馬玉財(cái),尹瀛月,霍金星,葛英尚,張建華
( 山東大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,高效清潔機(jī)械制造教育部重點(diǎn)試驗(yàn)室,機(jī)械工程國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心,山東濟(jì)南250061 )
GH625 合金屬于鎳基高溫合金的一種,具有高強(qiáng)度、高硬度、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)零部件和宇航結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件。 然而,采用傳統(tǒng)機(jī)加工鎳基高溫合金往往存在刀具磨損、切削硬化、產(chǎn)生殘余應(yīng)力等問(wèn)題,進(jìn)一步影響工件的表面質(zhì)量與加工效率[1]。 易振海等[2]在對(duì)高溫鎳基合金車(chē)削加工時(shí)發(fā)現(xiàn),堆積在刀具前面近切削刃處的硬楔塊易形成積屑瘤, 脫落時(shí)會(huì)引起切削刃破損。特種加工方法具有蝕除率高、加工精度高、效率高等優(yōu)勢(shì),能夠加工出一些高精度復(fù)雜型面的高溫合金試樣件。蘭起洪等[3]對(duì)SiCp/Al 進(jìn)行電火花加工,發(fā)現(xiàn)電源放電能量越大、放電頻率越高時(shí),電極損耗越嚴(yán)重。 Lin 等[4]指出,增大電火花加工中的脈沖電流,雖然可以提高材料去除速率,但同時(shí)也會(huì)增加硬質(zhì)合金加工表面上的微裂紋與電蝕凹坑,表面粗糙度上升。 Kummel 等[5]采用激光在硬質(zhì)合金車(chē)刀前刀面加工出微凹坑織構(gòu)陣列,并使用織構(gòu)化刀具對(duì)1045 鋼進(jìn)行干式車(chē)削試驗(yàn),研究表明,低切削速度下,織構(gòu)化刀具表面切屑堆積嚴(yán)重,微織構(gòu)表面快速磨損。 劉亮[6]采用電解磨削方法加工碳化鎢硬質(zhì)合金,有效改善工件與工具間的接觸壓力,提高了加工表面質(zhì)量。付書(shū)星[7]在電解銑磨加工GH4169 合金仿真與試驗(yàn)研究中指出,在電解銑磨和機(jī)械磨削共同作用下, 可實(shí)現(xiàn)對(duì)工件材料的大余量去除,但在加工過(guò)程中由于雜散腐蝕嚴(yán)重而產(chǎn)生較大的尺寸精度偏差。 綜上所述,以上特種加工方式雖然解決了加工過(guò)程中刀具磨損與效率問(wèn)題,但對(duì)于達(dá)到預(yù)期的高表面質(zhì)量零件還有一定差距。
超聲輔助電解加工是將超聲振動(dòng)與電解磨削加工結(jié)合起來(lái), 運(yùn)用超聲振動(dòng)產(chǎn)生的空化效應(yīng)、強(qiáng)化傳質(zhì)效應(yīng)輔助陽(yáng)極溶解的原理實(shí)現(xiàn)對(duì)零件的高效加工,形成致密的鈍化膜,顯著降低加工過(guò)程中的雜散腐蝕現(xiàn)象,在零件細(xì)微精整加工方面取得了大量成果。 Singh 等[8]提出了應(yīng)用于錐齒輪加工的超聲振動(dòng)輔助電解珩磨加工技術(shù),對(duì)錐齒輪的平均和最大表面粗糙度值分別可優(yōu)化91.04%和71.98%。翟文杰等[9-11]運(yùn)用超聲振動(dòng)輔助電化學(xué)拋光對(duì)碳化硅材料進(jìn)行試驗(yàn)研究和仿真分析,發(fā)現(xiàn)使用半固定磨粒拋光盤(pán)時(shí)表面加工質(zhì)量最好,但材料去除率較低。 孔黃海[12]運(yùn)用超聲輔助電解磨削加工OCr16Ni9不銹鋼工件微孔,以加工精度、表面質(zhì)量和加工效率為試驗(yàn)指標(biāo),利用單因素法研究了電參數(shù)、電極轉(zhuǎn)速、 進(jìn)給速度等加工參數(shù)對(duì)于表面粗糙度的影響,最終獲得表面粗糙度為Ra0.31 μm 的微孔。 尹瀛月等[14]研究了成膜電位對(duì)GH3536 在NaNO3溶液中性能的影響,發(fā)現(xiàn)最大阻抗模值隨鈍化電位的增大而減小,這為后期的超聲輔助加工微小孔去除鎳基類合金鈍化膜過(guò)程奠定了理論基礎(chǔ)。
