超聲輔助電解磨削GH625 微小孔工藝研究

馬玉財，尹瀛月，霍金星，葛英尚，張建華

（ 山東大學機械工程學院，高效清潔機械制造教育部重點試驗室，機械工程國家級實驗教學示范中心，山東濟南250061 ）

GH625 合金屬于鎳基高溫合金的一種，具有高強度、高硬度、耐腐蝕、抗氧化等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動機零部件和宇航結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部件。 然而，采用傳統(tǒng)機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)力等問題，進一步影響工件的表面質(zhì)量與加工效率[1]。 易振海等[2]在對高溫鎳基合金車削加工時發(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， 脫落時會引起切削刃破損。特種加工方法具有蝕除率高、加工精度高、效率高等優(yōu)勢，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SiCp/Al 進行電火花加工，發(fā)現(xiàn)電源放電能量越大、放電頻率越高時，電極損耗越嚴重。 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，但同時也會增加硬質(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1045 鋼進行干式車削試驗，研究表明，低切削速度下，織構(gòu)化刀具表面切屑堆積嚴重，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。付書星[7]在電解銑磨加工GH4169 合金仿真與試驗研究中指出，在電解銑磨和機械磨削共同作用下， 可實現(xiàn)對工件材料的大余量去除，但在加工過程中由于雜散腐蝕嚴重而產(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程中刀具磨損與效率問題，但對于達到預(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與電解磨削加工結(jié)合起來， 運用超聲振動產(chǎn)生的空化效應(yīng)、強化傳質(zhì)效應(yīng)輔助陽極溶解的原理實現(xiàn)對零件的高效加工，形成致密的鈍化膜，顯著降低加工過程中的雜散腐蝕現(xiàn)象，在零件細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輔助電解珩磨加工技術(shù)，對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]運用超聲振動輔助電化學拋光對碳化硅材料進行試驗研究和仿真分析，發(fā)現(xiàn)使用半固定磨粒拋光盤時表面加工質(zhì)量最好，但材料去除率較低。 孔黃海[12]運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指標，利用單因素法研究了電參數(shù)、電極轉(zhuǎn)速、 進給速度等加工參數(shù)對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、進給速度、占空比對GH625 材料管電極打孔質(zhì)量的影響，然后采用正交試驗方法研究脈沖電壓、電解液濃度、進給速度、陰極轉(zhuǎn)速對超聲輔助電解磨削擴孔的影響，通過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。

1 試驗方案與條件

1.1 加工原理

圖1 是試驗采用的超聲輔助電解磨削擴孔加工平臺，加工過程中工具陰極接電源負極、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)成一個回路，實現(xiàn)電解加工，而工控機通過可編程變頻器對超聲系統(tǒng)的頻率進行更改，從而滿足在可變超聲頻率下的加工。 同時，工控機通過對超聲波發(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，并通過運動控制卡實現(xiàn)對機床三軸的高精度運動控制； 換能器將高頻電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械振動，進而通過變幅桿將振幅擴大為沿軸向的機械振動；霍爾電流傳感器實時監(jiān)測加工電壓與極間電流。

圖1 超聲輔助電解磨削加工平臺

1.2 試驗設(shè)計方案

1.2.1 總體方案

此試驗分為管電極預(yù)孔試驗階段與超聲輔助電解磨削擴孔試驗階段。 其中，預(yù)孔階段為超聲輔助電解磨削正交試驗確定初步優(yōu)選試驗參數(shù)，而擴孔試驗確定最優(yōu)擴孔試驗參數(shù)。 最終擴孔的質(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價。 微孔的表面粗糙度用Veeco NT9300 型光學輪廓儀來檢測，微孔的進出口直徑用三維工具顯微鏡來檢測，并通過下式計算平均錐度：

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

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、陽極接工件，在脈沖電源、超聲振動、電解液的協(xié)同作用下進行管電極打孔。 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、進給速度、 占空比為主要因素的管電極預(yù)孔試驗，試驗其他變量時，脈沖電壓、進給速度、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 擴孔試驗

基于前期實驗室的試驗經(jīng)驗和相關(guān)文獻資料，超聲輔助電解磨削擴孔試驗研究選取脈沖電壓、電解液濃度、陰極轉(zhuǎn)速、進給速度為影響因素，每個因素各有四個水平，以此設(shè)計正交試驗。 由于四因素四水平正交表不存在， 研究時增加了一空白因素X以構(gòu)成五因素四水平正交試驗，即 L16（45）。 設(shè)計的試驗參數(shù)見表2。

