黃紹服 張茜熙 張建翔 李 君

(安徽理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

近年來微小孔結(jié)構(gòu)在航空航天零部件上的應(yīng)用越來越廣泛，典型的應(yīng)用有航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜冷卻孔、發(fā)動機(jī)燃油噴嘴等。有的微小孔結(jié)構(gòu)深徑比大，有的對表面加工質(zhì)量要求較高，而這些微小孔很多由難加工材料制造而成，材料強(qiáng)度高，如高溫鎳基合金、不銹鋼、鈦合金及硬質(zhì)合金等。特種加工技術(shù)是制造微小孔的重要技術(shù)之一[1]。目前主要使用的特種加工微小孔的方法有電火花加工、電化學(xué)加工、超聲加工、激光加工，以及上述加工方法的互相復(fù)合等方法，每一種加工方法具有不同適用范圍和特點(diǎn)。電火花打孔技術(shù)在微小孔加工中被廣泛使用，如加工噴油嘴、噴絲嘴等微小孔。利用不同幾何形狀的微細(xì)電極，也可以用來加工圓形或非圓形微小孔[2]。但加工深徑比較大的微小孔時，加工產(chǎn)物難以從加工區(qū)域有效排出，且加工效率較低；由于放電熱作用，加工區(qū)域會出現(xiàn)再鑄層和微裂紋等缺陷；另外，加工過程中存在電極損耗[3-4]。Yan等采用旋轉(zhuǎn)削邊電極，有效地促進(jìn)了電蝕產(chǎn)物在加工區(qū)域的排出[5]。蔣毅等人開展了多孔電極TC4鈦合金電火花加工性能研究，研究發(fā)現(xiàn)由于內(nèi)部沖液的作用極大地降低了電極損耗，促進(jìn)了加工區(qū)域產(chǎn)物的及時排出,提高了加工效率，但此方法只適用于粗加工[6]。電化學(xué)加工可以用來加工任何導(dǎo)電材料且孔邊無飛邊和毛刺，與電火花加工相比，電化學(xué)加工材料去除率相對較高且表面加工質(zhì)量相對較好。但是電化學(xué)加工存在雜散腐蝕和環(huán)境不友好等問題[7-8]。黃紹服等人采用工具陰極高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了電化學(xué)加工微小孔試驗(yàn)，研究結(jié)果表明工具電極高速旋轉(zhuǎn)時，可以在工具電極表面形成絕緣氣膜，有助于減小表面粗糙度值和雜散腐蝕區(qū)域[9]。超聲加工能夠進(jìn)行非導(dǎo)電硬脆材料的微小孔加工，加工表面質(zhì)量較好，但加工效率較低，工具損耗較快[10-11]。激光加工微小孔時加工效率高，環(huán)境友好，但是激光加工設(shè)備較貴，微小孔加工精度不高，且只適用于在薄板上進(jìn)行激光打孔[7]。近年來，國內(nèi)外研究人員也開展了電化學(xué)放電微小孔加工研究，難點(diǎn)是如何形成穩(wěn)定氣膜。諸躍進(jìn)等采用電解電火花復(fù)合加工的方式對鈦合金進(jìn)行深小孔加工試驗(yàn)研究，也提高了加工效率及減小了電火花作用產(chǎn)生的再鑄層區(qū)域，但對于復(fù)合型的工作液的配置要求較高[12]。Wüthrich 等人通過在電解液中添加輔助溶劑的方法，減小了工具電極表面氣膜厚度，提高了微小孔加工過程的穩(wěn)定性[13]。

Ti60 (Ti-5.6Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.7Nd)是一種高溫鈦合金，在航空航天、醫(yī)療器械中應(yīng)用越來越廣泛，但Ti60因本身的物理、化學(xué)、力學(xué)等綜合性能的共同作用，屬于難加工材料[14-15 ]。如果使用以上單一的加工方法，無法解決加工加工質(zhì)量與加工效率之間的矛盾。本文針對Ti60微小孔的加工需求，首次提出了電火花-電解雙電源復(fù)合加工方法，進(jìn)行Ti60電火花-電解雙電源復(fù)合微小孔加工實(shí)驗(yàn)，研究加工電壓、電解液濃度、脈沖間距等加工參數(shù)對Ti60微小孔加工的影響規(guī)律，從而得到加工表明質(zhì)量較好、加工效率較高的微小孔。

