摘要：

為研究振動(dòng)進(jìn)給對(duì)表面小微結(jié)構(gòu)電解加工流場(chǎng)的影響，以薄片表面小微結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，建立了電解加工多場(chǎng)耦合仿真模型，對(duì)持續(xù)進(jìn)給和振動(dòng)進(jìn)給條件下微結(jié)構(gòu)電解加工過程進(jìn)行仿真，并開展工藝試驗(yàn)，研究了振動(dòng)進(jìn)給對(duì)流場(chǎng)的影響規(guī)律。結(jié)果表明，耦合間斷放電的振動(dòng)進(jìn)給可保證電源開通前電解液更新為電導(dǎo)率分布均勻的初始狀態(tài)；隨著加工深度的增加，振動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)減弱，而沿程氣泡分布趨于均勻；對(duì)于加工深度在0～0.5 mm的表面微結(jié)構(gòu)，振幅為0.3 mm、頻率為40 Hz的振動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)條件改善效果較好，有利于提高薄片表面小微結(jié)構(gòu)電解加工過程穩(wěn)定性、表面質(zhì)量以及尺寸一致性。

關(guān)鍵詞：小微結(jié)構(gòu)；精密電解加工；振動(dòng)進(jìn)給；流場(chǎng)

中圖分類號(hào)：TG662

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.008

Influences of Vibration Feed on Electrochemical Machining Flow Fields of Surface Microstructures

WANG Chen1，2 ZHAO Jianshe1，2 QIANG Zhiming1，2 ZHANG Changhao2 LIU Shihao1，2

1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

2.JITRI Institute of Presicion Manufacturing，Nanjing，210016

Abstract： In order to study the effects of vibration feed on the flow fields of electrochemical machining， taking the microstructure on the surfaces of the sheets as the research object， the multi-field coupled simulation models of electrochemical machining were established to simulate the electrochemical machining processes of microstructures under the conditions of continuous feed and vibration feed， and the processing tests were carried out to study the influences of vibration feed on the flow fields. The results show that vibration feed coupled with intermittent discharge may ensure that the electrolyte is updated to an initial state with uniform conductivity distribution before the power is turned on. As the increase of the machining depths， the disturbances of the vibration motions to the flow field are weakened， and the bubble distribution along the process tends to be uniform. For the surface microstructure with a processing depth of 0～0.5 mm， the vibration feed motion with an amplitude of 0.3 mm and a frequency of 40 Hz has a better effect on improving the flow field conditions， which is conducive to improve the stability， surface quality and dimensional consistency of the electrochemical machining processes of the small microstructure on the surfaces of the sheets.

Key words： microstructure； precision electrochemical machining； vibratory feed； flow field

收稿日期：2022-06-22

0 引言

小尺寸凸起、窄槽、凹坑等微結(jié)構(gòu)常見于航空航天、化工設(shè)備和生物醫(yī)療等領(lǐng)域的精密零部件上，其加工精度對(duì)零部件的使用性能有重要影響［1-3］。與微細(xì)銑削加工、電火花加工、激光加工等方法相比，電解加工技術(shù)具有加工范圍廣、效率高、加工表面質(zhì)量好、工具陰極無損耗、不存在宏觀切削力等優(yōu)點(diǎn)［4］，是表面微結(jié)構(gòu)的理想加工方法。

電解加工過程中流場(chǎng)對(duì)加工穩(wěn)定性和加工精度有重要影響，而影響流場(chǎng)的因素眾多，許多學(xué)者針對(duì)流場(chǎng)開展了大量研究。合理的流道結(jié)構(gòu)和進(jìn)出口壓力參數(shù)是獲得良好流場(chǎng)的基礎(chǔ)，趙建社等［5］以微尺度弧形群縫為對(duì)象，優(yōu)選了其電解加工流道結(jié)構(gòu)及壓力參數(shù)，消除了流道內(nèi)可能存在的流場(chǎng)缺陷。由于壓力損耗，間隙內(nèi)電解液流速和壓力隨著流程的增加而降低，堯佳路等［6］以變截面小微結(jié)構(gòu)為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)較短流程可以避免電解液動(dòng)能損失過多，使間隙內(nèi)獲得均勻高速的電解液流場(chǎng)。對(duì)流場(chǎng)施加強(qiáng)制擾動(dòng)可以改變間隙內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)，HEWIDY等［7］通過工具陰極的低頻振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)施加強(qiáng)制擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)間隙內(nèi)電解液壓力在振動(dòng)周期內(nèi)呈正弦規(guī)律變化，且壓力值隨著振幅的增加而增大。對(duì)流場(chǎng)施加振動(dòng)擾動(dòng)耦合間斷放電可以減少間隙內(nèi)產(chǎn)物積累，提高產(chǎn)物排出效率，朱荻等［8］以簡(jiǎn)單平滑曲面為研究對(duì)象，對(duì)流場(chǎng)施加振動(dòng)擾動(dòng)并耦合間斷放電，采用多場(chǎng)耦合仿真方法研究產(chǎn)物運(yùn)輸規(guī)律，發(fā)現(xiàn)振動(dòng)耦合間斷放電可以使加工間隙內(nèi)氣泡率和沿程溫升較直流加工大幅降低?，F(xiàn)有研究表明選擇合理的流道結(jié)構(gòu)、設(shè)計(jì)較短的流程、采用振動(dòng)進(jìn)給對(duì)流場(chǎng)的改善作用明顯，但表面微結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜且電解加工過程中加工間隙小，間隙內(nèi)流場(chǎng)復(fù)雜，振動(dòng)進(jìn)給對(duì)其流場(chǎng)影響規(guī)律的研究有待深入。

