無再鑄層異型孔的電火花-電解組合加工研究

劉發(fā)展,曲寧松,朱增偉

(南京航空航天大學江蘇省精密與微細制造技術重點實驗室,江蘇南京210016)

隨著科學技術的發(fā)展,對零件性能的要求在不斷提高,不僅要求零件加工精度高,對表面質量還有特殊的要求,如無再鑄層、無微裂紋、無腐蝕等。對于高溫合金、硬質合金、耐熱鋼淬火鋼等高硬度、高強度零件上的異形孔,用傳統(tǒng)的機械加工方法已很難實現[1～2]。通常采用的加工方法為電射流加工、電花火加工和激光加工。對于后兩種加工方法,由于都是用瞬間產生的高溫熱去除材料,加工后孔的內表面會產生再鑄層。再鑄層是在快速冷卻作用下,熔融材料在材料加工表面形成的淬火鑄造組織,組織內部常含有微裂紋。在交變載荷的作用下,這些微裂紋極易擴散,以致零件發(fā)生斷裂破壞[3～6]。因而在航空、航天制造領域,經電火花加工、激光加工過的表面必須進行研磨或拋光,以去除產生的再鑄層[7]。去除再鑄層的常用方法有磨粒流機械研磨和化學拋光。但磨粒流機械研磨加工異形孔的精度低,且易存在去除不了的死角[8]。而化學拋光其一種溶液只適合某幾種材料,同時溶液會對工件產生污染[9]。

電解是基于陽極溶解原理去除金屬,沒有宏觀“切削力”和“切削熱”的作用,因此工件表面不會產生像切削加工中所形成的塑性變形層,也不會產生殘余應力,更不會像電火花、激光加工那樣在加工面上產生再鑄層,反而還會將原有的變形層和殘余應力層去掉[10～11]。

本文針對電火花加工異形孔產生的再鑄層去除困難以及成形精度難以保證的難題,提出了一種高精度異形孔成形加工的電加工組合工藝:組合了電火花成形和電解加工兩種工藝措施。通過電火花先打出成形孔,然后電解加工去除電火花加工產生的再鑄層,最后得到精度高、表面質量好的異形孔。

1 實驗原理和裝置

電火花-電解組合加工,利用電火花成形加工的高精度以及電解加工較好的表面質量,進行異形孔的加工。在同一加工工位、同一工具電極條件下,先進行電火花成形加工;再進行電解加工去除電火花加工產生的再鑄層,加工過程中無需更換電極。試驗裝置見圖1。

圖1 加工裝置示意圖

在電火花成形機床的工作臺上,設計出一套獨立的夾具和工作槽等設備以及供液系統(tǒng)。將工作槽固定在電火花成形機床的工作臺上,工件裝夾在工作槽內。工件材料為2Cr13,厚度2 mm。先往槽內充入煤油工作液,電火花打出成形孔后,把槽內的煤油工作液放掉;將工件接電解用脈沖電源的正極,電火花加工時的工具電極接電源負極;機床主軸回到電火花打孔時的原位;打開供給電解液的小流量高壓泵,對加工區(qū)域進行沖液;接通電源,進行電解加工。

2 實驗結果及分析

在進行電解加工試驗之前,先討論不同電火花加工電參數對再鑄層的影響,然后針對特定參數下電火花成形孔,選擇不同的電解加工參數,評價其加工效果。

2.1 電火花加工電參數對再鑄層厚度的影響

這里討論電火花極性、脈沖寬度和峰值電流對再鑄層厚度的影響。

2.1.1 極性對再鑄層厚度的影響

圖2為峰值電流等于24 A時,不同脈沖寬度條件下極性變化對再鑄層厚度的影響規(guī)律?？梢钥闯?隨加工極性不同,不同脈沖寬度對再鑄層厚度影響的曲線變化率也不相同。當脈沖放電時間較短時,正極性加工比負極性加工再鑄層厚度大;反之,若脈沖放電時間長,負極性加工比正極性加工的再鑄層厚度大。這是因為在短脈沖加工時,電子的轟擊作用大于離子的轟擊作用;而長脈沖時,離子的轟擊作用大于電子的轟擊作用。轟擊作用越強,熔化、拋出的金屬越多,熔融金屬凝固滯留在基體上的也越多,再鑄層越厚。