本文首先采用單因素變量法, 研究脈沖電壓、進(jìn)給速度、占空比對(duì)GH625 材料管電極打孔質(zhì)量的影響,然后采用正交試驗(yàn)方法研究脈沖電壓、電解液濃度、進(jìn)給速度、陰極轉(zhuǎn)速對(duì)超聲輔助電解磨削擴(kuò)孔的影響,通過(guò)極差分析和方差分析方法獲取優(yōu)化工藝參數(shù),得到了更佳的表面質(zhì)量和微孔錐度。
圖1 是試驗(yàn)采用的超聲輔助電解磨削擴(kuò)孔加工平臺(tái),加工過(guò)程中工具陰極接電源負(fù)極、加工工件接電源正極,液壓泵供給具有一定壓力的電解液從工具陰極流到加工工件, 從而構(gòu)成一個(gè)回路,實(shí)現(xiàn)電解加工,而工控機(jī)通過(guò)可編程變頻器對(duì)超聲系統(tǒng)的頻率進(jìn)行更改,從而滿足在可變超聲頻率下的加工。 同時(shí),工控機(jī)通過(guò)對(duì)超聲波發(fā)生器的控制,將220 V 的交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榕c換能器相匹配的高頻電信號(hào),并通過(guò)運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床三軸的高精度運(yùn)動(dòng)控制; 換能器將高頻電信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械振動(dòng),進(jìn)而通過(guò)變幅桿將振幅擴(kuò)大為沿軸向的機(jī)械振動(dòng);霍爾電流傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工電壓與極間電流。
圖1 超聲輔助電解磨削加工平臺(tái)
1.2.1 總體方案
此試驗(yàn)分為管電極預(yù)孔試驗(yàn)階段與超聲輔助電解磨削擴(kuò)孔試驗(yàn)階段。 其中,預(yù)孔階段為超聲輔助電解磨削正交試驗(yàn)確定初步優(yōu)選試驗(yàn)參數(shù),而擴(kuò)孔試驗(yàn)確定最優(yōu)擴(kuò)孔試驗(yàn)參數(shù)。 最終擴(kuò)孔的質(zhì)量取決于預(yù)孔質(zhì)量的高低,由小孔內(nèi)表面粗糙度和平均錐度評(píng)價(jià)。 微孔的表面粗糙度用Veeco NT9300 型光學(xué)輪廓儀來(lái)檢測(cè),微孔的進(jìn)出口直徑用三維工具顯微鏡來(lái)檢測(cè),并通過(guò)下式計(jì)算平均錐度:
式中:θ 為微孔內(nèi)壁的平均錐度,°;T 為微孔高度,μm;D2為微孔較大直徑,μm;D1為微孔較小直徑,μm。
1.2.2 預(yù)孔試驗(yàn)
管電極打孔是利用直徑0.8 mm 的絕緣304 鋼管,脈沖電源陰極接管電極、陽(yáng)極接工件,在脈沖電源、超聲振動(dòng)、電解液的協(xié)同作用下進(jìn)行管電極打孔。 表1 是管電極打孔工藝參數(shù),固定其他參數(shù)值不變,以單因素變量的形式,初步探究以脈沖電壓、進(jìn)給速度、 占空比為主要因素的管電極預(yù)孔試驗(yàn),試驗(yàn)其他變量時(shí),脈沖電壓、進(jìn)給速度、占空比分別為 15 V、0.5 mm/min、0.5。
表1 管電極打孔工藝參數(shù)
1.2.3 擴(kuò)孔試驗(yàn)