表2 正交試驗因素水平表

2 結(jié)果與討論

2.1 預(yù)孔試驗結(jié)果分析

2.1.1 脈沖電壓對管電極成形預(yù)孔的影響

脈沖電壓的高低決定了電流密度的大小，進一步影響電解作用強弱與加工效率高低，對管電極打預(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 的脈沖電壓下進行打孔試驗， 得到的加工實物見圖2、平均錐度影響見圖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，其錐度隨著電壓的增加持續(xù)增大。 電壓過高時，電流密度增強、電解作用提高，表面雜散腐蝕作用增強，進而使表面質(zhì)量降低，由于陽極工件入口處電解作用時間較長，使入口尺寸大于出口尺寸，從而產(chǎn)生較大的錐度；當電壓過低時，電流密度降低、電解作用減弱，單位時間內(nèi)電解作用形成的鈍化膜相對較薄，導(dǎo)致電阻變小而電流瞬時變大，因而導(dǎo)致短路。 在電壓值為14 V 時錐度最小，此時進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給速度下迅速溶解陽極工件，故會發(fā)生工具陰極和工件陽極接觸而導(dǎo)致短路的情況，由于多次重復(fù)機械進給，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。 試驗發(fā)現(xiàn)，電壓為15 V 時能夠形成均勻的電場，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 脈沖電壓對預(yù)孔平均錐度的影響

2.1.2 進給速度對管電極成形預(yù)孔的影響

進給速度對管電極打預(yù)孔有明顯的影響，進給速度過快或過慢都會影響孔的精度和質(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 的進給速度下進行打孔試驗，得到的加工實物見圖4，平均錐度影響見圖5。

圖4 不同的進給速度下管電極加工的預(yù)孔

圖5 進給速度對預(yù)孔平均錐度的影響

由圖4、圖5 可知，進給速度在0.4~0.7 mm/min時， 微孔孔徑與平均錐度呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢， 且在進給速度為0.5 mm/min 時微孔孔徑最小、圓度最好。 當進給速度過低時，電解作用提高、電解時間增加，此時小孔入口處經(jīng)過長時間電解，入口尺寸大于出口尺寸，形成更大的錐度，且長時間的電解作用使小孔表面雜散腐蝕更加嚴重，孔的表面質(zhì)量降低；當進給速度過高時，電解作用相對減弱，管電極會與工件接觸而導(dǎo)致短路，造成工件和實驗設(shè)備的損壞。 試驗發(fā)現(xiàn)，進給速度為0.5 mm/min 時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給速度。

2.1.3 占空比對管電極成形預(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 的占空比下進行打孔試驗，得到平均錐度影響見圖6?？梢?，隨著占空比的增加，孔的錐度呈現(xiàn)先下降后增大的趨勢。 當占空比過小時，在一個周期內(nèi)電解時間降低、電解作用減弱，導(dǎo)致形成的鈍化膜不夠致密，促進了短路現(xiàn)象的產(chǎn)生，進一步導(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；當占空比過大時，在一個周期內(nèi)用于電解時間增加、電解作用增強，致使雜散腐蝕較為嚴重， 影響微孔的表面質(zhì)量且產(chǎn)生較大的錐度。 試驗發(fā)現(xiàn)，在占空比為0.5 時錐度達到最小值，是較為理想的參數(shù)條件。

圖6 占空比對預(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)過大或過小都會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，進給速度為0.5 mm/min，占空比為0.5。

2.2 擴孔正交試驗結(jié)果分析

2.2.1 正交試驗

在超聲輔助電解磨削過程中，多種因素影響加工孔的表面質(zhì)量與錐度，全面試驗勢必增加不必要的工作量，采用正交試驗可有效縮短試驗周期[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、進給速度為主要影響因素，以錐度和表面粗糙度開展正交試驗，從而確定出一組最優(yōu)的加工參數(shù)，為實際加工應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。 表3 是正交試驗所得的結(jié)果，然后分別針對錐度與表面粗糙度進行極差分析。

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結(jié)果間的差異，極差R 的大小反映了各加工因素變化時指標變化幅度，極差越大，說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）＞進給速度（D）。其中，脈沖電壓對加工過程中孔的錐度影響最大，其次是陰極轉(zhuǎn)速，這是因為在超聲輔助電解磨削加工過程中，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。 在加工過程為了得到更好的加工錐度，對于脈沖電壓，應(yīng)選取表4的 A4，其余各水平依次為 B4、C2、D4。 通過正交試驗確定， 各因素對孔的錐度影響最終的最優(yōu)組合是A4C2B4D4。

