對(duì)數(shù)控運(yùn)動(dòng)來(lái)達(dá)到切割的目的。電解液從雙向傾斜入口進(jìn)入導(dǎo)向器，再?gòu)膰娮旄咚贈(zèng)_出，包裹著電極絲高速進(jìn)入加工區(qū)，流速可達(dá)35 m/s。高速流動(dòng)的電解液能加快加工區(qū)域電解產(chǎn)物的排出速率，從而加快工件的加工效率，提高加工穩(wěn)定性。

2 加工區(qū)域流場(chǎng)仿真

由于不同直徑的噴嘴對(duì)加工區(qū)域的電解液流速影響較大，故采用Fluent軟件對(duì)不同直徑噴嘴的流場(chǎng)進(jìn)行分析，選出合適的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。

加工區(qū)域?yàn)樽笥覍?duì)稱模型，為了減少計(jì)算量，選取對(duì)稱面作為仿真研究的模型。由于模型為電解液射入空氣中，所以采用VOF兩相流模型進(jìn)行求解。如圖2所示，線段AB為電解液的入口，壓力為1 MPa，線段BC、CD、DE為噴嘴壁面，線段EF、FG、JK、KL為壓力出口，線段GH、HI、IJ為工件壁面，線段AL為電極絲壁面。線段AB的長(zhǎng)度可表示為：

式中：L為線段AB的長(zhǎng)度；D為噴嘴直徑；d為電極絲直徑。

圖2中，噴嘴長(zhǎng)度為2 mm（即線段AB與CD的距離），噴嘴距離工件上表面為5 mm（即線段CD與GH的距離），工件厚度為6 mm（即線段GH與IJ的距離），加工間隙為0.25 mm（即線段HI與AL的距離）。分別用直徑為0.8、1.0、1.2、1.4 mm的噴嘴進(jìn)行仿真（表1），分析不同直徑的噴嘴對(duì)加工區(qū)域流場(chǎng)流速的影響。

圖3是不同直徑的噴嘴流場(chǎng)速度圖?？梢?，隨著噴嘴直徑的增加，沖在工件表面的電解液流速增大，而進(jìn)入加工區(qū)域的電解液流速并未增大；當(dāng)噴嘴直徑為1.2、1.4 mm時(shí)，在工件上表面靠近電極絲的附近還出現(xiàn)了流場(chǎng)流速驟降的情況。

圖4是加工區(qū)域中間位置（即圖2所示虛線Q）的電解液沿工件厚度方向的速度分布曲線?？梢?，當(dāng)入口長(zhǎng)度小于縫寬時(shí)，加工區(qū)域出口處的電解液流速隨著噴嘴直徑的增加而增大；當(dāng)入口長(zhǎng)度大于縫寬時(shí)，加工區(qū)域入口處的電解液流速發(fā)生驟降，出口處的電解液流速也下降。這是由于過(guò)大的噴嘴射出的電解液沖擊到工件表面會(huì)高速向垂直于工件厚度方向散開，這部分電解液會(huì)對(duì)沿工件厚度方向流動(dòng)的電解液產(chǎn)生側(cè)向干擾，導(dǎo)致進(jìn)入加工區(qū)域的電解液流速降低。因此，本文選取直徑1.0 mm的噴嘴進(jìn)行參數(shù)試驗(yàn)探究。

3 試驗(yàn)系統(tǒng)

軸向沖液電解線切割加工系統(tǒng)示意圖見圖5，主要包括沖液裝置和電極絲、電解液循環(huán)系統(tǒng)、進(jìn)給系統(tǒng)及加工電源等部分。

沖液裝置和電極絲見圖6，主要由噴嘴、導(dǎo)向器、電極絲、匯流腔及一個(gè)二維微調(diào)平臺(tái)組成。電極絲采用直徑0.5 mm的鉬絲，穿過(guò)導(dǎo)向器、匯流腔和噴嘴，上端連接直徑0.6 mm的紅寶石導(dǎo)向器起到定位作用，下端連接直徑1.0 mm的紅寶石噴嘴；固定電極絲后，通過(guò)微調(diào)二個(gè)分度頭調(diào)節(jié)電極絲和噴嘴的相對(duì)位置，使電極絲盡可能在噴嘴的中間，并用亞克力膠封住上端導(dǎo)向器，防止電解液從上端泄漏。待實(shí)驗(yàn)完成后，可采用酒精燈燒灼的方法去除亞克力膠，使導(dǎo)向器能重復(fù)利用。加工時(shí)，電解液從進(jìn)液口左右兩端進(jìn)入?yún)R流腔，再?gòu)南露藝娮煅刂姌O絲高速射出。

電解液循環(huán)系統(tǒng)由柱塞泵、過(guò)濾器、安全閥、球閥、電解液池和電解液槽等組成。電解液由柱塞泵供給，由球閥調(diào)節(jié)回流電解液的流量進(jìn)而控制電解液的壓力，系統(tǒng)中加入一個(gè)1.5 MPa的常閉式安全閥起到安全防護(hù)的作用。經(jīng)過(guò)加工區(qū)域的電解液由電解液槽收集并回流到電解液池，再經(jīng)過(guò)濾器重新使用。進(jìn)給系統(tǒng)由PC機(jī)通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡分別控制XYZ三軸的運(yùn)動(dòng)，加工電源采用高頻脈沖電源。