圖2 極性對再鑄層厚度的影響

2.1.2 峰值電流和脈沖寬度對再鑄層的影響

圖3是正極性加工條件下,不同峰值電流和脈沖寬度加工對再鑄層厚度的影響規(guī)律。

圖3 峰值電流和脈沖寬度對再鑄層厚度的影響

由圖3可看出,再鑄層厚度隨著峰值電流以及脈沖寬度的增大而增大。因為在脈沖寬度一定時,峰值電流越大,單個脈沖能量也越大,其熔化、拋離的金屬就越多,滯留在工件表面的熔融金屬也越多,再鑄層就越厚。在峰值電流一定時,脈沖寬度越大,導致單個脈沖能量也越大,再鑄層就越厚。

圖中還可看出,再鑄層厚度隨脈沖寬度、峰值電流并非呈線性關系變化,而呈減緩趨勢。這是由于隨著脈沖寬度的增大,脈沖能量也增大,但放電點的能量作用向周圍擴散傳遞,使放電點的能量密度不隨脈沖能量的增大呈正比增長、而是呈逐漸減緩的趨勢。

正極性時,不同峰值電流和脈沖寬度組合加工的再鑄層厚度如圖4所示。

2.1.3 電火花加工電參數的選擇

放電間隙和電極損耗的大小體現了加工精度的高低。根據電火花加工電參數對再鑄層厚度的影響規(guī)律以及電火花加工的成形規(guī)律,兼顧加工精度、加工效率和再鑄層厚度,優(yōu)化選擇了表1中的加工參數。采用此參數加工的異形孔內壁見圖5。

表1 優(yōu)化的電火花加工參數及此參數下的加工結果

2.2 電解加工效果的分析

取相同參數下的電火花成形孔為研究對象,進行電解加工。為了保證完全去除再鑄層,電解加工去除的余量要大于再鑄層厚度,電火花加工后再鑄層厚度為8 μ m,所以取電解去除的余量為10 μ m。

圖5 采用表1的參數加工的異型孔內壁的表面形貌

2.2.1 峰值電壓對加工效果的影響

試驗采用微秒級脈沖電源加工。圖6所示為脈沖頻率5 kHz,占空比0.1,電解液采用4%NaClO3溶液。每次試驗均只改變脈沖電源峰值電壓,進行電解加工去除余量,研究峰值電壓對去除效果的影響。結果如圖6、圖7所示。其他加工參數不變,隨著電壓的增大,表面粗糙度值迅速減小。隨著加工電壓升高,電流增大,電流密度升高。采用的工件材料為2Cr13不銹鋼,由于各相的電極電位不同以及材料中化學成分的不均勻,會導致各相或各成分的溶解順序不同,材料中某些電極電位較負的相發(fā)生優(yōu)先溶解,電流密度越小,這種現象越明顯,導致了表面粗糙度的惡化。當采用較高的加工電壓,使加工在高電流密度下進行,各相幾乎同時溶解,在很大程度上提高表面質量。由于電流密度升高,電解去除速度加快。