表3 正交試驗方案及結(jié)果

表4 正交試驗小孔錐度極差分析

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小孔表面粗糙度的極差及各水平主效應(yīng)圖，可知對小孔的表面粗糙度影響程度為：脈沖電壓（A）＞進給速度（D）＞陰極轉(zhuǎn)速（C）＞電解液濃度（B）。 其中，脈沖電壓對小孔的表面質(zhì)量影響最大，這是由于在超聲輔助擴孔磨削過程中， 電解作用居主導(dǎo)地位，電壓大小直接影響蝕除量多少，過大的電壓導(dǎo)致小孔內(nèi)表面發(fā)生強烈的雜散腐蝕，過小的電壓導(dǎo)致金屬的去除量主要依靠磨頭的機械磨削作用，引起孔內(nèi)表面出現(xiàn)刮痕；進給速度的快慢對小孔內(nèi)表面粗糙度影響也較大，過快的進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，較低的進給速度導(dǎo)致電解作用完全形成鈍化膜時還未及時刮除小孔內(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，對于脈沖電壓和進給速度，應(yīng)選取表 5 的A2和D3，其余各水平依次為C2、B3。 通過正交試驗確定，各因素對孔的錐度影響最終的最優(yōu)組合是A2D3C2B3。

表5 正交試驗小孔內(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。可見，對于表面粗糙度的影響，各因素影響程度為：脈沖電壓（A）＞進給速度（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

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），由于對小孔進行單獨的兩個指標極差分析結(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，需要進一步分析。 由極差分析表可知， 當取A2時，小孔錐度比取A4時降低3.57%、表面粗糙度值增加98.94%；當取A4時，小孔內(nèi)表面粗糙度值比取A2時降低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 對小孔內(nèi)表面質(zhì)量的影響排在最后，對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來考慮，故選B4作為電解液濃度；因素陰極轉(zhuǎn)速C 對小孔內(nèi)表面質(zhì)量的影響排在第3 位， 對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；因素進給速度D 對小孔錐度的影響排在最后，對小孔內(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)量這一指標來考慮，故選D3作為進給速度。

所以，優(yōu)選的工藝條件為A4B4C2D3，此時的脈沖電壓為7 V， 電解液質(zhì)量分數(shù)為14%， 陰極轉(zhuǎn)速為12 000 r/min，進給速度為0.7 mm/min。

2.2.6 對比試驗驗證

通過上述得到的最優(yōu)參數(shù)，進行電解磨削精整加工微小孔與有無超聲振動的電解磨削試驗對比，計算兩種情況的錐度與表面粗糙度，得到的結(jié)果見圖9。

圖9 微孔電鏡掃描

采用有無超聲兩種情況下對小孔進行電解磨削并測量，計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，遠小于無超聲的情況，這是由于超聲振動主要是通過空化作用和液相傳質(zhì)效應(yīng)，使加工過程中流場更加穩(wěn)定，極間間隙電解產(chǎn)物及氣泡能夠及時排出；而無超聲的電解磨削在入口表面電解作用增強，電解產(chǎn)物不能及時排出，新的電解液難以及時進入，從而使得電解作用增強，產(chǎn)生二次電解導(dǎo)致嚴重的雜散腐蝕，影響工件的表面質(zhì)量與平均錐度。

3 結(jié)論

通過管電極打孔、超聲輔助電解磨削擴孔兩步實現(xiàn)對GH625 材料的加工，得到以下結(jié)論：

（1）利用單因素方法對GH625 材料進行管電極打孔，分別研究脈沖電壓、進給速度、占空比對管電極打孔的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著進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。 當脈沖電壓為15 V、進給速度為0.5 mm/min、占空比為0.5 時，可獲得最小平均錐度0.043°的微小孔。

（2）利用正交試驗方法研究對超聲輔助電解磨削擴孔的影響，通過極差與方差分析，脈沖電壓對擴孔的表面質(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)量分數(shù)為14%、陰極轉(zhuǎn)速為12 000 r/min、進給速度為0.7 mm/min 時，此時對應(yīng)最小平均錐度為0.036°、 最佳表面粗糙度為Ra0.499 μm。