4 工藝參數(shù)分析及優(yōu)化

試驗(yàn)采用峰值電壓為30 V、頻率為1 kHz、占空比為60%的脈沖電源，20 μm/s的進(jìn)給速度，1 MPa的沖液壓力，5%NaCl+5%NaNO3的電解液，電極絲采用直徑0.5 mm的鉬絲，電解液出口噴嘴直徑為1.0 mm，并以上述參數(shù)作為試驗(yàn)的對(duì)照組分別對(duì)脈沖電源電壓、占空比、頻率及進(jìn)給速度進(jìn)行參數(shù)的探究。

4.1 電壓對(duì)加工縫寬的影響

試驗(yàn)分別對(duì)加工電壓為22、24、26、28、30 V等5個(gè)參數(shù)進(jìn)行探究，加工縫寬的變化曲線見圖7?？煽闯觯p寬隨著加工電壓的增加而增大。這是因?yàn)樵黾与妷簳?huì)使加工區(qū)域的電流密度增大，從而導(dǎo)致工件蝕除率增加，在相同的進(jìn)給速度下，單位長(zhǎng)度內(nèi)被腐蝕的材料增加，從而使加工縫寬增大。

4.2 占空比對(duì)加工縫寬的影響

試驗(yàn)分別對(duì)占空比為40%、50%、60%、70%、80%等5個(gè)參數(shù)進(jìn)行探究，加工縫寬的變化曲線見圖8?？煽闯?，增加占空比會(huì)使單位時(shí)間內(nèi)參加反應(yīng)的時(shí)間增加，從而使單位時(shí)間內(nèi)的材料蝕除量增加，在相同的進(jìn)給速度下，加工縫寬也增大。

4.3 頻率對(duì)加工縫寬的影響

試驗(yàn)分別對(duì)頻率為1、3、5、7、9 kHz等5個(gè)參數(shù)進(jìn)行探究，加工縫寬的變化曲線見圖9。可看出，縫寬隨著頻率的增加反而減小，這是因?yàn)樵黾宇l率使脈沖周期減小，從而導(dǎo)致縫寬減小。

4.4 進(jìn)給速度對(duì)加工縫寬的影響

試驗(yàn)分別對(duì)進(jìn)給速度為10、15、20、25、30 μm/s等5個(gè)參數(shù)進(jìn)行探究，加工縫寬的變化曲線見圖10。可看出，縫寬隨著進(jìn)給速度的增加而減小。在相同的占空比下，進(jìn)給速度直接影響單位長(zhǎng)度內(nèi)工件材料參與反應(yīng)的時(shí)間，從而影響加工縫寬。過(guò)快的加工速度會(huì)使加工產(chǎn)物來(lái)不及排出加工間隙，或者工件材料來(lái)不及腐蝕而造成短路。

4.5 加工實(shí)物

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，在滿足穩(wěn)定加工的條件下提高加工速度，以切割縫寬1 mm為原則，選擇加工電壓30 V、占空比60%、頻率1 kHz的脈沖電源，以及進(jìn)給速度30 μm/s，沖液壓力1 MPa，噴嘴直徑1.0 mm，電解液為5%NaCl+5%NaNO3溶液，電極絲為直徑0.5 mm的鉬絲，在厚度為6 mm的50CrVA彈簧鋼工件上切割出如圖11所示的結(jié)構(gòu)。

5 結(jié)論

（1）提出使用軸向高速?zèng)_液電解線切割方法加工50CrVA彈簧鋼，并對(duì)不同直徑的噴嘴對(duì)加工區(qū)域流場(chǎng)的影響進(jìn)行了仿真，選取直徑和縫寬大小一樣的噴嘴進(jìn)行試驗(yàn)。

（2）在自行設(shè)計(jì)的夾具上，對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行了探究試驗(yàn)。結(jié)果表明，加工電壓、占空比的增加會(huì)使加工縫寬增大，進(jìn)給速度、脈沖頻率的增加會(huì)使加工縫寬減小。

（3)采用優(yōu)化的參數(shù)加工典型零件，證明軸向高速?zèng)_液電解線切割能快速穩(wěn)定地加工50CrVA彈簧鋼。

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Experimental Study on Wire Electrochemical Machining of 50CrVA with Axial Electrolyte Flushing

YAO Yangyang1，F(xiàn)ANG Xiaolong1，ZENG Yongbin1，WANG Wenhan2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Science and Technology on Aircraft Control Laboratory，AVIC Xi′an Flight Automatic Control Research Institute，Xi′an 710065，China）

Wire electrochemical machining with axial electrolyte flushing has been proposed for the 50CrVA spring steel.Make the eletrolysate be taken away quickly with the high-speed flow of electrolyte.Simulation of flow field between the electrodes was studied，than the appropriate nozzle was chosen.After that，the single factor experiments was taken in order to study the influence of processing parameters on silt width，such as processing voltage，duty ratio，frequency and feed speed.Typical structure was processed，the width of the slit was about 1 mm.

50CrVA；spring steel；axial electrolyte flushing；wire electrochemical machining

TG662

A

1009－279X（2017）01－0060-05

2016-07-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51375238）；航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目（20160852006）

姚羊洋，男，1991年生，碩士研究生。