本文以薄片局部減薄并加工出窄槽的微結(jié)構(gòu)零件為研究對(duì)象，研究振動(dòng)進(jìn)給對(duì)微結(jié)構(gòu)零件電解加工流場(chǎng)的影響規(guī)律。

1 精密電解加工原理

包含陣列微結(jié)構(gòu)的薄片零件示意圖見圖1，需要在薄片上局部減薄并同時(shí)加工窄槽的形狀特征，窄槽呈圓周陣列排布，單個(gè)區(qū)域微結(jié)構(gòu)由兩道前后分布的貫穿窄槽和局部減薄產(chǎn)生的小平面構(gòu)成。

圖2是包含陣列微結(jié)構(gòu)的薄片零件電解加工示意圖，采用成形陰極進(jìn)行拷貝式精密電解加工。加工時(shí)工具陰極穿過絕緣腔體預(yù)留的通道向工件陽極表面進(jìn)給，工件在極間電場(chǎng)作用下發(fā)生電化學(xué)陽極溶解，實(shí)現(xiàn)薄片表面陣列微結(jié)構(gòu)的電解加工，同時(shí)高速流動(dòng)的電解液帶走電解產(chǎn)物和熱量。

在電解加工過程中，各陣列微結(jié)構(gòu)區(qū)域獨(dú)立供液，陰極凸起對(duì)電解液流動(dòng)有阻擋作用，使得電解產(chǎn)物易于凸起拐角處積聚，影響電導(dǎo)率分布，進(jìn)而影響加工穩(wěn)定性和加工精度。進(jìn)給方式直接影響間隙內(nèi)產(chǎn)物排出，采用振動(dòng)進(jìn)給是改善產(chǎn)物排出的有效方法。

2 多物理場(chǎng)耦合仿真模型建立

2.1 加工間隙模型

電解加工過程影響因素多，綜合考慮因素間的相互影響作用，建立多物理場(chǎng)耦合仿真模型。如圖3a所示，在薄片表面微結(jié)構(gòu)電解加工中采用側(cè)流式供液，加工區(qū)域流場(chǎng)在寬度方向上各截面情況近似，因此可提取截面流道進(jìn)行仿真分析，圖3b所示為初始間隙為0.06 mm的截面流道。

2.5 多物理場(chǎng)耦合

影響電解加工的因素間存在相互影響，多因素影響的相互關(guān)系如圖5所示?；诙嘁蛩叵嗷プ饔茫肅OMSOL仿真平臺(tái)對(duì)薄片表面微結(jié)構(gòu)電解加工過程進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合仿真，研究振動(dòng)進(jìn)給對(duì)其流場(chǎng)的影響規(guī)律。

3 耦合仿真及結(jié)果分析

為研究振動(dòng)進(jìn)給對(duì)流場(chǎng)的影響作用，采用表1所示參數(shù)進(jìn)行對(duì)比仿真，電解液選用15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaNO3溶液，其初始電導(dǎo)率為8.9 S/m，工件陽極材料為17-7PH不銹鋼。由于加工間隙對(duì)流場(chǎng)有重要影響，故通過控制持續(xù)進(jìn)給和振動(dòng)進(jìn)給條件下進(jìn)給速度分別為1 mm/min、0.3 mm/min來保證平衡間隙均為0.1 mm。

3.1 振動(dòng)進(jìn)給對(duì)氣泡排出的影響

對(duì)持續(xù)進(jìn)給和振幅為0.25 mm、頻率為30 Hz的振動(dòng)進(jìn)給進(jìn)行仿真，在加工深度為0.14 mm時(shí)采樣間隙內(nèi)電解液流速，結(jié)果如圖6所示。持續(xù)進(jìn)給和振動(dòng)進(jìn)給條件下間隙內(nèi)電解液流速最大值和分布差異性較小，但振動(dòng)進(jìn)給可以使流速產(chǎn)生周期性變化。

