電解線切割加工技術(shù)試驗研究

朱 兵 朱 荻 曾永彬 王少華

南京航空航天大學(xué),南京,210016

0 引言

電解線切割加工技術(shù)是電解加工中金屬陽極電化學(xué)溶解原理和線切割加工形式的結(jié)合。該技術(shù)不但繼承了電解加工的優(yōu)點,而且還有其自身的特點：采用簡單的線電極,結(jié)合二維平面運動,能夠簡單地實現(xiàn)復(fù)雜微結(jié)構(gòu)的加工,不用在加工準(zhǔn)備階段制造復(fù)雜的成形電極,加工準(zhǔn)備時間短,成本低;由于電解線切割的工具電極為線電極,因而更容易加工出普通加工方法很難加工的高深寬比結(jié)構(gòu)。

國內(nèi)外針對電解線切割開展了一系列研究,文獻(xiàn)[1]利用電解線切割加工技術(shù)加工出了微群縫結(jié)構(gòu);文獻(xiàn)[2-4]對電解線切割的加工機理進(jìn)行了研究,并利用該加工方法加工出了一系列縫寬僅為12μm的微結(jié)構(gòu)。

然而,國內(nèi)外開展的相關(guān)研究都是前沿探索性研究,加工的工件厚度大多在100μm左右。本文嘗試用電解線切割的方法在厚度為5mm的不銹鋼(304 SS)工件上加工高深寬比結(jié)構(gòu)。在分析電解線切割加工工藝特點的基礎(chǔ)上,采用軸向沖液的方法,解決了在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)時的排屑問題。通過一系列加工試驗,分析了主要參數(shù)對加工效果的影響;最后采用優(yōu)化的加工參數(shù),以直徑為20μm的電極絲在5mm厚的不銹鋼板上加工出了一系列縫寬為160μm左右、深寬比高達(dá)30的微結(jié)構(gòu)。

1 電解線切割加工原理介紹

電解線切割加工是基于電化學(xué)陽極溶解原理來去除工件材料的。在電解線切割加工中,工件接電源正極,線電極接電源負(fù)極;當(dāng)在工件和線電極上施加一加工電壓后,加工區(qū)域內(nèi)的工件即開始以離子形式溶解;通過運動平臺帶動線電極和工件做相對運動實現(xiàn)零件加工成形,其加工原理如圖1所示。從理論上講,若固定工件的安裝臺和帶動電極絲進(jìn)給的運動平臺能夠進(jìn)行五軸聯(lián)動,則可實現(xiàn)一切直紋面的加工。

圖1 電解線切割原理圖

由電解線切割加工的原理可知,要應(yīng)用該方法在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu),就需要延長電極絲的有效加工部分的長度。然而,僅僅只依靠延長電極絲的有效加工部分的長度,是無法實現(xiàn)在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的。因為隨著不銹鋼板厚度的增加,積聚在狹長加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物(絮狀反應(yīng)產(chǎn)物和氣泡)的排出變得更加困難。如果不能及時地將電解產(chǎn)物從加工間隙中排出,加工間隙中的電解液不能及時更新,就有發(fā)生短路的可能,輕者影響加工穩(wěn)定性和加工質(zhì)量,重者使加工無法繼續(xù)。所以,采用電解線切割方法在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的核心問題,就是如何平穩(wěn)順暢地將電解產(chǎn)物從加工間隙中排除。

在用電解方法加工高深寬比結(jié)構(gòu)時,為解決排屑問題,經(jīng)常采用的方法有旋轉(zhuǎn)電極法和沖液方法。如在加工深小孔時,采用的是旋轉(zhuǎn)螺旋電極法[5]及向空心管狀電極中通高壓電解液的方法[6]。結(jié)合電解線切割加工的特點,用該工藝加工高深寬比結(jié)構(gòu)時選用沖液的方法。因為試驗中采用的電極為線狀且直徑只有20μm,電解液的沖擊易引起電極顫動,從而造成短路。為了盡量減小沖液所引起的電極絲振動,沖液方向只能為電極絲的軸向。

2 沖液電解線切割加工系統(tǒng)

筆者建立了應(yīng)用沖液電解線切割工藝在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的試驗系統(tǒng),其示意圖見圖2。系統(tǒng)由4個部分組成：①電解加工單元;②電解液循環(huán)系統(tǒng);③精密三軸位移臺;④運動伺服控制系統(tǒng)。

2.1 電解加工單元

電解加工單元主要由電極絲、工件、直流電源、電解槽和電解液組成。工件通過夾具固定在電解槽上;電極絲通過夾具連接到運動平臺的主軸上;運動平臺X軸、Y軸的運動帶動電極絲在XY平面內(nèi)向工件做進(jìn)給運動從而實現(xiàn)切割。為了減小雜散腐蝕,獲得好的表面加工質(zhì)量,電解液選擇鈍化電解液NaNO3。

