鄭 倩 張亞歐 高 強(qiáng) 盧軍成 楊翔鈞 趙萬(wàn)生

1.上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海,200240 2.上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海,200240

0 引言

核電廠反應(yīng)堆堆內(nèi)構(gòu)件長(zhǎng)期服役于高溫、高振動(dòng)、高放射性環(huán)境,會(huì)出現(xiàn)諸如磨損、腐蝕、疲勞開(kāi)裂等損傷,為保障核電廠安全運(yùn)行,需要對(duì)零部件定期維修和更換[1-2]。堆內(nèi)零部件帶有強(qiáng)烈的放射性,需要以硼酸水溶液為屏蔽介質(zhì),因此核電廠堆內(nèi)零部件在線維修需要在硼酸環(huán)境中進(jìn)行[3]。在輻射、水下、酸性以及狹小空間環(huán)境下,傳統(tǒng)加工方法存在機(jī)械作用力,會(huì)影響堆內(nèi)構(gòu)件的剛度和強(qiáng)度。電火花加工(electric discharge machining,EDM)是非接觸式加工,無(wú)宏觀作用力,可以保證反應(yīng)堆內(nèi)待加工部件的機(jī)械剛度和強(qiáng)度不受影響,因此研究在硼酸溶液中的電火花加工有很高的應(yīng)用價(jià)值。

電火花加工通過(guò)電極與工件之間產(chǎn)生的瞬時(shí)放電高溫蝕除工件表面材料,其工作介質(zhì)多為絕緣性的液體。加工介質(zhì)的作用通常是導(dǎo)熱、冷卻、排屑和消除極間電離的加工狀態(tài)[4],有火花油、去離子水、乳化液和加入分散劑的溶液等,其中,去離子水是常用的清潔環(huán)保的工作介質(zhì)[5]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者發(fā)現(xiàn)采用添加物可以提高水中電火花加工的加工質(zhì)量,唐浩峰等[6]研究了分散劑在電火花小孔加工中的作用機(jī)理,發(fā)現(xiàn)分散劑可以提高電導(dǎo)率和加工效率;楊曉鵬等[7]發(fā)現(xiàn)工作介質(zhì)的電導(dǎo)率越高,其再鑄層厚度越大;薛榮媛等[8]研究了含有添加物的工作介質(zhì)的黏度對(duì)電火花加工的影響,發(fā)現(xiàn)介質(zhì)黏度增大會(huì)提高電極相對(duì)損耗(tool wear ratio,TWR),但能夠減少表面微裂紋;王祥志等[9]研究發(fā)現(xiàn)介質(zhì)氧化特性的提高可以提高加工效率,但會(huì)增加電極損耗,促進(jìn)微觀微裂紋的生成。為了探究電加工表面的完整性,EKMEKCI等[10]在不同介質(zhì)液體中進(jìn)行電火花加工,發(fā)現(xiàn)水的黏度低、導(dǎo)熱性強(qiáng),更易形成再鑄層和微裂紋。但是,針對(duì)硼酸環(huán)境下的電火花加工還沒(méi)有涉及。

本文從堆內(nèi)零部件在線維修的實(shí)際需求出發(fā),研究硼酸溶液中電火花加工的可行性,通過(guò)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)揭示材料蝕除機(jī)理,運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(design of experiment,DOE)探究工藝參數(shù)對(duì)加工性能的影響規(guī)律,成功實(shí)現(xiàn)核電設(shè)備的小孔成形加工,并分析小孔的尺寸精度和再鑄層分布規(guī)律,從而為核電廠堆內(nèi)零部件電火花加工提供理論支撐。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)采用上海交通大學(xué)研制的六軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控電火花成形機(jī)床,如圖1a所示,機(jī)床采用自主開(kāi)發(fā)的基于編碼器播放器架構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)電源控制、多軸聯(lián)動(dòng)、間隙伺服和高速抬刀等功能。搭建圖1b所示的高速攝像機(jī)觀測(cè)平臺(tái),用于觀測(cè)硼酸溶液中電火花加工的材料蝕除過(guò)程。