1 電火花-電解雙電源復(fù)合加工試驗(yàn)裝置及原理

如圖1所示為加工試驗(yàn)裝置，試驗(yàn)裝置包括機(jī)床本體部分，由X/Y/Z軸及工作臺組成及其控制系統(tǒng)；加工電源部分，由電火花加工電源及電解加工電源組成；測量部分，包括示波器及測量電阻等；工作液槽，加工工件安裝在工作液槽中。應(yīng)用該試驗(yàn)裝置進(jìn)行不同加工電壓、電解液濃度、脈沖間距等加工參數(shù)作用下， Ti60電火花-電解雙電源復(fù)合加工微小孔表面質(zhì)量及加工效率等方面的研究。加工時，工件浸泡在具有弱導(dǎo)電性的電解液中，與微小直徑管電極間連接電解加工電源和電火花加工電源，調(diào)節(jié)管電極端面與工件之間的加工間隙，對工件同時進(jìn)行電解加工及電火花加工。加工原理圖如圖2所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 試驗(yàn)參數(shù)

為了研究電火花-電解雙電源復(fù)合加工微小孔的加工規(guī)律，試驗(yàn)從加工電壓、電解液濃度、脈沖間距等參數(shù)入手，研究各參數(shù)對微小孔加工的影響，得出Ti60微小孔加工時提高加工質(zhì)量及加工效率的規(guī)律。文中均采用了加工微小孔表面再鑄層厚度及加工所用時間兩個參數(shù)作為分析加工質(zhì)量和加工效率的依據(jù)。試驗(yàn)具體參數(shù)見表1所示。

表1 試驗(yàn)參數(shù)

參數(shù)數(shù)值工件材料Ti60(厚度2mm)管電極直徑/mm05電火花加工電源電壓/V20電解加工電源電壓/V4、6、8脈沖間距/μs10、20、30電解液濃度1%、2%、3%NaCl溶液

2.2 電火花-電解復(fù)合加工現(xiàn)象

試驗(yàn)采用濃度為1%NaCl溶液為電解液，電火花加工電源電壓為20 V，管電極直徑為0.5 mm，脈沖間距為10 μs的條件下，改變電解加工電源電壓進(jìn)行試驗(yàn)。復(fù)合電源的設(shè)置對微小孔電火花-電解復(fù)合加工現(xiàn)象的影響見圖3。

從圖3可以看出，當(dāng)電解加工電源與電火花加工電源同時接通時，管電極周圍產(chǎn)生電解氣泡，同時其末端產(chǎn)生火花放電，并且隨著電解電壓增加，電解作用產(chǎn)生的氣泡數(shù)量增加，火花放電區(qū)域面積增加。這是因?yàn)樵趦蓚€電源同時接通時，同時發(fā)生了放電效應(yīng)及電解加工，而且隨著電解加工電壓的增加，電解作用所產(chǎn)生的氣泡數(shù)量越多，促進(jìn)了放電現(xiàn)象的發(fā)生，因此放電作用和電解加工作用增強(qiáng)，反映在圖片中就是放電區(qū)域面積增加及電解加工所產(chǎn)生的氣泡的數(shù)量增加。

2.3 電解液濃度對微小孔加工的影響

電解加工中，電解液的濃度直接決定了工作液的電導(dǎo)率，從而影響電解加工作用，因此有必要研究電解液濃度對電火花-電解雙電源同步復(fù)合加工微小孔的表面質(zhì)量的影響規(guī)律。采用電解加工電源電壓為8 V，管電極直徑為0.5 mm，脈沖間距為10 μs的條件下，改變電解液濃度進(jìn)行試驗(yàn)，得到如圖4所示的試驗(yàn)結(jié)果。采用表面形貌儀測量在不同濃度下加工微小孔上表面再鑄層厚度，結(jié)果如圖5所示。