在相同條件下采樣工件表面氣泡率，結(jié)果如圖7所示。持續(xù)進(jìn)給條件下，氣泡率沿程升高，均值達(dá)0.23；振動(dòng)進(jìn)給條件下，振動(dòng)周期內(nèi)間隙內(nèi)氣泡含量波動(dòng)變化。在電源開啟時(shí)段（Tα，Tβ）內(nèi)，間隙內(nèi)氣泡含量持續(xù)升高并在Tβ時(shí)刻達(dá)最高，在電源關(guān)斷時(shí)段（0，Tα）和（Tβ，T）內(nèi)，間隙內(nèi)不產(chǎn)生新氣泡且陰極振動(dòng)的擾動(dòng)壓排作用會(huì)使氣泡排出，在Tα?xí)r刻氣泡幾乎排盡。仿真結(jié)果顯示，由于電解液流程較短且更新及時(shí)，振動(dòng)進(jìn)給條件下沿程溫升在1 ℃以下，結(jié)合式（9）可知，氣泡率對(duì)電導(dǎo)率的影響作用占主導(dǎo)，因此電源開通Tα?xí)r刻間隙內(nèi)電導(dǎo)率均值較高且沿流程分布均勻。

振動(dòng)進(jìn)給可實(shí)現(xiàn)小間隙加工、大間隙沖刷，保證每個(gè)電源開通時(shí)刻間隙內(nèi)電解液更新為電導(dǎo)率分布均勻的初始潔凈狀態(tài)，有利于提高微結(jié)構(gòu)的加工精度及加工穩(wěn)定性。

3.2 加工深度對(duì)振動(dòng)擾動(dòng)效果的影響

間隙內(nèi)流道隨陰極進(jìn)給和陽極腐蝕發(fā)生變化，導(dǎo)致不同加工深度的流場(chǎng)發(fā)生改變。對(duì)振幅為0.25 mm、頻率為30 Hz的振動(dòng)進(jìn)給進(jìn)行仿真，在不同加工深度h采樣振動(dòng)低位間隙內(nèi)氣泡率，結(jié)果如圖8所示。隨著加工深度h的增加，流程前端間隙逐漸減小，氣泡排出愈發(fā)困難，氣泡率逐漸提高。圖9所示為不同加工深度氣泡率均值及標(biāo)準(zhǔn)差，隨著加工深度h的增加，流道內(nèi)個(gè)各處間隙減小并趨于一致，使間隙內(nèi)氣泡含量增加且分布趨于均勻，從而間隙內(nèi)氣泡率均值增大、標(biāo)準(zhǔn)差減小，在加工深度達(dá)到0.14 mm時(shí)氣泡率均值最大，但此時(shí)標(biāo)準(zhǔn)差最小。

隨著加工深度的增加，間隙內(nèi)沿程電流密度分布也發(fā)生改變。不同加工深度沿程電流密度分布仿真結(jié)果如圖10所示，隨著加工深度的增加，沿程電流密度分布趨于均勻。

在表面微結(jié)構(gòu)電解加工中，間隙內(nèi)氣泡率均值隨加工深度的增加而增大，這意味著振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)效果隨加工深度的增加而減弱；但隨著各處間隙趨于一致，間隙內(nèi)氣泡分布趨于平均，由于沿程溫升小，根據(jù)式（9），電導(dǎo)率分布趨于平均，從而沿程電流密度分布趨于平均，這反而有利于提高沿流程方向的尺寸一致性。

3.3 振動(dòng)參數(shù)對(duì)流場(chǎng)影響

不同振動(dòng)參數(shù)的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)有不同擾動(dòng)效果，采用表1參數(shù)通過單因素仿真分析方法研究振幅和頻率對(duì)流場(chǎng)的影響。根據(jù)式（3），電導(dǎo)率直接影響陽極溶解速度，因此以間隙內(nèi)電導(dǎo)率均值和標(biāo)準(zhǔn)差評(píng)價(jià)電解液條件，從而反映不同參數(shù)下振動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的影響作用。振動(dòng)低位T/2時(shí)刻加工間隙最小，此時(shí)可實(shí)現(xiàn)高電流密度加工，是陽極溶解成形重要時(shí)刻，因此在T/2時(shí)刻采樣間隙內(nèi)電導(dǎo)率進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。