(a)電火花成形機(jī)床

本文采用電子秤(良平,JA2003)測(cè)量加工前后電極的質(zhì)量差,計(jì)算電極損耗。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中,基于高速攝像機(jī)(Phantom V2012)搭配放大鏡頭搭建觀測(cè)平臺(tái),并使用激光光源照射放電區(qū)域,以實(shí)現(xiàn)電加工放電過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)。對(duì)于電火花加工形成的再鑄層,采用光學(xué)顯微鏡(Keyence,VHX-6000)觀測(cè)表面形貌,并測(cè)量加工孔的直徑、粗糙度和蝕除材料體積,采用上海交通大學(xué)分析測(cè)試中心的六硼化鑭掃描電子顯微鏡(TESCAN,VEGA3)分析再鑄層的微觀結(jié)構(gòu)和元素含量。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與條件

為模擬實(shí)際加工環(huán)境和待加工特征,實(shí)驗(yàn)采用直徑為3 mm的紫銅電極加工316不銹鋼工件。316不銹鋼為奧氏體不銹鋼,其化學(xué)成分如表1所示。由于添加了Mo元素,316不銹鋼的耐腐蝕性得到提高,常被用作核電反應(yīng)堆內(nèi)的金屬材料。

表1 不銹鋼316的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical composition of stainless steel 316(mass fraction) %

實(shí)驗(yàn)分別以硼酸溶液、火花油和純水為電火花加工的工作介質(zhì),均采用浸液式加工,在正極性(工件為正極)條件下沿Z軸豎直向下進(jìn)行電火花成形加工。

2 硼酸溶液中電火花加工機(jī)理分析

2.1 機(jī)理分析實(shí)驗(yàn)

為探究在硼酸溶液中電火花加工的可行性,選擇濃度為2200 mg/L的硼酸水溶液作為介質(zhì),模擬核反應(yīng)堆內(nèi)的實(shí)際工況進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn)。對(duì)比分析硼酸溶液與常用電介質(zhì)中的加工特性,采用表2所示的四組不同電參數(shù)分別以火花油、水和硼酸溶液為介質(zhì)進(jìn)行放電加工。

表2 火花油、水和硼酸溶液中的加工電參數(shù)Tab.2 Machining electrical parameters in oil, water and boric acid solutions

相比于傳統(tǒng)的火花油中加工,硼酸中的電火花加工會(huì)產(chǎn)生大量氣泡,且放電非常劇烈,圖2所示為不同電參數(shù)下油、水和硼酸溶液中材料去除率的對(duì)比。各參數(shù)下硼酸溶液中的材料去除率均遠(yuǎn)高于火花油中的材料去除率,這是因?yàn)樽鳛樗芤旱呐鹚崛芤吼ざ缺扔偷酿ざ鹊?更容易排屑,且油在加工過(guò)程中受熱分解,容易形成附在加工表面的雜質(zhì),影響加工的放電過(guò)程。各電參數(shù)下硼酸溶液中的材料去除率略低于水中的材料去除率[7],這是因?yàn)殡S著工作液電導(dǎo)率的增加,電化學(xué)作用會(huì)增強(qiáng),電極與工件在距離較遠(yuǎn)的位置就可以通過(guò)電化學(xué)生成的氣泡產(chǎn)生放電,導(dǎo)致兩極之間的電壓與電流降低[11]。相同條件下,電火花加工單脈沖的能量由兩極間擊穿電壓、擊穿電流和放電持續(xù)時(shí)間等決定,由于與水相比,硼酸溶液的電導(dǎo)率更高,其擊穿電壓和擊穿電流較低,故導(dǎo)致其材料去除率略低。

圖2 油、水和硼酸溶液中的材料去除率對(duì)比Fig.2 Comparison of material removal rate in oil, water and boric acid solutions

2.2 氣泡輔助放電機(jī)理

與火花油不同,硼酸溶液中的電火花加工過(guò)程會(huì)出現(xiàn)大量氣泡,為研究氣泡對(duì)放電的影響,通過(guò)圖1所示的高速攝像機(jī)觀測(cè)平臺(tái)觀測(cè)放電加工過(guò)程。圖3所示為高速攝像機(jī)拍攝到的氣泡產(chǎn)生和合并過(guò)程,紅色框內(nèi)表示氣泡在不同時(shí)間下的位置和狀態(tài)。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)在放電開(kāi)始前極間會(huì)產(chǎn)生大量小氣泡,隨后小氣泡逐漸合并成大氣泡。這是因?yàn)榫哂胁煌笮馀莸臍庖号菽且粋€(gè)不穩(wěn)定的系統(tǒng),與大氣泡相比,小氣泡的表面壓力更大,系統(tǒng)根據(jù)Ostwald ripening理論[12]向更穩(wěn)定的大氣泡系統(tǒng)演化,導(dǎo)致大氣泡逐漸合并周圍的小氣泡,最終大氣泡充斥極間間隙。