2.2.2 頻率對加工效果的影響

加工電壓30 V,占空比0.1,電解液采用4%NaClO3溶液。試驗只改變脈沖頻率,研究不同脈沖頻率對加工效果的影響,結果如圖8所示。

圖8 頻率對加工效果的影響

隨著頻率的升高,加工效率提高,表面粗糙度值降低。這是因為脈沖效應隨著頻率提高而相應加強,電流效率 η對電流密度i的非線性特性被進一步強化,使超鈍化在較高的電流密度下發(fā)生,集中蝕除能力加強,表面粗糙度值提高。而且間隙內氫氣壓力波對極間電解液的攪拌作用,改善了電解液對小間隙處的充填能力,使加工間隙的流場參數趨于均勻,提高了加工的穩(wěn)定性。由于占空比沒變,加工時平均電流改變不大。增加頻率使電流陽極溶解的定域蝕除能力大為加強;雜散電流減小、加工區(qū)域電流升高,提高了加工效率。加工效果如圖9所示。

圖9 不同頻率加工后的表面形貌

2.2.3 占空比對加工效果的影響

加工電壓30 V,脈沖頻率5 kHz,電解液采用4%NaClO3溶液。每次均只改變占空比進行試驗。圖10所示為不同占空比對加工效果的影響。

加工結果表明,在脈沖寬度一定的條件下,占空比對群孔加工產生顯著影響。加工表面粗糙度值隨著占空比的增大而增大,即占空比越小,越有利于獲得較高的集中蝕除能力。在頻率一定的情況下,減小占空比即增大脈沖停歇時間,間隙通道中的電解產物可在相對較長的脈沖間歇時間內充分排出,間隙內的流場、溫度場得到更好的改善;同時脈沖電流增強了電解液的非線性特性,且隨著占空比的減小,加工集中蝕除能力相應增強,使表面粗糙度值降低,但減小占空比使加工平均電流下降,導致加工效率降低(圖11)。

圖10 占空比對加工效果的影響

圖11 不同占空比加工后的表面形貌

圖12 電解液對加工效果的影響

2.2.4 電解液對加工效果的影響

加工電壓30 V,占空比0.1,脈沖頻率5 kHz。試驗只改變電解液參數。分別研究中性溶液NaClO3、NaNO3和酸性電解液H2SO4對加工效果的影響,各溶液濃度均為4%,結果見圖12?？梢钥闯?在其他加工條件不變的情況下,濃度同為4%的NaClO3、NaNO3、H2SO4 電解液中,NaClO3電解液加工表面粗糙度值最低,NaNO3電解液次之,H2SO4電解液加工表面粗糙度值最高,而加工效率則相反。這是由于NaClO3與NaNO3為非線性電解液,集中蝕除能力較強,特別是NaClO3溶液的非線性特性更強,其集中蝕除能力最強。而H2SO4是非鈍化電解液,電流效率η基本接近100%,非加工區(qū)即使電流密度很小,也會發(fā)生溶解反應,散蝕嚴重;同時,工件材料在稀H2SO4電解液中還會發(fā)生化學溶解,對非加工面有腐蝕作用。由于在NaClO3溶液中加工時的電流最小,NaNO3次之,H2SO4中最大,所以它們的加工效率依次升高,去除余量所需的加工時間依次降低。加工結果見圖13。

圖13 不同電解液加工后的表面形貌

由以上分析得出一組優(yōu)化的電解參數:電壓30 V,頻率5 kHz,占空比0.1,電解液為 4%NaClO3溶液。采用此參數加工的效果見圖14。

圖14 采用優(yōu)化的電解參數加工后異形孔內壁的表面形貌

2.3 加工結果

采用上述的電火花-電解組合加工工藝,并采用優(yōu)化的電火花和電解參數加工,最終加工出的異形孔如圖15所示。

圖15 采用優(yōu)化的電火花-電解組合工藝加工的異形孔

3 結論

本文對無再鑄層異形孔的電火花-電解組合加工工藝進行了一系列的實驗研究。該工藝是一種加工高表面質量異形孔的有效方法。采用優(yōu)化的電火花參數可得到精度高、再鑄層厚度小的異形孔,再通過采用優(yōu)化的電解參數可快速、均勻地去除電火花產生的再鑄層,得到的異形孔內壁無再鑄層、無微裂紋,且具有很低的表面粗糙度值。

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