TC4薄板群小孔活動掩模脈沖電解加工實驗研究

鄭鑫，李寒松

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

TC4薄板群小孔活動掩模脈沖電解加工實驗研究

鄭鑫，李寒松

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

摘要：針對航空發(fā)動機上大面積海量群孔薄板零件，提出了活動掩模脈沖電解加工方法。介紹了活動掩模脈沖電解加工的基本原理和工藝流程。研究了電解液溫度、脈沖頻率、電源電壓占空比等參數(shù)對加工質量和加工效率的影響。研究表明，當活動掩模脈沖電解加工的電解液溫度為45 ℃，電源脈沖頻率為400 Hz，占空比為20%時，加工效率較高，且所加工的TC4薄板群小孔的表面質量及孔徑均勻性良好。

關鍵詞：活動掩模；脈沖電解；均勻性

Research on Moveable Cathod Mask Pulse Electrachemical

Machining of Mass Micro Holes of TC4 Sheet

ZHENG Xin, LI Hansong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016,China)

Abstract:This paper proposes pulse electrolytic machining with moveable cathode mask, which is used to machine mass micro holes of thin sheet workpiece. introduces its basic theory and machining process and explores the influence of some parameters on machining quality and efficiency, including parameters of the temperature of the electrolyte, pulse frequency and pulse duty cycle, etc. The result shows that TC4 sheet with high precision mass miero holes can be obtained in an electrolytic cell with 45 ℃, pulse duty cycle with 20%, pulse frequency with 400 Hz.

Keywords:movable cathode mask; pulse ECM; evenness

0引言

隨著航空航天技術的發(fā)展，薄板群孔零件的應用日趨增多，群孔類零件在航空航天、儀器儀表等諸多領域廣泛應用。比如航空發(fā)動機空氣阻尼套、冷氣導管等。在航空航天領域，鈦合金材料應用廣泛，但是由于鈦合金材料的特殊性，在大面積鈦合金材料薄板上加工海量群孔一直是個技術難題。因此，研究出一種可以高效率、高精度、低成本、穩(wěn)定性好的鈦合金薄板海量群孔工件的加工方法已迫在眉睫。各種加工方法都有各自的特點和適用性，加工方法的選擇，要根據(jù)加工材料、加工形狀、尺寸精度、生產(chǎn)批量等因素綜合考慮。采用機械加工技術加工群孔零件加工效率高，加工品質好，但是在加工薄壁密集群孔零件時可能會產(chǎn)生累積變形。同時鉆頭過熱易導致零件燒傷[1-2]。電火花加工技術和激光加工技術可以快速高品質地加工出薄壁群孔零件，但其加工出的零件存在熱影響區(qū)，這限制了其在航空航天領域的發(fā)展。電液束加工技術可以加工出高精度的群孔零件，但該技術通常用于加工孔徑小于1mm的群孔，不適用于加工孔徑更大的群孔零件[3-7]。管電極電解加工技術可以加工出深徑比較大的群孔零件，但該技術需要復雜的均流裝置，成本較高，不適合大面積群孔零件的加工[8]。照相電解加工技術加工群孔零件時復制精度高，加工效果好，但是需要專業(yè)的光刻設備和專業(yè)人才，成本較高，同時長時間浸泡的光刻膠容易脫落，導致加工失敗，不適合大面積群孔零件的加工[9-15]?；顒友谀Ｃ}沖電解加工是基于電化學陽極溶解理論，利用模板的選區(qū)限制工件蝕除的區(qū)域，在工件上加工出與模板上的群孔區(qū)域相似結構的一種特種加工工藝。采用直流電源的活動掩模電解加工技術加工鈦合金薄板群孔時產(chǎn)生的熱量大，導致小孔表面品質及孔徑均勻性較差[16-18]。文中主要研究活動掩模脈沖電解加工技術加工群小孔結構的方法。

1實驗原理

活動掩模電解加工又稱為雙陰極掩模電解加工。其主要特征是電源負極同時連接金屬板陰極和模板導電層陰極，使兩個陰極同時作用于被加工表面產(chǎn)生電場，工件表面未被模板屏蔽的小孔部分被電化學蝕除，直到加工成所需形狀和尺寸[19-24]。