(a)放電(t=33 ms)

電火花加工的工件和工具電極存在電壓差,隨著極間間距的減小,帶正電和負(fù)電的粒子高速運(yùn)動(dòng)擊穿極間介質(zhì)形成放電通道,從而產(chǎn)生放電。通過(guò)圖4可觀測(cè)到電極和工件的間隙中存在氣泡并產(chǎn)生放電的過(guò)程,這是因?yàn)闅馀輧?nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度大于工作液中的電場(chǎng)強(qiáng)度,同時(shí),與液體介質(zhì)相比,氣體的抗電擊穿強(qiáng)度更小,氣泡內(nèi)部更容易形成放電通道[13]。硼酸溶液的pH值較低,氣泡表面可以提供放電的初始電子,提高等離子體的電子密度,從而促進(jìn)放電[14],因此硼酸溶液中電火花加工產(chǎn)生的大量氣泡可以輔助放電,提高材料去除率。

(a)小氣泡產(chǎn)生(t=589 ms)

2.3 氣泡促進(jìn)排屑機(jī)理

在電火花加工中,蝕除顆粒被排出極間能夠有效減弱極間碳粒子在工件表面的積聚,避免產(chǎn)生積碳,蝕除顆粒隨氣泡向外移動(dòng)是排出加工間隙的主要途徑[15-16]。為驗(yàn)證硼酸溶液中氣泡對(duì)蝕除顆粒排出的影響,通過(guò)高速攝像機(jī)觀測(cè)放電后的氣泡和蝕除顆粒的運(yùn)動(dòng)情況,如圖5所示,其中白點(diǎn)標(biāo)記蝕除顆粒的初始位置,白色方框和紅色圓圈分別標(biāo)記間隙流場(chǎng)中氣泡和蝕除顆粒不同時(shí)刻下的位置。觀測(cè)發(fā)現(xiàn)氣泡和蝕除顆粒在極間介質(zhì)中向斜上方運(yùn)動(dòng),且其運(yùn)動(dòng)方向一致,在放電爆破力和后續(xù)氣泡的推動(dòng)下,蝕除顆粒被氣泡裹挾著逐漸遠(yuǎn)離放電位置,從而促使蝕除顆粒排出極間。

(a)t=436 ms (b)t=704 ms (c)t=873 ms圖5 蝕除顆粒和氣泡的運(yùn)動(dòng)情況Fig.5 Movement of particles and bubbles

用COMSOL軟件仿真氣泡對(duì)蝕除顆粒運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的影響,通過(guò)動(dòng)網(wǎng)格模擬氣泡和流體邊界,引入粒子追蹤模塊模擬蝕除顆粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。圖6中的圓形位置為氣泡,蝕除顆粒在放電爆破力的作用下有一定初始速度,仿真中將底部粒子設(shè)置同樣向上的初速度,不考慮氣泡的影響時(shí),蝕除顆粒在重力和曳力的作用下運(yùn)動(dòng)速度逐漸減慢,容易沉積在底部。圖6a為流場(chǎng)速度及粒子運(yùn)動(dòng)速度仿真圖,其中上側(cè)圖例代表流場(chǎng)的速度,下側(cè)圖例代表粒子在流場(chǎng)影響下的運(yùn)動(dòng)速度;圖6b為流場(chǎng)壓力與粒子運(yùn)動(dòng)速度仿真圖,其中上側(cè)圖例代表流場(chǎng)的壓力,下側(cè)圖例代表粒子在流場(chǎng)影響下的運(yùn)動(dòng)速度。圖6仿真結(jié)果表明:氣泡由于本身密度較小更容易在液體中上浮,體積較大的氣泡在移動(dòng)時(shí)會(huì)在附近的極間流場(chǎng)產(chǎn)生壓差,從而產(chǎn)生較大流速。與兩側(cè)位置的顆粒相比,中間位置的蝕除顆粒更靠近氣泡,在壓力的作用下容易跟隨氣泡同向移動(dòng),從而產(chǎn)生更大的排屑速度,因此氣泡對(duì)排屑存在促進(jìn)作用。