3.3.1 振幅對(duì)流場(chǎng)影響

設(shè)定頻率為40 Hz，振幅分別為0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm，仿真結(jié)果如圖11所示。振幅為0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm時(shí)，電導(dǎo)率均值分別為7.50 S/m、7.51 S/m、7.53 S/m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.819 S/m、0.809 S/m、0.799 S/m，振幅由0.2 mm增大到0.3 mm，間隙內(nèi)電導(dǎo)率均值增大、波動(dòng)減小。

對(duì)式（2）求關(guān)于時(shí)間t二階導(dǎo)數(shù)得到陰極瞬時(shí)加速度a的表達(dá)式：

a=-2Aπ2f2cos（2πft）（14）

在頻率不變條件下，不同振幅的瞬時(shí)加速度如圖12所示。在任意時(shí)刻，振幅為0.3 mm的陰極瞬時(shí)加速度值均大于等于振幅為0.2 mm和0.25 mm的瞬時(shí)加速度值，因此振幅為0.3 mm的振動(dòng)運(yùn)動(dòng)可以對(duì)間隙內(nèi)流場(chǎng)產(chǎn)生更大的擠壓和抽吸作用力，使流場(chǎng)獲得更好的產(chǎn)物排出能力。

3.3.2 頻率對(duì)流場(chǎng)影響

設(shè)定振幅為0.3 mm，頻率分別為30 Hz、35 Hz、40 Hz，仿真結(jié)果如圖13所示。在頻率分別為30 Hz、35 Hz、40 Hz時(shí)，電導(dǎo)率均值分別為7.48 S/m、7.50 S/m、7.53 S/m，標(biāo)準(zhǔn)差分別為0.826 S/m、0.813 S/m、0.799 S/m，頻率由30 Hz增大到40 Hz時(shí)，間隙內(nèi)電導(dǎo)率均值增大、波動(dòng)減小。

在振幅不變條件下，不同頻率的瞬時(shí)加速度如圖14所示。在相同時(shí)間內(nèi)，頻率為40 Hz可使流場(chǎng)獲得較頻率為30 Hz以及35 Hz更多次數(shù)以及更強(qiáng)烈的振動(dòng)擾動(dòng)，因此頻率為40 Hz可使流場(chǎng)獲得更高的產(chǎn)物排出效率和更好的排出能力。

根據(jù)式（14），陰極瞬時(shí)加速度對(duì)頻率的敏感度要高于振幅，因此相比于優(yōu)選振幅，優(yōu)選頻率可以更好地改善振動(dòng)的擾動(dòng)效果。仿真結(jié)果顯示，振幅增大50%，間隙內(nèi)電導(dǎo)率均值增大0.4%、標(biāo)準(zhǔn)差減小2.4%；而頻率增大33.3%時(shí)，間隙內(nèi)電導(dǎo)率均值增大0.7%、標(biāo)準(zhǔn)差減小3.3%，可見改變頻率可以更小的增幅獲得更好的流場(chǎng)改善效果。但在電源開通角一定時(shí)，更大的振幅和頻率會(huì)使開通角內(nèi)加工間隙更大，不利于實(shí)現(xiàn)更小間隙加工。文獻(xiàn)［9］研究表明，陣列窄槽的加工穩(wěn)定性在振幅大于0.3 mm后出現(xiàn)降低，加工精度在頻率大于40 Hz后出現(xiàn)降低，因此綜合考慮各方影響后認(rèn)為，在薄片表面陣列微結(jié)構(gòu)電解加工中，振幅為0.3 mm、頻率為40 Hz時(shí)的振動(dòng)進(jìn)給既可以很好地滿足改善流場(chǎng)的目的，也可以實(shí)現(xiàn)小間隙加工并保證較好的加工穩(wěn)定性和加工精度。

4 工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 試驗(yàn)基礎(chǔ)

為驗(yàn)證振動(dòng)進(jìn)給對(duì)流場(chǎng)的改善效果，分別采用持續(xù)進(jìn)給方式與優(yōu)選參數(shù)的振動(dòng)進(jìn)給方式進(jìn)行薄片表面陣列微結(jié)構(gòu)電解加工試驗(yàn)，通過加工穩(wěn)定性、表面質(zhì)量以及尺寸一致性來評(píng)價(jià)流場(chǎng)條件。采用德國(guó)EMAG PT smart 800精密電解加工機(jī)床進(jìn)行工藝試驗(yàn)，工件材料為17-7PH不銹鋼，電解液采用15%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的NaNO3溶液，主要試驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

針對(duì)薄片零件上陣列微結(jié)構(gòu)精密電解加工設(shè)計(jì)的專用裝置如圖15所示。陰極部件固定于主軸下端快換夾頭，工裝夾具固定于機(jī)床工作臺(tái)。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