圖1為活動掩模雙面加工的原理圖。模板緊貼在工件的兩側，模板上的小孔需要對心，即在工件上、下兩面同時加工，這樣有效地提高了加工精度、加工效率并減小了孔的錐度：因此活動掩模電解加工技術常用來加工薄板群孔零件。

圖1　活動模加工原理圖

2試驗研究

2.1加工工藝流程

活動掩模脈沖電解加工陣列群孔零件的工藝流程如圖2所示。

圖2　工藝流程圖

1) 工件毛坯設計：在活動掩模電解加工中工件毛坯的設計主要是為了便于工件的裝夾和定位使工件具有較高的位置精度。

2) 夾具設計制作：根據(jù)工件毛坯和工件最終加工成型時的尺寸設計夾具。夾具設計分為流道的設計和定位區(qū)的設計，夾具通常使用304不銹鋼材料制作。

3) 模板設計制作：電解加工使用的模板通常是覆銅板。電解加工模板是按照電解加工專用夾具和工件毛坯的形狀設計的，模板上群孔的加工精度直接影響加工品質。因此，模板上群孔的加工精度是模板制作好壞的評判標準。同時，加工時雙面模板上的孔需要對心緊貼工件。所以在模板上鉆孔前，需要將兩張覆銅板的環(huán)氧樹脂面一側區(qū)域用AB膠粘牢。

4) 工件裝夾：裝夾時先將模板固定在下夾具上，再將工件放在兩層覆銅板間固定好，最后夾緊夾具，并確認工件的接電塊是否壓緊。

5) 參數(shù)設定：工件裝夾好之后，打開電解液泵并調節(jié)電解液壓力，之后打開電源開關并調節(jié)電源參數(shù)。

6) 電解加工：參數(shù)設定好以后按下接通開關開始電解加工并最終加工出所需的群孔零件。

2.2群孔加工品質的評估方法

試驗從群孔的表面品質、孔徑尺寸均勻性以及群孔的錐度三個方面對模板電解加工后的群孔品質進行檢驗。加工后的小孔側壁簡化圖見圖3，群孔的錐度由式(1) 求得:

(1)

式中:θ——孔的錐度/°；

D1——孔的小徑/mm；

D2——孔的大徑/mm；

T——工件厚度/mm。

群孔孔徑尺寸均勻性用群孔孔徑標準差表示為:

(2)

式中:S——孔的標準差/mm；

Di——某一個孔的平均直徑/mm；

N——群孔數(shù)量。

圖3　小孔的顯微形貌及其側壁剖開簡化示意圖

3試驗分析

3.1電解液溫度對加工結果的影響

電解液是影響電解加工效果的重要因素，對電解加工精度、表面品質以及加工效率均有影響。其中，電解液溫度對電解加工活性，加工效率和加工品質有重要影響。實驗采用5% NaNO3和5% NaCl的混合電解液，對TC4材料工件進行電解打孔加工。電解加工需要在一定范圍的溫度下進行。在此，試驗了5組不同的電解液溫度下的加工效果，分別是： 30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃。加工的孔的形貌如圖4。

圖4　不同溫度下加工出的群孔

從圖5可以看出，電解液溫度為45℃時，加工速度較快，加工均勻性較好。加工速度隨電解液溫度的提高而加快，在電解液溫度為35℃～45℃，群孔孔徑均勻性隨電解液溫度的提高而變好，群孔平均錐度隨電解液溫度的提高而變小。由于電解加工溫度較高時，電解液揮發(fā)速度加快，致使無法完成長時間穩(wěn)定加工。因此選用45℃的電解加工溫度為宜。

圖5　不同電解液溫度下孔的錐度和均勻性

3.2電源脈沖頻率對加工結果的影響

在活動掩模脈沖電解加工中，電源的脈沖頻率影響著電解加工速度、加工品質以及對加工過程的控制。選用適當?shù)拿}沖頻率可以有效提高加工表面品質和精度以及加工效率。

圖6為加工電源脈沖頻率分別為200Hz，400Hz，600Hz，800Hz和1000Hz下的群孔加工效果圖。使用同一加工電壓進行的群孔加工，加工電源脈沖頻率的不同導致電解加工區(qū)域溫度不同以及產(chǎn)物排出能力的不同，適當降低加工電源脈沖頻率能帶走加工產(chǎn)物，有利于提高加工品質并保證電解加工均勻性。