基于前期實(shí)驗(yàn)室的試驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)文獻(xiàn)資料,超聲輔助電解磨削擴(kuò)孔試驗(yàn)研究選取脈沖電壓、電解液濃度、陰極轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度為影響因素,每個(gè)因素各有四個(gè)水平,以此設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)。 由于四因素四水平正交表不存在, 研究時(shí)增加了一空白因素X以構(gòu)成五因素四水平正交試驗(yàn),即 L16(45)。 設(shè)計(jì)的試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表2。
表2 正交試驗(yàn)因素水平表
2.1.1 脈沖電壓對(duì)管電極成形預(yù)孔的影響
脈沖電壓的高低決定了電流密度的大小,進(jìn)一步影響電解作用強(qiáng)弱與加工效率高低,對(duì)管電極打預(yù)孔有很大影響。 固定其他參數(shù)不變, 分別在14、15、16、17、18 V 的脈沖電壓下進(jìn)行打孔試驗(yàn), 得到的加工實(shí)物見(jiàn)圖2、平均錐度影響見(jiàn)圖3。
由圖2、圖3 可看出,微孔直徑隨著電壓增加呈現(xiàn)先降后升的趨勢(shì),其錐度隨著電壓的增加持續(xù)增大。 電壓過(guò)高時(shí),電流密度增強(qiáng)、電解作用提高,表面雜散腐蝕作用增強(qiáng),進(jìn)而使表面質(zhì)量降低,由于陽(yáng)極工件入口處電解作用時(shí)間較長(zhǎng),使入口尺寸大于出口尺寸,從而產(chǎn)生較大的錐度;當(dāng)電壓過(guò)低時(shí),電流密度降低、電解作用減弱,單位時(shí)間內(nèi)電解作用形成的鈍化膜相對(duì)較薄,導(dǎo)致電阻變小而電流瞬時(shí)變大,因而導(dǎo)致短路。 在電壓值為14 V 時(shí)錐度最小,此時(shí)進(jìn)行管電極打孔由于電壓較低,產(chǎn)生較小的單位面積電流不足以在此進(jìn)給速度下迅速溶解陽(yáng)極工件,故會(huì)發(fā)生工具陰極和工件陽(yáng)極接觸而導(dǎo)致短路的情況,由于多次重復(fù)機(jī)械進(jìn)給,導(dǎo)致加工直徑變大, 因此,14 V 電壓不是理想的管電極打孔脈沖電壓。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),電壓為15 V 時(shí)能夠形成均勻的電場(chǎng),形成的微孔上下表面直徑都較小,且平均錐度小,形成的微孔表面質(zhì)量相對(duì)較好。
圖2 不同電壓條件下管電極加工的預(yù)孔
圖3 脈沖電壓對(duì)預(yù)孔平均錐度的影響
2.1.2 進(jìn)給速度對(duì)管電極成形預(yù)孔的影響
進(jìn)給速度對(duì)管電極打預(yù)孔有明顯的影響,進(jìn)給速度過(guò)快或過(guò)慢都會(huì)影響孔的精度和質(zhì)量。 固定其他參數(shù)不變,分別在 0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 mm/min 的進(jìn)給速度下進(jìn)行打孔試驗(yàn),得到的加工實(shí)物見(jiàn)圖4,平均錐度影響見(jiàn)圖5。
圖4 不同的進(jìn)給速度下管電極加工的預(yù)孔
圖5 進(jìn)給速度對(duì)預(yù)孔平均錐度的影響