圖2 沖液電解線切割加工系統(tǒng)示意圖

為了沿著電極絲的軸向?qū)庸らg隙進(jìn)行沖刷,排除電解產(chǎn)物,固定電極絲的夾具應(yīng)具有軸向沖液功能。加工要穩(wěn)定進(jìn)行,電極絲的振動應(yīng)盡可能地小,這就要求電極絲盡量張緊。為了方便電極絲的安裝與張緊,沖液夾具設(shè)計為組合式。該夾具主要由三部分組成：夾具基體、導(dǎo)流槽擋塊和端蓋,夾具的三維造型及實物圖見圖3。

圖3 沖液夾具

在設(shè)計的沖液夾具上裝絲的具體過程如下：采用砝碼懸掛法(將電極絲掛上比其所能承受的最大質(zhì)量略小的砝碼,使電極絲獲得最大張緊力后,將其固定)將電極絲纏繞在夾具基體上,然后將夾具組裝成形。

設(shè)計的軸向沖液夾具能對加工間隙進(jìn)行沖刷,及時帶走電解產(chǎn)物,更新電解液;但是,在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)時,由導(dǎo)流槽沖出的電解液并不能持續(xù)穩(wěn)定地充滿整個狹長的加工間隙,為了使加工穩(wěn)定進(jìn)行,作為工具陰極的電極絲有效加工部分和工件必須同時浸入電解液,即浸液加工,沖液排屑。

由圖2可知,電解液由入液口進(jìn)入沖液夾具,流經(jīng)導(dǎo)流槽后沿電極絲的軸向?qū)ぜ碗姌O絲之間的加工區(qū)域進(jìn)行平緩沖刷,使電解產(chǎn)物及時排出并更新電解液,從而使加工區(qū)域中電解液的電導(dǎo)率維持恒定,加工能夠順利進(jìn)行。電解槽中的液面高度由溢液板控制。在不斷向電解槽中沖液的同時,電解槽中的電解液也通過溢液板經(jīng)出液口流回儲液箱,維持電解槽中液面高度并實現(xiàn)整個系統(tǒng)中電解液的循環(huán)。

2.2 電解液循環(huán)系統(tǒng)

電解液循環(huán)系統(tǒng)主要由儲液箱、過濾器、泵、流量調(diào)節(jié)閥、流量計和電解液凈化器組成。流量調(diào)節(jié)閥的作用是控制沖液速度;過濾器主要由致密的過濾網(wǎng)組成,其主要功能是防止電解液中飄浮的細(xì)小的毛發(fā)類雜質(zhì)進(jìn)入沖液管道進(jìn)而纏繞在電極絲上影響加工的穩(wěn)定性;而電解液凈化器是用來去除陽極溶解而產(chǎn)生的Fe(OH)2、Fe(OH)3等絮狀反應(yīng)產(chǎn)物的,維持電解液電導(dǎo)率的恒定,使加工具有好的穩(wěn)定性和一致性。

2.3 精密三軸位移臺及控制系統(tǒng)

為了保證慢速進(jìn)給的精確性和加工的穩(wěn)定性,運動平臺使用的是高精度的位移臺。固定有電極絲的沖液夾具隨著位移臺向靜止的工件做進(jìn)給運動,即線電極的進(jìn)給運動為間歇式進(jìn)給方式。本文采用的運動控制系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理核心是NI公司的PCI-7344多功能運動控制卡,能夠?qū)崿F(xiàn)對NI公司的高精密位移臺X、Y、Z 3個方向加工進(jìn)給的伺服控制,最小可以保證每步0.08μm的進(jìn)給分辨率和2μm的定位精度。在本文的試驗中,位移臺進(jìn)給分辨率設(shè)置為每步0.25μm。

3 工藝試驗及分析

3.1 加工電壓對縫寬的影響

為了研究加工電壓對加工工藝的影響,進(jìn)行了以下一組對比試驗。試驗參數(shù)如下：電解液是質(zhì)量濃度為10g/L的NaNO3溶液;電極絲進(jìn)給速度為0.5μm/s;沖液速度為0.75m/s;線電極是直徑為20μm的鎢絲;工件是厚度為5mm的不銹鋼(304 SS);切割深度為1.5mm。加工電壓分別取9.2V 、10.2V 、11.2V 、12.2V 時,對應(yīng)的切割縫寬大小如圖4所示。