圖6　不同脈沖頻率下加工出的孔的形貌

由圖7可以看出，在脈沖頻率超過400Hz后，群孔的孔徑標準差和平均錐度隨著脈沖頻率的增加而增大。在其他參數(shù)一定的情況下，加工電源脈沖頻率增加，致使電解加工區(qū)域的電解液不能有效排出加工產(chǎn)物，電解加工區(qū)域的溫度過高，從而使加工品質較差，加工均勻性較差。由于在滿足電解液沖刷時間的情況下，加工電源脈沖頻率的提高可適當提高加工品質，因此選用400Hz的脈沖頻率。

圖7　不同脈沖頻率下孔的錐度和均勻性

3.3電源占空比對加工結果的影響

在大功率的電解加工中，加工電源的占空比對加工品質和加工效率有著重要的影響。采用較小的占空比可以使電解液在脈沖間隙期間有效地排出電解加工產(chǎn)物并降低加工區(qū)域的溫度；但另一方面，采用較高的占空比可以提高加工效率。為此，需要研究脈沖電源的占空比對加工效果的影響。圖8分別為占空比為15%，20%，25%，30%加工出的小孔圖。

圖8　不同占空比下加工出的小孔形貌

從圖9可見，當占空比為15%時，由于陽極工件剛剛被擊穿，在加工時間內(nèi)不足以加工出規(guī)定孔徑范圍的孔，因此其錐度以及孔徑均勻性較差。當占空比繼續(xù)提高，其加工速度也隨之線性提高，較大的加工電源占空比加工速度較快，但加工品質較差，加工均勻性不好；選擇較小的加工電源占空比，電解液能很好的更新，加工產(chǎn)物及時得到排出，加工的氣泡和反應熱也能被電解液帶走，加工區(qū)域的流場和電場比較穩(wěn)定，從而使加工后的群孔孔徑均勻性以及群孔平均錐度均有較大改善，但加工速度較低。為得到較好的加工品質和較快的加工效率，選用20%加工電源占空比。

圖9　不同占空比下孔的錐度和均勻性

3.4加工參數(shù)的優(yōu)化

選取適當?shù)膮?shù)對實驗的加工結果有重要影響。經(jīng)過以上分析，進行參數(shù)優(yōu)化。選用電解液溫度45℃，電源脈沖頻率400Hz，脈沖占空比20%，每次能加工3排孔，經(jīng)過多次分步加工，在TC4薄板上加工出如圖10所示的大面積群孔。

圖10　優(yōu)化參數(shù)后加工出的大面積群孔

4結語

介紹了用活動掩模脈沖電解加工技術加工鈦合金大面積陣列群孔的方法，研究了電解液溫度、電源脈沖頻率及電源占空比對群孔的錐度和尺寸均勻性的影響，得到如下結論：

1) 加工速度隨電解液溫度的提高而加快，在一定溫度范圍內(nèi)加工均勻性隨電解液溫度的提高而變好。當溫度過高時，電解加工的電流增大，易導致加工狀態(tài)不穩(wěn)定，加工孔徑均勻性無法保證。因此，選用45℃的電解加工溫度能達到較好的加工表面品質和精度。

2) 在純鈦薄板上加工海量群小孔時，電源脈沖頻率影響加工速度，降低脈沖頻率可以提高加工效率，但是過低的脈沖頻率易使小孔各區(qū)域加工均勻性變差，過高的脈沖頻率影響電解液對加工產(chǎn)物和氣泡的沖刷，不易保持一定的加工溫度以至于加工品質較差：因此，加工時選用適中的脈沖頻率。

3) 在大面積鈦合金薄板上加工群孔零件時，選擇的占空比要比在小面積板上加工時要小，用小占空比加工出的群孔品質較好，但是考慮到大面積板加工效率，占空比的選擇不宜過小。

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收稿日期：2014-01-08

中圖分類號：TG662

文獻標志碼：B

文章編號：1671-5276(2015)04-0033-05

作者簡介：鄭鑫(1987-)，男，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生，從事特種加工、電解加工方面的研究。

基金項目：國家自然科學基金(51275233)，航空科學基金(2012ZE52068)