由圖4、圖5 可知,進(jìn)給速度在0.4~0.7 mm/min時(shí), 微孔孔徑與平均錐度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì), 且在進(jìn)給速度為0.5 mm/min 時(shí)微孔孔徑最小、圓度最好。 當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)低時(shí),電解作用提高、電解時(shí)間增加,此時(shí)小孔入口處經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間電解,入口尺寸大于出口尺寸,形成更大的錐度,且長(zhǎng)時(shí)間的電解作用使小孔表面雜散腐蝕更加嚴(yán)重,孔的表面質(zhì)量降低;當(dāng)進(jìn)給速度過(guò)高時(shí),電解作用相對(duì)減弱,管電極會(huì)與工件接觸而導(dǎo)致短路,造成工件和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的損壞。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),進(jìn)給速度為0.5 mm/min 時(shí)形成的微孔上下表面直徑相近, 能形成良好的錐度,是較為理想的加工進(jìn)給速度。
2.1.3 占空比對(duì)管電極成形預(yù)孔的影響
固定其他參數(shù)不變,分別在 0.3、0.5、0.7、0.9 的占空比下進(jìn)行打孔試驗(yàn),得到平均錐度影響見(jiàn)圖6??梢?jiàn),隨著占空比的增加,孔的錐度呈現(xiàn)先下降后增大的趨勢(shì)。 當(dāng)占空比過(guò)小時(shí),在一個(gè)周期內(nèi)電解時(shí)間降低、電解作用減弱,導(dǎo)致形成的鈍化膜不夠致密,促進(jìn)了短路現(xiàn)象的產(chǎn)生,進(jìn)一步導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)燒蝕和空隙現(xiàn)象,且孔的出入口直徑差異明顯,形成較大錐度;當(dāng)占空比過(guò)大時(shí),在一個(gè)周期內(nèi)用于電解時(shí)間增加、電解作用增強(qiáng),致使雜散腐蝕較為嚴(yán)重, 影響微孔的表面質(zhì)量且產(chǎn)生較大的錐度。 試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在占空比為0.5 時(shí)錐度達(dá)到最小值,是較為理想的參數(shù)條件。
圖6 占空比對(duì)預(yù)孔平均錐度的影響
綜合上述規(guī)律分析可知,加工參數(shù)過(guò)大或過(guò)小都會(huì)影響所加工的微小孔錐度與表面質(zhì)量,在保證加工精度的前提下, 最終確定脈沖電壓為15 V,進(jìn)給速度為0.5 mm/min,占空比為0.5。
2.2.1 正交試驗(yàn)
在超聲輔助電解磨削過(guò)程中,多種因素影響加工孔的表面質(zhì)量與錐度,全面試驗(yàn)勢(shì)必增加不必要的工作量,采用正交試驗(yàn)可有效縮短試驗(yàn)周期[13]。超聲輔助電解磨削加工以脈沖電壓、 電解液濃度、陰極轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度為主要影響因素,以錐度和表面粗糙度開(kāi)展正交試驗(yàn),從而確定出一組最優(yōu)的加工參數(shù),為實(shí)際加工應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 表3 是正交試驗(yàn)所得的結(jié)果,然后分別針對(duì)錐度與表面粗糙度進(jìn)行極差分析。
2.2.2 錐度極差分析
采用極差分析方法能夠反映因素水平變化引起的試驗(yàn)結(jié)果間的差異,極差R 的大小反映了各加工因素變化時(shí)指標(biāo)變化幅度,極差越大,說(shuō)明該因素的影響越顯著。 表4 和圖7 是按照極差分析法,所得正交試驗(yàn)小孔錐度的極差及各水平主效應(yīng)圖。
