尹飛鴻，楊 煉,2，何亞峰,3，蔣麗偉,2，吳小鋒,3

(1.常州工學(xué)院機(jī)械與車(chē)輛工程學(xué)院，江蘇 常州 213032) (2.常州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 常州 213164) (3.江蘇省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 常州 213032)

電解加工是一種特殊的加工方法，主要用于加工硬度比較高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，如整體葉輪、異形孔、炮管膛線、螺旋花鍵等。電解加工具有如下特點(diǎn)：加工范圍廣，生產(chǎn)率高，加工質(zhì)量好，可加工薄壁和易變形零件，工具陰極無(wú)損耗。

電解加工技術(shù)經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，目前仍存在著一些不足和局限性，主要表現(xiàn)在：加工精度不夠高；腔體的加工型面和陰極的設(shè)計(jì)、制造工作量較大；電解液會(huì)腐蝕機(jī)床設(shè)備。這些不足制約了電解加工技術(shù)的推廣及應(yīng)用。

孔的加工特別是高硬度的小孔、深孔和復(fù)雜成型孔一直是傳統(tǒng)機(jī)械加工的難點(diǎn)，主要問(wèn)題是加工效率低和加工質(zhì)量難以保證?？椎碾娊饧庸な?1世紀(jì)出現(xiàn)的新技術(shù)，該技術(shù)能夠較好地解決加工質(zhì)量和加工精度等難題，同時(shí)該技術(shù)也具有較高的加工效率。對(duì)于孔的電解加工關(guān)鍵技術(shù)，國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者從脈沖電源[1-3]、陰極進(jìn)給[4-5]、陰極結(jié)構(gòu)與絕緣[5-8]、輔助陽(yáng)極[9]、陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)[10-12]、電解液泵[13-15]以及電解液[16-18]等方面開(kāi)展了相關(guān)研究，取得了一系列的成果。

1 孔電解加工的電源技術(shù)

電源是電解加工設(shè)備的核心部分，其輸出特性如頻率和波形在很大程度上直接影響電解加工的效果。電源的性能不僅直接影響陽(yáng)極的溶解過(guò)程,而且還會(huì)影響部件的加工精度和表面質(zhì)量。傳統(tǒng)的電解加工使用直流電源(DC power)進(jìn)行加工，但該方法在其電化學(xué)陽(yáng)極溶解期間集中蝕除能力較低，散蝕能力強(qiáng)并且加工間隙偏大，所以加工精度不高。為此人們提出以脈沖電源代替直流電源。

由于脈沖電流具有周期性，故電解過(guò)程也會(huì)呈周期性間斷。在間斷的這一段時(shí)間內(nèi)，可以及時(shí)排除電解產(chǎn)物，因此采用脈沖電流可增加脈沖電解的電流密度，并且可以將加工間隙控制得更小，從而提高加工精度。脈沖電解加工系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 脈沖電解加工系統(tǒng)示意圖

李兆龍等[19]采用管狀電極加工變截面小孔，其原理是通過(guò)極脈沖電解加工方法控制間隙電流來(lái)提高變截面小孔加工的成形精度，實(shí)驗(yàn)電解液壓力為3.0MPa，在鎳基合金上進(jìn)行脈沖寬度為1 000μs的脈沖電解深小孔加工實(shí)驗(yàn)，深小孔的線性去除率增加了35%，同時(shí)小孔的精度得到了提高。Shu等[20]將脈沖電解加工應(yīng)用于金屬雙極板陣列微通道，在加工過(guò)程中，將大的加工區(qū)域分割成多個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，以使流場(chǎng)更加穩(wěn)定，從而提高了加工的穩(wěn)定性和加工效率，采用該方法可在2min內(nèi)加工出466μm深的通道。Kuzmin等[21]提出使用脈沖電流作為提高電解加工精度的有效方法，研究結(jié)果表明脈沖電解孔加工可大大提高加工效率與工件的表面質(zhì)量。

2 孔電解加工的陰極技術(shù)

工具陰極的結(jié)構(gòu)、形狀及其進(jìn)給方式等都直接影響電解加工的質(zhì)量。在相同的工藝條件下,陰極設(shè)計(jì)的差異性可影響工件的形狀、尺寸精度和加工穩(wěn)定性。

2.1 工具陰極改進(jìn)技術(shù)

電解加工時(shí)，必須考慮工作介質(zhì)的多樣性和橫截面的氣泡率，以及由于不穩(wěn)定的條件而導(dǎo)致的渦流或緩慢流動(dòng)。通過(guò)改進(jìn)工具陰極,可以顯著降低上述因素對(duì)加工過(guò)程的影響。