圖4 加工電壓對縫寬的影響

從圖4可知,在其他加工條件不變的情況下,切割縫寬隨著加工電壓的升高而逐漸增大,即切縫的加工精度隨著電壓的升高而減小。在電解加工中,平衡加工間隙為

式中,η為電流效率;ω為金屬體積電化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A?h);UR為電解液的歐姆電壓降,V;σ為電導(dǎo)率,1/(Ω?mm);v為進(jìn)給速度,μm/s。

當(dāng)工件材料、電解液參數(shù)及進(jìn)給速度均保持不變,即 ηωσ/v=C(常數(shù))時,Δb=CU R,加工間隙與加工電壓成正比,切縫加工的電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域隨著電壓的升高而擴(kuò)大。電壓為9.2V時,相對于電極絲0.5μm/s的進(jìn)給速度,加工間隙偏小,反應(yīng)為產(chǎn)物排除變得困難,短路時常發(fā)生,加工不穩(wěn)定;而取11.2V和12.2V的加工電壓時,切割縫寬較大、加工精度變低且雜散腐蝕變大?？紤]到加工過程的穩(wěn)定性和高深寬比的要求,加工電壓取在10.2V左右較為合適。

3.2 電極絲進(jìn)給速度對縫寬的影響

試驗采用10.2V的加工電壓;電解液是質(zhì)量濃度為10g/L的 NaNO3;沖液速度為0.75m/s;線電極是直徑為20μm的鎢絲;工件是厚度為5mm的不銹鋼(304 SS);切割深度為1.5mm。采用不同電極絲進(jìn)給速度對應(yīng)的切割縫寬大小,如圖5所示。

從圖5電解線切割的縫寬隨電極絲進(jìn)給速度變化的曲線可知,電極絲進(jìn)給速度對縫寬的影響較為顯著。這是因為進(jìn)給速度的增加,也就是位移臺單步停留時間縮短,單位時間內(nèi)的蝕除量減小,加工間隙變小。然而,加工間隙并不會隨著進(jìn)給速度的成倍增大而成倍減小,這是因為在固定式陰極電解中,隨著加工的進(jìn)行,加工間隙逐漸增大,工件的蝕除速度隨之減小。

圖5 電極絲進(jìn)給速度對縫寬的影響

電極絲進(jìn)給速度增大,縫寬隨之變窄,沖液排屑變得更加困難,加工的穩(wěn)定性變差。經(jīng)試驗驗證,加工速度取0.5μm/s時試驗成功率更高。

3.3 電解液濃度對縫寬的影響

在加工電壓 10.2V、電極絲進(jìn)給速度0.5μm/s、沖液速度 0.75m/s、線 電極直徑為20μm鎢絲的條件下,分別采用質(zhì)量濃度為10g/L、20g/L、40g/L、50g/L 的 NaNO3溶液 ,對5mm厚的不銹鋼(304 SS)工件進(jìn)行了切割試驗,切割深度為1.5mm,加工結(jié)果如圖6所示。

圖6 電解液質(zhì)量濃度對縫寬的影響

由圖6可知,電解液質(zhì)量濃度是影響電解線切割切縫寬度的又一主要因素。隨著電解液濃度的增大,縫寬明顯增大。由平衡加工間隙公式式(1)知,在工件材料不變,加工電壓和進(jìn)給速度一致的情況下(即 ω、U R、v為常數(shù)),加工間隙隨著 σ升高而增大。電解液質(zhì)量濃度的增大使得溶液中的導(dǎo)電介質(zhì)增多,溶液的電導(dǎo)率σ變大;在相同的加工電壓下,質(zhì)量濃度高的電解液加工電流更大,導(dǎo)致電解腐蝕區(qū)域變大,切縫更寬。然而σ值增大卻使得電解加工的定域性變差,雜散腐蝕變得嚴(yán)重。在保證穩(wěn)定加工和一定加工效率的前提下,為了獲得良好的表面加工質(zhì)量,電解液的質(zhì)量濃度選用10g/L的NaNO3溶液。

3.4 沖液速度對縫寬的影響

沖液是電解線切割加工技術(shù)在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)能夠穩(wěn)定進(jìn)行的關(guān)鍵因素。為了研究沖液速度對加工工藝的影響,進(jìn)行了以下一組對比試驗。試驗參數(shù)：加工電壓為10.2V;電解液是質(zhì)量濃度為50g/L的NaNO3溶液;電極絲的進(jìn)給速度為 0.5μm/s;線電極是直徑為20μm的鎢絲;工件是厚度為5mm的不銹鋼(304 SS);切割深度為1.5mm。采用不同的沖液速度對應(yīng)的切割縫寬大小如圖7所示。