(a)流場(chǎng)速度和粒子運(yùn)動(dòng)速度仿真

2.4 氣泡產(chǎn)生機(jī)理

核電廠堆內(nèi)零部件加工中,作為中子吸收劑的硼酸水溶液可以直接作為電火花加工的工作介質(zhì),硼酸溶液的pH值為6.4,其酸性極弱不能直接解離出H+,可在水分子作用下產(chǎn)生一定的H+和[B(OH)4]-,其反應(yīng)式如下:

H3BO3+H2OH++[B(OH)4]-

(1)

電極和工件通電時(shí),硼酸在水溶液中電離出的H+和水本身電離出的H+和OH-將發(fā)生如下反應(yīng):在負(fù)極電極表面生成氫氣,在正極工件表面產(chǎn)生氧氣,并在工件正極表面發(fā)生微弱的電化學(xué)溶解作用去除材料,其反應(yīng)式為

(2)

電極表面:2H++2e-→H2↑

(3)

相對(duì)于去離子水,硼酸在水溶液中提供更多的H+,因此在實(shí)驗(yàn)中可以觀測(cè)到紫銅電極表面產(chǎn)生大量細(xì)密氣泡。硼酸溶液中電火花加工的原理如圖7所示,電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的大量氣泡在加工過(guò)程中輔助放電并促進(jìn)排屑,使硼酸溶液中電火花加工的效率得到提高。

圖7 硼酸溶液中的電火花加工原理圖Fig.7 Principle diagram of EDM in boric acid solution

3 硼酸溶液中電火花加工實(shí)驗(yàn)

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為在硼酸溶液中加工出滿足精度要求的深孔特征,本文運(yùn)用實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)探究不同電參數(shù)對(duì)加工性能的影響規(guī)律。選擇峰值電流I、脈寬Ton和脈間Toff作為DOE的3個(gè)影響因子,其中,峰值電流和脈寬決定放電加工的單次放電總能量,脈間影響放電的穩(wěn)定性,每個(gè)因子均采用二水平,進(jìn)行共8組的全析因?qū)嶒?yàn)。為評(píng)價(jià)硼酸溶液中電火花加工的質(zhì)量,選擇材料去除率(material removal rate, MRR)RMR、入口直徑d、底面粗糙度Ra和電極相對(duì)損耗(TWR)RTW作為DOE的響應(yīng)因子。表3所示為加工電參數(shù)對(duì)加工特性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

表3 加工電參數(shù)對(duì)加工特性影響的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Experimental results of influence of machining electrical parameters on machining characteristics

3.2 電參數(shù)對(duì)加工質(zhì)量影響的分析

各電參數(shù)對(duì)加工特性的影響程度見(jiàn)圖8,效應(yīng)的Pareto圖代表影響因子及其交互作用在顯著性水平α=0.05時(shí)對(duì)響應(yīng)因子的影響程度,超過(guò)統(tǒng)計(jì)顯著性參考線的影響因子被認(rèn)為影響效應(yīng)顯著,影響效應(yīng)越高則表明該因子越重要。

(a)材料去除率影響Pareto圖

由圖8中的統(tǒng)計(jì)結(jié)果發(fā)現(xiàn),大部分電參數(shù)對(duì)加工特性的影響顯著,其中,持續(xù)放電時(shí)間內(nèi),工件材料去除的同時(shí)也會(huì)消耗電極,并不影響二者損耗的比例,因此脈寬對(duì)電極相對(duì)損耗的影響較小。電流和脈寬的交互效應(yīng)對(duì)材料去除率有一定影響,其余因子的交互作用對(duì)加工特性影響較小。圖9為根據(jù)上述影響顯著的電參數(shù)在Minitab軟件中分析得到的各電參數(shù)對(duì)材料去除率、入口直徑、底面粗糙度和電極相對(duì)損耗影響的主效應(yīng)圖。

(a)材料去除率影響效應(yīng)圖

由圖9a可見(jiàn),峰值電流增大、脈沖寬度減小和脈沖間隙減小都會(huì)導(dǎo)致材料去除率(MRR)增大。這是因?yàn)閱未畏烹娔芰縒由脈沖寬度和放電電流決定,可表示為

(4)