從圖4、5可以看出，在各加工參數(shù)不變的情況下，適當(dāng)?shù)脑黾与娊庖旱臐舛?，可以有效地減小微小孔加工上表面再鑄層的厚度及提高加工速度。這是因?yàn)殡娀鸹?電解復(fù)合加工時，在原先電解加工的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增大電解液的濃度，提高了復(fù)合加工時電解加工的電導(dǎo)率，進(jìn)而增強(qiáng)了電解的作用，能夠有效地去除微小孔加工入口處上表面再鑄層的厚度。

2.4 電解加工電壓對微小孔加工的影響

不同電解加工電壓對微小孔加工的影響規(guī)律見圖6。試驗(yàn)采用3%NaCl溶液、0.5 mm管電極、脈沖間距10 μs。

從圖6可以看出，隨著電解加工電壓的增加，微小孔加工上表面再鑄層的厚度有所增大，加工時間逐漸減少。這是因?yàn)樵谶M(jìn)行復(fù)合加工時，隨著電解加工電壓的增大，雖增大了電解作用的強(qiáng)度，但同時由于電解作用，加工區(qū)域所產(chǎn)生的氣泡增加，使放電作用同步增強(qiáng)，當(dāng)放電效應(yīng)所產(chǎn)生的再鑄層厚度大于電解作用去除的再鑄層厚度，在微小孔上表面就表現(xiàn)為隨著加工的進(jìn)行，微小孔入口處表面再鑄層厚度有所增大，但總體復(fù)合加工作用的增強(qiáng)又提高了微小孔加工的效率。

2.5 電解加工電壓對微小孔錐度的影響

試驗(yàn)采用3%NaCl溶液、0.5 mm管電極、脈沖間距10 μs，不同的電解加工電壓下加工微小孔時，影響微小孔加工錐度，如圖7所示。

微小孔錐度計(jì)算公式：

(1)

經(jīng)測量得出上下表面直徑，依據(jù)微小孔錐度計(jì)算公式得出微小孔錐度，結(jié)果如表2所示，微小孔錐度與電解加工電壓關(guān)系曲線如圖7所示。

表2 微小孔加工結(jié)果

電解加工電壓/V468微小孔上表面直徑/mm063220644406624微小孔下表面直徑/mm061210618505968直徑差T/mm002010025900616錐度001010013000308

從表2、圖7中可以看出，隨著電解加工電壓的增加，微小孔上表面直徑、上下表面直徑差、錐度均逐漸增大；當(dāng)電解加工電壓小于8 V時，微小孔下表面直徑也逐漸增加，但電壓達(dá)到8 V時微小孔下表面直徑變小。這是因?yàn)殡S著電解加工電壓的增加，增加了電解的作用，提高了加工區(qū)域材料去除率，同時微小孔下端加工時間相對上端加工時間較短，因此微小孔上表面直徑、上下表面直徑差、錐度逐漸增加。另外，當(dāng)電解加工電壓達(dá)到8 V時微小孔下表面直徑變小，這是由于電解加工作用強(qiáng)度增加的同時，微小孔下表面加工形成短時間穿透母材，減小了微小孔下表面電解影響時間，造成下表面直徑又有所減小。

2.6 脈沖間距對微小孔加工的影響

脈沖間距的大小影響復(fù)合加工時電火花放電時間的長短，從而影響加工區(qū)域的排屑量及電解加工的相對時間。因此，有必要研究不同脈沖間距對微小孔加工的影響規(guī)律。在電解加工電壓8 V、0.5 mm管電極、3%NaCl溶液下，改變脈沖間距進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著脈沖間距的增加，微小孔上表面再鑄層的厚度呈現(xiàn)減小的趨勢，加工時間也相對增加。這是因?yàn)樵陔娀鸹ǚ烹婇g隔增加的同時，增加了加工產(chǎn)物的排出時間以及相對延長了電解加工的時間，減小了再鑄層的厚度。在脈沖間距增加時，微小孔加工時間變大，因?yàn)殡娀鸹ㄗ饔脮r間對應(yīng)減少，影響微小孔加工的效率。