2.1.1工具陰極循環(huán)進(jìn)給

王明環(huán)等[2]提出用循環(huán)進(jìn)給法加工小孔，工具陰極循環(huán)進(jìn)給圖如圖2所示。為了驗(yàn)證該方法的可行性，王明環(huán)等選用直徑為0.16mm的銅絲作為工具電極，外表面絕緣，陽(yáng)極選用1.00mm厚的不銹鋼板，分別采用直接進(jìn)給和周期循環(huán)進(jìn)給兩種加工方法進(jìn)行加工，試驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)循環(huán)進(jìn)給加工的小孔其側(cè)面間隙減少了0.02mm。該微孔精度顯然提高，由此說(shuō)明，此種進(jìn)給方法對(duì)提高小孔加工精度有效。

圖2 工具陰極循環(huán)進(jìn)給圖

2.1.2工具陰極振動(dòng)進(jìn)給

朱永偉等[4]開(kāi)展了振動(dòng)進(jìn)給、脈沖電流電解加工技術(shù)研究，該技術(shù)能夠提高加工精度。電解加工過(guò)程中，加工間隙與電流周期性變化,從而減小了實(shí)際等效加工間隙。用此技術(shù)加工出的零件表面均勻細(xì)致，表面光潔明亮，其粗糙度約為0.8μm。試驗(yàn)結(jié)果表明，工具陰極振動(dòng)進(jìn)給可顯著提高孔的表面質(zhì)量。

2.1.3工具陰極調(diào)速進(jìn)給

隨著近幾年數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，人們將電解加工機(jī)床與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，從而更好地控制工具陰極的進(jìn)給速度及其路徑。朱棟等[8]在研究航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片電解加工時(shí)提出了實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)陰極進(jìn)給速度的加工方法。該方法能夠有效控制加工間隙，降低加工平衡狀態(tài)過(guò)渡時(shí)間，發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的復(fù)制精度提高了0.03mm。

2.2 工具陰極液流控制技術(shù)

電解加工中，正流式陰極最為常用，因?yàn)檫@種陰極制造成本低，設(shè)計(jì)方便，工裝也較為簡(jiǎn)單。但是這種陰極存在著一個(gè)相對(duì)常見(jiàn)的問(wèn)題，當(dāng)加工深度較大時(shí),用這種陰極進(jìn)行電解加工，電解流場(chǎng)差，電解液的流場(chǎng)不規(guī)則，造成電解產(chǎn)物難以去除,導(dǎo)致加工困難或加工精度降低。在相同的電解加工參數(shù)下，通過(guò)改進(jìn)工具電極的結(jié)構(gòu)使排液流暢，從而改善電解加工的流場(chǎng)，提高零件的加工精度。

王明環(huán)等[22]研究了帶螺旋槽的微電極，在電機(jī)高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，帶螺旋槽的微電極的效果更加明顯，電解液的流動(dòng)不再只是電極橫截面的流動(dòng)，而是沿著電極軸向也存在流動(dòng)，這有利于電解產(chǎn)物的及時(shí)排出，極大地提高了電解加工的效率、精度及其穩(wěn)定性。

2.3 工具陰極絕緣技術(shù)

為了實(shí)現(xiàn)提高電解加工精度的目的，必須在電解加工期間合理地控制電場(chǎng)。目前側(cè)壁絕緣應(yīng)用最為廣泛。側(cè)壁絕緣通過(guò)絕緣層覆蓋電極側(cè)壁，以屏蔽非加工區(qū)域中的電場(chǎng)，并限制工具電極端面和工件處理區(qū)域之間的電場(chǎng)，能有效提高加工精度。

高峰等[23]提出利用電泳和微弧氧化工藝來(lái)優(yōu)化側(cè)壁絕緣的方案，微弧氧化工藝用于在鈦合金電極的表面上生成致密且絕緣的陶瓷膜，電泳工藝用于封住電極表面陶瓷膜的孔隙和裂縫，從而提高電極的側(cè)壁絕緣效果，并提高孔的電解加工精度。劉改紅[24]提出采用旋涂工藝來(lái)制造微細(xì)陣列電極的絕緣側(cè)壁。電極高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力可使電極上的絕緣側(cè)壁涂抹均勻，形成環(huán)氧樹(shù)脂薄膜，可有效約束電場(chǎng)，減小加工時(shí)小孔側(cè)壁的傾斜程度，由此提高小孔的成型精度。

3 陽(yáng)極控制技術(shù)

作為最有前景的電解陽(yáng)極材料, 金屬陽(yáng)極因其優(yōu)異的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性在鋁工業(yè)界和材料學(xué)界引起了廣泛關(guān)注。隨著近年來(lái)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，電解陽(yáng)極技術(shù)得到了改進(jìn)。

3.1 陽(yáng)極平動(dòng)

在電解加工過(guò)程中，除了有空穴產(chǎn)生外，還可能發(fā)生溝槽狀溶解。為了解決這個(gè)問(wèn)題，朱荻等[25]提出了電極平動(dòng)式電解加工。通過(guò)步進(jìn)電機(jī)輸出旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),雙偏心機(jī)構(gòu)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為平動(dòng)，陽(yáng)極的平動(dòng)有利于改善電解液分布。試驗(yàn)表明，這種方法能明顯改善流場(chǎng)流動(dòng), 提高重復(fù)精度,最大分散偏差不超過(guò)0.03mm，這對(duì)于批量生產(chǎn)具有重要意義。