由表4 和圖7 可看出,各因素對(duì)微孔錐度的影響程度為:脈沖電壓(A)>陰極轉(zhuǎn)速(C)>電解液濃度(B)>進(jìn)給速度(D)。其中,脈沖電壓對(duì)加工過(guò)程中孔的錐度影響最大,其次是陰極轉(zhuǎn)速,這是因?yàn)樵诔曒o助電解磨削加工過(guò)程中,電解作用居于主導(dǎo)地位,脈沖電壓的高低決定了電流密度大小,越高的電流密度,引起越多的金屬蝕除量。 在加工過(guò)程為了得到更好的加工錐度,對(duì)于脈沖電壓,應(yīng)選取表4的 A4,其余各水平依次為 B4、C2、D4。 通過(guò)正交試驗(yàn)確定, 各因素對(duì)孔的錐度影響最終的最優(yōu)組合是A4C2B4D4。
表3 正交試驗(yàn)方案及結(jié)果
表4 正交試驗(yàn)小孔錐度極差分析
圖7 小孔錐度各水平主效應(yīng)圖
2.2.3 表面粗糙度極差分析
表5 和圖8 是采用極差分析法所得正交試驗(yàn)小孔表面粗糙度的極差及各水平主效應(yīng)圖,可知對(duì)小孔的表面粗糙度影響程度為:脈沖電壓(A)>進(jìn)給速度(D)>陰極轉(zhuǎn)速(C)>電解液濃度(B)。 其中,脈沖電壓對(duì)小孔的表面質(zhì)量影響最大,這是由于在超聲輔助擴(kuò)孔磨削過(guò)程中, 電解作用居主導(dǎo)地位,電壓大小直接影響蝕除量多少,過(guò)大的電壓導(dǎo)致小孔內(nèi)表面發(fā)生強(qiáng)烈的雜散腐蝕,過(guò)小的電壓導(dǎo)致金屬的去除量主要依靠磨頭的機(jī)械磨削作用,引起孔內(nèi)表面出現(xiàn)刮痕;進(jìn)給速度的快慢對(duì)小孔內(nèi)表面粗糙度影響也較大,過(guò)快的進(jìn)給速度使工件還未完全形成鈍化膜就已使磨頭接觸工件而導(dǎo)致短路,較低的進(jìn)給速度導(dǎo)致電解作用完全形成鈍化膜時(shí)還未及時(shí)刮除小孔內(nèi)表面材料,從而導(dǎo)致二次雜散腐蝕影響表面質(zhì)量。 為了得到更好的表面質(zhì)量,對(duì)于脈沖電壓和進(jìn)給速度,應(yīng)選取表 5 的A2和D3,其余各水平依次為C2、B3。 通過(guò)正交試驗(yàn)確定,各因素對(duì)孔的錐度影響最終的最優(yōu)組合是A2D3C2B3。
表5 正交試驗(yàn)小孔內(nèi)表面粗糙度極差分析
圖8 小孔內(nèi)表面粗糙度各水平主效應(yīng)圖
2.2.4 方差分析驗(yàn)證
表6 和表7 分別是超聲輔助電解磨削加工錐度和內(nèi)表面粗糙度的方差分析及主體間效應(yīng)校對(duì)??梢?jiàn),對(duì)于表面粗糙度的影響,各因素影響程度為:脈沖電壓(A)>進(jìn)給速度(D)>陰極轉(zhuǎn)速(C)>電解液濃度(B),影響最大的水平組合是A2B4C2D3,與極差分析基本一致;而對(duì)于平均錐度的影響,各因素影響程度為:脈沖電壓(A)>陰極轉(zhuǎn)速(C)>電解液濃度(B)>進(jìn)給速度(D),影響最大的水平組合是 A4C2B4D4,與極差分析完全一致。
表6 正交試驗(yàn)孔錐度與內(nèi)表面粗糙度方差分析
表7 主體間效應(yīng)檢驗(yàn)
2.2.5 工藝組合優(yōu)化
初選最優(yōu)工藝條件,根據(jù)各指標(biāo)下的平均數(shù)據(jù)和 k1、k2、k3、k4,初步確定各因素的最優(yōu)水平組合為:小孔錐度(A4B4C2D4)、內(nèi)表面粗糙度(A2B3C2D3),由于對(duì)小孔進(jìn)行單獨(dú)的兩個(gè)指標(biāo)極差分析結(jié)果并不一致,所以必須綜合考慮,確定最優(yōu)條件。
根據(jù)各因素主次順序表,初步確定因素脈沖電壓A 的主次順序。因素A 對(duì)于小孔錐度和小孔內(nèi)表面質(zhì)量都是主要影響因素, 但是所屬水平不一致,需要進(jìn)一步分析。 由極差分析表可知, 當(dāng)取A2時(shí),小孔錐度比取A4時(shí)降低3.57%、表面粗糙度值增加98.94%;當(dāng)取A4時(shí),小孔內(nèi)表面粗糙度值比取A2時(shí)降低49.61%,錐度增加3.70%。 綜合比選,應(yīng)選A4作為脈沖電壓。