3 結(jié)語

本文提出了電火花-電解雙電源復(fù)合加工方法，研制了電火花-電解雙電源復(fù)合加工裝置，開展了Ti60電火花-電解雙電源復(fù)合加工微小孔試驗(yàn)研究。研究結(jié)果表明：

(1)對Ti60進(jìn)行微小孔電火花-電解復(fù)合加工時，控制電火花-電解雙電源的同時啟動及電解液濃度、脈沖間距、加工電壓等加工參數(shù)，可有效提高Ti60微小孔加工質(zhì)量及加工效率。

(2)隨著電解液濃度的增加，可以有效地提高加工效率及減小表面再鑄層厚度。

(3)隨著電解加工電壓的增加，微小孔錐度呈現(xiàn)增大的趨勢。

(4)隨著脈沖間距的增加，微小孔上下表面再鑄層的厚度呈現(xiàn)減小的趨勢。

[1]高飛，顧琳.微小孔特種加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及展望[J].航空制造技術(shù)，2016,23/24:108-112.

[2] YU Z Y, Rajurkar K P, Shen H.High aspect ratio and complex shaped blind micro holes by micro EDM [J].CIRP Annals-Manufacturing Technology, 2002, 51(1): 359-362.

[3]Reynaerts D, Heeren P-H, Van Brussel H.Microstructuring of silicon by electro-discharge machining (EDM)-- part I: theory [J].Sensors and Actuators A: Physical, 1997, 60(1-3): 212-218.

[4]Yamazaki M, Suzuki T, Mori N, et al.EDM of micro-rods by self-drilled holes [J].Journal of Materials Processing Technology, 2004, 149(1-3): 134-138.

[5] Yan B H, Huang F Y, Chow H W, et al.Micro-hole machining of carbide by electrical discharge machining [J].Journal of Materials Processing Technology 1999,87(1):139-145.

[6] 蔣毅,孔令蕾,平雪良,等.TC4鈦合金多孔質(zhì)電極電火花加工性能研究[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015,12(12):111-114.

[7] 應(yīng)人龍，曾莉群，顧大強(qiáng).微小孔加工技術(shù)綜述[J].機(jī)床與液壓，2008,36(6):144-147.

[8] Schuster R, Kirchner VV, Allongur P, et al.Electrochemical micromachining [J].Science, 2000, 289(5476):98-101.

[9] 黃紹服，曾永彬，朱荻，等.陰極高速旋轉(zhuǎn)對微細(xì)電化學(xué)鉆孔加工精度的影響[J].重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(33)：34-39.

[10]Egashira K, Masuzawa T.Microultrasonic machining by the application of workpiece vibration [J].CIRP Annals- Manufacturing Technology, 1999, 48(1): 131-134.

[11]Thoe T B, Aspinwall D K, Wise M L H.Review on ultrasonic machining [J].International Journal of Machine Tools and Manufacture, 1998, 38(4): 239-255.

[12] 諸躍進(jìn).電解電火花復(fù)合加工深小孔試驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2012(6):47-50.

[13]Wüthrich R, Hof L A, Lal A, et al.Physical principles and miniaturization of spark assisted chemical engraving (SACE) [J].Journal of Micromechanics and Microengineering, 2005, 15(10): 268-275.

[14] 石衛(wèi)民,魏壽庸,王鼎春,等.Ti60鈦合金大棒材的顯微組織及力學(xué)性能[J].中國有色金屬學(xué)報(bào),2010,20(1):75-78.

[15] Chen Xuezhen， Xu Zhengyang ，Zhu Dong，et al.experimental research on electrochemical machining of titanium alloy Ti60 for a blisk[J].Chines Society of Aeronautics and Astronautics & Beihang University，2016，29(1)：274-282.