4.2.1 加工穩(wěn)定性及表面質(zhì)量

持續(xù)進(jìn)給模式的加工過程中發(fā)生多次短路，加工難以穩(wěn)定進(jìn)行。采用振動(dòng)進(jìn)給模式進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)的加工，電流隨加工深度變化規(guī)律如圖16所示，加工電流隨加工深度的增加而穩(wěn)定增大，且三次試驗(yàn)中電流變化趨勢(shì)一致，加工過程無短路現(xiàn)象發(fā)生，加工過程穩(wěn)定。

圖17所示是不同進(jìn)給模式加工出的工件表面，可以發(fā)現(xiàn)：持續(xù)進(jìn)給模式加工出的表面在區(qū)域1、區(qū)域2、區(qū)域3存在明顯的流痕以及固體產(chǎn)物堆積現(xiàn)象，且整個(gè)加工區(qū)域呈現(xiàn)灰色，表面質(zhì)量較差；采用振動(dòng)進(jìn)給時(shí)加工表面達(dá)鏡面效果，表面粗糙度Ra達(dá)0.05 μm。

振動(dòng)進(jìn)給使間隙內(nèi)產(chǎn)物得以及時(shí)排出并獲得穩(wěn)定流場(chǎng)，且能夠?qū)崿F(xiàn)更小間隙、更高電流密度加工，從而使加工穩(wěn)定進(jìn)行并獲得較好的表面質(zhì)量。

4.2.2 尺寸一致性

由于持續(xù)進(jìn)給模式下加工過程難以穩(wěn)定進(jìn)行，故僅對(duì)振動(dòng)進(jìn)給模式采用相同參數(shù)進(jìn)行三次重復(fù)試驗(yàn)，采用HEXAGON非接觸式三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x測(cè)量加工深度以及窄槽寬度。圖18所示是振動(dòng)進(jìn)給模式下每次試驗(yàn)沿程加工深度評(píng)價(jià)結(jié)果，三次試驗(yàn)的沿程深度均值和標(biāo)準(zhǔn)差穩(wěn)定，且標(biāo)準(zhǔn)差較小，說明三次試驗(yàn)深度尺寸一致性好且每次試驗(yàn)的沿程深度均勻性較好。圖19所示為振動(dòng)進(jìn)給模式下兩窄槽寬度結(jié)果，三次重復(fù)試驗(yàn)中近進(jìn)液口窄槽寬度均值為0.641 mm、最大波動(dòng)為0.014 mm，近出液口窄槽寬度均值為0.628 mm、最大波動(dòng)為0.010 mm，單次試驗(yàn)兩位置窄槽寬度最大差值為0.021 mm，說明兩窄槽寬度在三次重復(fù)試驗(yàn)中尺寸波動(dòng)小，且兩窄槽寬度尺寸一致性較好。試驗(yàn)結(jié)果表明，振動(dòng)進(jìn)給模式可以使間隙內(nèi)獲得穩(wěn)定且一致的流場(chǎng)，改善電導(dǎo)率分布，從而加工出的微結(jié)構(gòu)可以獲得較好的尺寸一致性。

5 結(jié)論

（1）耦合電源間斷放電的振動(dòng)進(jìn)給可保證電源開通前電解液更新為電導(dǎo)率分布均勻的潔凈狀態(tài)；振動(dòng)運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)的擾動(dòng)效果隨加工深度的增加而減弱，而沿程氣泡分布隨深度的增加而趨于均勻。

（2）適當(dāng)提高振動(dòng)幅度和振動(dòng)頻率可以提高流場(chǎng)的產(chǎn)物排出能力和排出效率，降低間隙內(nèi)電導(dǎo)率波動(dòng)，有利于提高微結(jié)構(gòu)的尺寸一致性。

（3）相比于改變振幅，改變頻率可以更小的增幅獲得更好的流場(chǎng)改善效果。

（4）對(duì)于加工深度在0～0.5 mm的表面微結(jié)構(gòu)，振幅為0.3 mm、頻率為40 Hz的振動(dòng)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)條件改善效果較好，可以獲得較好的加工穩(wěn)定性、表面質(zhì)量及尺寸一致性。

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（編輯 袁興玲）

作者簡(jiǎn)介：

王 陳，男，1999年生，碩士研究生。研究方向?yàn)榫茈娊饧庸ぜ夹g(shù)。

趙建社（通信作者），男，1976年生，教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)榫茈娊饧庸?、精密電火花加工、特種加工新技術(shù)。E-mail：zhaojs@nuaa.edu.cn。