因素電解液濃度B 對(duì)小孔內(nèi)表面質(zhì)量的影響排在最后,對(duì)小孔錐度的影響排在第3 位,處于次要位置,僅以小孔錐度這一指標(biāo)來(lái)考慮,故選B4作為電解液濃度;因素陰極轉(zhuǎn)速C 對(duì)小孔內(nèi)表面質(zhì)量的影響排在第3 位, 對(duì)小孔錐度的影響排在第2位,但兩者具有相同的水平,因此直接選擇C2作為陰極轉(zhuǎn)速;因素進(jìn)給速度D 對(duì)小孔錐度的影響排在最后,對(duì)小孔內(nèi)表面質(zhì)量的影響排在第2 位,屬次要因素, 僅以小孔內(nèi)表面質(zhì)量這一指標(biāo)來(lái)考慮,故選D3作為進(jìn)給速度。
所以,優(yōu)選的工藝條件為A4B4C2D3,此時(shí)的脈沖電壓為7 V, 電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%, 陰極轉(zhuǎn)速為12 000 r/min,進(jìn)給速度為0.7 mm/min。
2.2.6 對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證
通過(guò)上述得到的最優(yōu)參數(shù),進(jìn)行電解磨削精整加工微小孔與有無(wú)超聲振動(dòng)的電解磨削試驗(yàn)對(duì)比,計(jì)算兩種情況的錐度與表面粗糙度,得到的結(jié)果見(jiàn)圖9。
圖9 微孔電鏡掃描
采用有無(wú)超聲兩種情況下對(duì)小孔進(jìn)行電解磨削并測(cè)量,計(jì)算有超聲的電解磨削下錐度和內(nèi)表面粗糙度僅為0.036°和Ra0.499 μm,遠(yuǎn)小于無(wú)超聲的情況,這是由于超聲振動(dòng)主要是通過(guò)空化作用和液相傳質(zhì)效應(yīng),使加工過(guò)程中流場(chǎng)更加穩(wěn)定,極間間隙電解產(chǎn)物及氣泡能夠及時(shí)排出;而無(wú)超聲的電解磨削在入口表面電解作用增強(qiáng),電解產(chǎn)物不能及時(shí)排出,新的電解液難以及時(shí)進(jìn)入,從而使得電解作用增強(qiáng),產(chǎn)生二次電解導(dǎo)致嚴(yán)重的雜散腐蝕,影響工件的表面質(zhì)量與平均錐度。
通過(guò)管電極打孔、超聲輔助電解磨削擴(kuò)孔兩步實(shí)現(xiàn)對(duì)GH625 材料的加工,得到以下結(jié)論:
(1)利用單因素方法對(duì)GH625 材料進(jìn)行管電極打孔,分別研究脈沖電壓、進(jìn)給速度、占空比對(duì)管電極打孔的影響規(guī)律,發(fā)現(xiàn)隨著進(jìn)給速度和占空比的增大,平均錐度均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。 當(dāng)脈沖電壓為15 V、進(jìn)給速度為0.5 mm/min、占空比為0.5 時(shí),可獲得最小平均錐度0.043°的微小孔。
(2)利用正交試驗(yàn)方法研究對(duì)超聲輔助電解磨削擴(kuò)孔的影響,通過(guò)極差與方差分析,脈沖電壓對(duì)擴(kuò)孔的表面質(zhì)量和平均錐度影響最大。 優(yōu)選加工參數(shù)為脈沖電壓7 V、電解液質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14%、陰極轉(zhuǎn)速為12 000 r/min、進(jìn)給速度為0.7 mm/min 時(shí),此時(shí)對(duì)應(yīng)最小平均錐度為0.036°、 最佳表面粗糙度為Ra0.499 μm。