3.2 陽(yáng)極低頻振動(dòng)

除陽(yáng)極平動(dòng)可提高電解過(guò)程穩(wěn)定性外，人們還提出低頻振動(dòng)這一方法，通過(guò)降低加工過(guò)程中的陽(yáng)極振動(dòng)頻率以提高穩(wěn)定性。張垚彬等[26]通過(guò)數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)，分析了低頻振動(dòng)的工藝參數(shù)對(duì)小孔徑內(nèi)壁表面加工精度的影響。通過(guò)多回路時(shí)間繼電器分別控制振動(dòng)電路與電解加工電路的通斷時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)低頻振動(dòng)加工。結(jié)果表明，此方法可及時(shí)排除電解產(chǎn)物，使孔的表面質(zhì)量更好。

4 電解液循環(huán)泵的改進(jìn)

電解液循環(huán)泵具有耐腐蝕性、耐磨性、低老化性、機(jī)械強(qiáng)度高、運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、密封性能可靠、拆卸檢修簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛用于化工、制藥工程、農(nóng)業(yè)、造紙工業(yè)、食品制造、紡織等行業(yè)。由于中低比轉(zhuǎn)速離心泵的流動(dòng)路徑長(zhǎng)而窄，因此葉輪摩擦所消耗的能量在流道中損失頗多，加工效率因此降低。

在過(guò)去的20年中, 國(guó)內(nèi)外許多科學(xué)家和技術(shù)人員做了大量研究，以解決這種泵的獨(dú)特難點(diǎn)。日本的Sun-dyne立式高速泵可用于輸送小流量的介質(zhì),但是效率只能達(dá)到20%,可見(jiàn)能量損失很大。Masso[27]提出采用誘導(dǎo)輪高速離心泵進(jìn)行實(shí)驗(yàn)可使實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到優(yōu)化，通過(guò)引入主葉輪前的誘導(dǎo)器可改善離心泵的吸入性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)：在誘導(dǎo)輪前增加孔板有利于減弱誘導(dǎo)輪前緣產(chǎn)生回旋流從而對(duì)主流產(chǎn)生影響，以此解決了小流量工作不穩(wěn)定的問(wèn)題。Cooper[28]曾在4臺(tái)高速泵機(jī)組上安裝反向流穩(wěn)定器。安裝了反向流穩(wěn)定器后，首先在葉輪外緣發(fā)生空泡，靠近輪轂中心的液體受離心力作用，壓縮外緣的空泡，使它只能靠外緣沿軸向移動(dòng)，到高壓區(qū)后潰滅，這樣大大限制了空泡的發(fā)展，從而可以提高實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性。

5 電解液的優(yōu)化技術(shù)

在電解加工中，如果電解液不合適，則不能平穩(wěn)地進(jìn)行電解加工。常用于飛機(jī)承力結(jié)構(gòu)的鈦合金具有密度小、比強(qiáng)度高、耐腐蝕性強(qiáng)等特性，但常規(guī)采用的成分單一的中性鹽溶液并不適合，鈦合金在電解加工時(shí)極易鈍化，這阻礙了陽(yáng)極溶解。楊振文等[29]提出針對(duì)鈦合金的特點(diǎn)來(lái)調(diào)制新的電解液，采用10%NaNO3和20%NaCl的混合電解液進(jìn)行加工，試驗(yàn)結(jié)果表明，電解液改進(jìn)后，側(cè)邊間隙降低了0.36mm，加工精度也得到了提高。曾永彬等[30]提出采用中性鹽溶液替代酸性溶液作為電解液，通過(guò)試驗(yàn)得出，減小管電極進(jìn)給速度，并適當(dāng)提高電解液壓力，采用較大的脈沖電壓和脈沖占空比，有利于提高鈦合金深小孔的深徑比。Weinmann[31]提出了在電解質(zhì)中增加氯離子有利于鈦合金溶解。通過(guò)線性掃描伏安法可觀察到電解質(zhì)組成和合金中鈦合金含量對(duì)溶解過(guò)程的影響，合金中較高的鈦含量會(huì)阻礙溶解過(guò)程，電解質(zhì)中氯離子的增加可促進(jìn)鈦合金的溶解，從而有利于電解加工實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行。 Utomo等[32]提出在H2SO4電解液中加入Mn2+，增加了鈦腐蝕電流，提高了加工效率。

6 結(jié)束語(yǔ)

孔的電解加工是一個(gè)復(fù)雜的電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，影響孔加工質(zhì)量和精度的因素很多，涉及加工過(guò)程中的每個(gè)組成部分及其參數(shù)的選擇。隨著數(shù)控技術(shù)、有限元技術(shù)和優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)的發(fā)展和環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，電解加工將會(huì)向數(shù)字化、自動(dòng)化、智能化、綠色化方向發(fā)展。因此，孔電解加工技術(shù)將向高效、高表面質(zhì)量和高精度方向發(fā)展。