其中,u(t)為極間擊穿電壓,i(t)為極間擊穿電流。當(dāng)其他條件相同時(shí),峰值電流增大和脈沖寬度增大理論上都會(huì)導(dǎo)致單次放電能量增加,從而提高M(jìn)RR。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn):峰值電流增大導(dǎo)致MRR提高,但隨著脈寬的增大,電火花加工的MRR降低。這是因?yàn)槠渌麉?shù)相同時(shí),放電能量增加導(dǎo)致蝕除顆粒的直徑也隨之增大,對(duì)極間的排屑條件要求更高,雖然理論上能夠產(chǎn)生更好的材料去除效果,但當(dāng)蝕除顆粒的直徑增大到影響放電狀態(tài)且不能及時(shí)排出極間時(shí),電極與工件之間容易發(fā)生拉弧或短路,使加工速度反而降低[17],這也體現(xiàn)在:工序1和工序5的大電流情況下,大脈寬下工序5的MRR低于小脈寬下工序1的MRR,而在小電流下工序4和工序7中,大脈寬下工序7的MRR高于小脈寬下工序1的MRR,這是因?yàn)楣ば?的電流和脈寬均為高水平,其單次放電能量產(chǎn)生的大直徑蝕除顆粒會(huì)對(duì)放電產(chǎn)生不利影響,該結(jié)果也間接證明圖8a中電流因子(A)和脈寬因子(B)的交互作用(AB)對(duì)MRR存在影響。由圖9a還可見(jiàn),脈沖間隔增大時(shí),大量氣泡逸出極間,減弱了下一放電周期中的氣泡輔助放電作用,進(jìn)而造成MRR降低。

由圖9b可見(jiàn),電流、脈寬和脈間的增大會(huì)都導(dǎo)致入口直徑d增大。這是因?yàn)殡娂庸ば】椎闹睆酵ǔＪ请姌O直徑和兩側(cè)放電間隙的總和,單側(cè)放電間隙δ可由以下公式確定[18]:

δ=KuU+KrE0.4

(5)

其中,U為放電電壓,Ku為介電強(qiáng)度系數(shù),Kr為受工件物理化學(xué)性質(zhì)影響的系數(shù),E為單脈沖放電能量。增大脈寬和峰值電流導(dǎo)致單脈沖放電能量E增加,由式(5)可知,當(dāng)其他參數(shù)不變時(shí),脈寬和峰值電流的增大導(dǎo)致δ增大進(jìn)而引起d增大。增大脈間不會(huì)造成放電間隙的變化,但會(huì)延長(zhǎng)整體加工時(shí)間,增加入口位置側(cè)壁的二次放電次數(shù),進(jìn)而增大入口直徑。

由圖9c可見(jiàn),電流、脈寬和脈間均與底面粗糙度成正相關(guān)。這是因?yàn)樵陔娀鸹庸ぶ?脈寬和峰值電流決定單次放電脈沖的能量,因此脈寬和峰值電流增大時(shí),單次放電產(chǎn)生蝕坑的深度增大,造成蝕坑累積形成的表面粗糙度增大。脈沖間隔增大時(shí),大量氣泡逸出極間,導(dǎo)致在下一周期的放電過(guò)程中,氣泡輔助放電和促進(jìn)排屑的作用減弱,進(jìn)而造成放電不穩(wěn)定,表面精度變差。

在電火花加工過(guò)程中,工件和工具電極上的材料都會(huì)受熱去除,本文將電極的絕對(duì)損耗速度(mm3/min)相對(duì)于材料去除率(mm3/min)的損失稱為電極相對(duì)損耗(TWR)。分析前文中效應(yīng)的Pareto圖發(fā)現(xiàn),脈寬因子對(duì)TWR的影響效應(yīng)并不顯著,峰值電流與脈間對(duì)TWR的影響顯著,其主效應(yīng)圖見(jiàn)圖9d,峰值電流增大導(dǎo)致TWR增加,這是因?yàn)榉逯惦娏髟龃笾率狗烹娺^(guò)程更加劇烈,導(dǎo)致極間流場(chǎng)不夠穩(wěn)定,電極端電蝕加劇,所以TWR增加。當(dāng)脈間增大時(shí),TWR會(huì)有所增加,這是因?yàn)樵谌蹼娊赓|(zhì)溶液中進(jìn)行正極性加工時(shí),紫銅電極表面會(huì)產(chǎn)生氫氣保護(hù)電極,當(dāng)脈間增大時(shí),大量氫氣逸出極間,導(dǎo)致下一脈沖放電時(shí)氣體保護(hù)電極的作用減弱,導(dǎo)致TWR增加。