圖7 沖液速度對縫寬的影響

從圖7可知,電解線切割的切縫寬度隨著沖液速度的增大而減小。狹長加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物、微小氫氣泡及電解熱主要靠沖液來排除。沖液速度越慢,加工區(qū)域聚積的電解產(chǎn)物、氫氣泡及電解熱就越多,加工的定域性就越差,切縫就越寬且不均勻。然而,更高的沖液速度必然引起更為劇烈的振動,所以,沖液速度的合理選取必須綜合考慮沖液所引起的振動以及排屑效果對加工穩(wěn)定性的雙重影響。

3.5 電解線切割加工微型花鍵

采用最優(yōu)的參數(shù)組合在5mm厚的不銹鋼板上加工了實際中廣泛應(yīng)用的花鍵結(jié)構(gòu),以初步驗證電解線切割實際加工高深寬比結(jié)構(gòu)的可行性和穩(wěn)定性。將線電極接電源負(fù)極,5mm厚的不銹鋼板(304SS)接電源正極;電源電壓為10.2V;電解液是10g/L的NaNO3溶液;電極絲的進(jìn)給速度為0.5μm/s;沖液速度為0.75m/s。電極絲進(jìn)給的路程為5.57mm,包絡(luò)出的花鍵結(jié)構(gòu)的切縫寬度在160μm左右,其深寬比將近 30,如圖 8所示。在加工進(jìn)行的全過程中沒有一次短路現(xiàn)象出現(xiàn),加工過程穩(wěn)定。

試驗結(jié)果驗證了用電解線切割結(jié)合沖液的方法在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)的可行性。采用不同的加工參數(shù)進(jìn)行試驗后表明,采用最優(yōu)的加工電壓、NaNO3電解液質(zhì)量濃度、電極絲進(jìn)給速度和沖液速度的參數(shù)組合進(jìn)行加工能夠有效地抑制電解加工中的雜散腐蝕,且加工過程穩(wěn)定,加工過程前后的一致性好;一次加工成形的表面質(zhì)量好,粗糙度Ra僅為0.5μm左右,優(yōu)于傳統(tǒng)的切削加工方法和一些熱加工技術(shù)。特別是和昂貴的慢走絲電火花機床相比,用沖液電解線切割方法獲得的加工質(zhì)量的代價是較低廉的,值得繼續(xù)深入研究。

圖8 微型花鍵結(jié)構(gòu)

4 結(jié)論

(1)電解線切割加工厚不銹鋼板時,存在電解產(chǎn)物無法順利排除,加工無法穩(wěn)定進(jìn)行的難題。本文設(shè)計的軸向沖液夾具將軸向沖液的方法引入到了電解線切割中,很好地解決了該難題。

(2)在自制的加工系統(tǒng)中,進(jìn)行了沖液電解線切割加工試驗。通過試驗發(fā)現(xiàn),減小加工電壓、降低電解液濃度、提高電極絲進(jìn)給速度和增加沖液速度都能提高電解加工的定域蝕除能力,使切割縫寬變窄。但縫寬在縮小的同時,電解產(chǎn)物排除變得困難,加工穩(wěn)定性變差。

(3)在5mm厚的不銹鋼板上穩(wěn)定地加工出了花鍵結(jié)構(gòu),該花鍵由縫寬為160μm,深寬比高達(dá)30的窄縫包絡(luò)而成。試驗結(jié)果證明采用電解線切割在厚不銹鋼板上加工高深寬比結(jié)構(gòu)是可行的。本文為電解線切割這一電解加工新方法進(jìn)一步走向?qū)嶋H應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

[1] Kim B H,Na C W,Lee Y S,et al.Micro Electrochemical Machining of 3D Micro Structure Using Dilute Sulfuric Acid[J].Annals of the CIRP,2005,54(1)：191-194.

[2] 王昆,朱荻,張朝陽.微細(xì)電解線切割加工的基礎(chǔ)研究[J].中國機械工程,2007,18(7)：833-837.

[3] Zhu D,Wang K,Qu N S.Micro Wire Electrochemical Cutting by Using In Situ Fabricated Wire Electrode[J].Annals of the CIRP,2007,56(1)：241-244.

[4] 王少華,朱荻,曲寧松,等.微細(xì)縫結(jié)構(gòu)電解加工研究[J].中國機械工程,2009,20(8)：965-970.

[5] 王明環(huán),朱荻,徐惠宇.微螺旋電極在改善微細(xì)電解加工性能中的應(yīng)用[J].機械科學(xué)與技術(shù),2006,25(3)：348-351.

[6] Wang W,Zhu D,Qu N S,et al.Effect of Electrode Insulation Thickness on Size Accuracy of Bored Hole in ECD Process[C]//9th International Conference on Process of Machining Technology Switzerland.2009,407/408：667-671.