在核反應(yīng)堆的特殊環(huán)境下,通常采用一次加工成形,沒(méi)有后續(xù)的精加工環(huán)節(jié),則電火花加工的表面將直接作為工作表面,其表面精度非常重要,因此核反應(yīng)堆內(nèi)零部件的加工最關(guān)注表面精度,其次是材料去除率,對(duì)電極損耗和放電間隙的要求較低。通過(guò)DOE綜合各加工特性,運(yùn)行工序1、7、8的表面精度最好,底面粗糙度為7～8 μm,運(yùn)行工序1的材料去除率為1.1 mm3/min,遠(yuǎn)高于運(yùn)行工序7、8的材料去除率,因此本文選擇運(yùn)行工序1的電參數(shù)作為最優(yōu)參數(shù),具體為:峰值電流I=24 A、脈寬Ton=20 μs和脈間Toff=20 μs。

4 硼酸溶液中通孔加工實(shí)驗(yàn)

4.1 通孔精度

針對(duì)核電設(shè)備中小孔成形加工的需求,在最優(yōu)參數(shù)下使用直徑3 mm的紫銅電極在厚度為3 mm的不銹鋼316板上加工通孔,并沿通孔中心線剖開(kāi),測(cè)量通孔剖面的孔徑,如圖10a所示,可見(jiàn)通孔的入口孔徑遠(yuǎn)大于出口孔徑,其差約為400 μm,側(cè)邊傾斜角度θ≈4.4°。電火花加工中的小孔直徑通常是電極直徑與兩側(cè)放電間隙之和,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)靠近電極端部位置的電極損耗更大,如圖10b所示,造成電極端部位置加工的出口直徑較小。加工過(guò)程中的蝕除顆粒在排出極間時(shí)不可避免地與側(cè)壁發(fā)生二次放電,隨著加工時(shí)間的延長(zhǎng),靠近入口的位置發(fā)生二次放電的次數(shù)增加,增大了電極與工件之間的間隙,因此,通孔的出口位置和入口位置由于電極損耗和二次放電共同作用產(chǎn)生了形狀誤差。硼酸溶液中的電火花加工存在微弱的電化學(xué)溶解作用,在小孔形狀上表現(xiàn)為入口位置邊緣存在一定的倒圓,如圖10c所示。

(a)通孔剖面孔徑測(cè)量 (b)電極端部 (c)入口倒圓圖10 通孔及加工電極測(cè)量圖Fig.10 Measurement diagram of through hole and machining electrode

分別在濃度為2200 mg/L的硼酸溶液、油和水中加工小孔,并沿小孔軸線切開(kāi),圖11為加工表面放大1000倍的SEM觀測(cè)圖像,圖中上半部分為加工表面,下邊部分為刨切平面。油中加工的表面如圖11b所示,存在大量孔洞和裂紋;水中加工的表面如圖11c所示,存在密集粗糙凹陷;在硼酸溶液中進(jìn)行電火花加工的表面如圖11a所示,由于電解質(zhì)溶液中的電化學(xué)溶解作用,硼酸溶液中的加工表面比水和油中的加工表面更加平整。

(a)硼酸溶液中的加工表面

4.2 再鑄層分布

在電火花加工過(guò)程中,工件材料通過(guò)高溫熔化脫離表面,但并非所有的熔化材料都能脫離工件,其余部分會(huì)再凝固到工件表面形成再鑄層。為探究硼酸溶液中電火花加工的再鑄層情況,分別在火花油、水和濃度為2200 mg/L的硼酸溶液中用最優(yōu)電參數(shù)加工小孔,沿軸線刨開(kāi)制作金相試樣,再鑄層的金屬會(huì)在腐蝕的作用下與基體金屬之間呈現(xiàn)清晰的分界,因此可以通過(guò)金相腐蝕觀測(cè)硼酸溶液中電火花加工的再鑄層。

圖12a～圖12c分別為在火花油、水和濃度為2200 mg/L的硼酸溶液中加工的再鑄層在光學(xué)顯微鏡下放大500倍的觀測(cè)圖像,隨機(jī)測(cè)量5個(gè)位置的再鑄層厚度計(jì)算平均值,得到油中加工的再鑄層厚度為4.56 μm,水中加工的再鑄層厚度為8.84 μm,硼酸溶液中加工的再鑄層厚度為5.10 μm,油中加工的再鑄層存在微裂紋,水和硼酸溶液中加工的再鑄層無(wú)明顯微裂紋。

(a)油中加工

在電火花加工中,影響再鑄層厚度的因素主要分為兩個(gè)方面,一個(gè)是加工過(guò)程中熔化金屬的數(shù)量,二是介質(zhì)排出熔融金屬的能力。前文提到相比于火花油中的加工,硼酸溶液中的材料去除率更高,則單位時(shí)間內(nèi)熔化的金屬更多,導(dǎo)致相比于火花油中,硼酸溶液中加工的再鑄層厚度更大。硼酸與水的物理性質(zhì)相似,但相比于水中,硼酸溶液中加工的再鑄層厚度更小,這是因?yàn)榕鹚崛芤旱碾妼?dǎo)率比水的電導(dǎo)率高,根據(jù)2.1節(jié)的分析,硼酸溶液的單次放電能量比水中單次放電能量小,即硼酸溶液中電火花單次放電熔化的金屬更少,其次在硼酸溶液中加工時(shí)的大量氣泡有促進(jìn)排屑作用,可減少熔融金屬再凝固形成再鑄層[19-20]。

再鑄層中的微裂紋是由金屬材料受熱冷卻產(chǎn)生的內(nèi)部應(yīng)力引起的,并與材料的脆性有關(guān),為探究硼酸溶液與火花油中加工的再鑄層裂紋的區(qū)別,對(duì)再鑄層和基體進(jìn)行EDS元素能譜分析。圖13所示為能譜分析的位置,其中,譜圖1所在位置是再鑄層,譜圖3所在位置是基體。

圖13 EDS分析位置示意圖Fig.13 Analysis location diagram of EDS

圖14a和圖14b所示分別為再鑄層和基體通過(guò)EDS能譜分析得到的各種元素的原子分?jǐn)?shù),可以看出,基體中不存在的Cu元素在再鑄層中含量上升到0.2%、B元素在再鑄層中含量上升至45.2%,表明放電位置產(chǎn)生的熔融區(qū)可以使紫銅電極和硼酸溶液電介質(zhì)中的元素滲入到工件材料表面[21]。由圖14可以看出,硼酸溶液中加工的再鑄層中O元素的含量比基體中O元素含量提高0.4%,驗(yàn)證了硼酸溶液中電火花加工的表面存在氧化反應(yīng)[22]。與基體相比,再鑄層中 C元素的含量更少,這是因?yàn)樗芤嚎梢允乖勹T層脫碳,以降低表面再鑄層的脆性,使得工件表面不容易生成裂紋[23]。而火花油會(huì)在高溫下發(fā)生分解,由于放電區(qū)溫度接近5000 ℃,油中的C元素會(huì)在金屬熔融過(guò)程中溶解到再鑄層中,以提高表面材料脆性,因此表面會(huì)產(chǎn)生大量微裂紋[18]。

(a)再鑄層EDS譜圖

5 結(jié)論

針對(duì)核電廠堆內(nèi)零部件在線維修的問(wèn)題,對(duì)硼酸溶液中電火花加工機(jī)理進(jìn)行研究,并開(kāi)展紫銅電極加工316不銹鋼零件的實(shí)驗(yàn),得到以下結(jié)論:

(1)硼酸溶液作為工作介質(zhì)進(jìn)行電火花加工時(shí),放電過(guò)程劇烈且產(chǎn)生大量氣泡,氣泡輔助放電和促進(jìn)排屑機(jī)理可以提高硼酸溶液中的電火花材料去除率。

(2)通過(guò)改變峰值電流、脈寬和脈間探究硼酸溶液中放電參數(shù)對(duì)材料去除率、通孔的入口直徑、表面質(zhì)量以及電極損耗的影響規(guī)律,并得到峰值電流I=24 A、脈寬Ton=20 μs和脈間Toff=20 μs是核電廠堆內(nèi)電火花加工的最優(yōu)電參數(shù)。

(3)硼酸溶液中電火花加工的通孔存在形狀精度誤差,加工表面質(zhì)量較好,其再鑄層厚度比水中加工的再鑄層厚度更小,且由于硼酸水溶液的脫碳作用,其加工表面無(wú)明顯裂紋。

(4)研究結(jié)果證明,硼酸溶液適合作為電火花加工的工作介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)輻射環(huán)境下的電火花加工。