網狀電極在高溫鎳基合金電解加工中的應用研究

王正蘭，徐 成,，傅香如，王 津，韓福柱

（1.清華大學 機械工程系，北京 100084；2.工程兵學院，徐州 221004）

0 引言

電解加工由于加工范圍廣、加工效率高、無電極損耗、無表面再鑄層等優點，在航空航高溫合金加工領域有著重要應用[1,2]。在電解加工過程中，會產生大量加工屑與氣泡，如不及時排除，會導致電極工件之間發生短路，嚴重影響加工質量和效率。傳統電解加工一般采用強制沖液方式更新電解液，即設計專門流道，通過高壓泵強制電解液在流道內循環，用來排除加工屑與氣泡，更新間隙內電解液、改善極間加工環境。然而此種強制沖液方式需要針對不同形狀的工件設計不同形狀的沖液裝置，準備時間長，普適性差[3]。因此，本文提出了一種采用網狀電極代替實體電極進行電解加工的方法，通過電極上的網孔增強排屑，同時配合電極抬刀和搖動，實現了無強制沖液裝置，只需普通噴頭在加工區域進行外部沖液條件下的穩定加工，具有較強的普適性。

1 實驗平臺簡介

本電解加工實驗平臺是在蘇州三光科技股份有限公司生產的W30型精密數控電火花成形機床基礎上，添加電解液循環系統及脈沖電源系統而成。電極能實現抬刀、搖動等復雜精密運動；脈沖電源系統最大電流100A，能實現電壓0～20V、頻率0～10KHz、占空比0～100%連續可調；電解液循環系統采用JET高壓泵，入口壓強可達0.5MP，搭配節流閥調節壓力。整個實驗平臺如圖1所示。

2 可行性實驗

圖1 電解加工實驗平臺

本文提出采用網狀電極代替實體電極進行電解加工實驗，希望通過電極上的網孔增強排屑和電解液更新，從而實現在不強制充液條件下的電解加工。通過設計電極勻速進給實驗、電極抬刀、電極抬刀結合搖動等實驗，探索出了一種適合網狀電極穩定加工的方法。

2.1 電極勻速進給實驗

網狀電極材料為304不銹鋼，厚度0.5mm，孔徑1mm，孔間距1.5mm，直徑15mm；工件為GH4169高溫鎳基合金，厚度100mm，如圖2所示。沖液泵入口壓力為0.45MPa，通過兩根噴液管引入加工區域，電解液為質量濃度10%的硝酸鈉。

圖2 網狀電極與工件

實驗采用的主要加工參數如表1所示。

表1 主要實驗參數

實驗現象及分析：通電開始加工時，氣泡和加工屑被沖散至加工區域四周。當加工至工件表面以下0.3mm處時，開始出現短路現象。由于此時極間間隙較小，只靠外部沖液難以有效去除加工間隙內的氣泡和加工屑，無法保證間隙內電解液及時更新，導致工件蝕除速度低于電極進給速度，最終發生短路。加工結果如圖3所示。

圖3 勻速進給加工結果

圖4 電極抬刀示意圖

2.2 電極抬刀實驗

網狀電極勻速進給時只靠外部沖液無法及時更新電解液，因此考慮加入電極抬刀，如圖4所示。電極首先勻速進給，加工一段時間后向上運動至設定最高點，再向下運動至抬刀起始點，進入下一循環。當電極抬刀時，電極與工件之間的間隙增大，此時沖液效果相對于勻速進給時更徹底。

采用與實驗2.1同樣的電源參數，將勻速進給改為電極抬刀運動，具體抬刀參數如表2所示。

表2 主要實驗參數

實驗現象及分析：電極向上抬刀時，極間間隙增大，沖液效果較好；電極向下抬刀時，對間隙內電解液進行擠壓，混合著加工屑的電解液從網孔中被擠壓排出，改善了極間加工環境，在加工至工件表面以下約0.5mm之前，加工一直較為穩定。但是在加工深度超過0.5mm以后，開始頻繁出現短路現象，停止加工進行觀察，可以發現，工件表面有與電極網孔相對應的凸起，其阻礙了電解液從網孔中的流動和排屑，導致排屑不暢，電解液更新受阻，從而發生短路。加工結果如圖5所示。

圖5 電極抬刀加工結果

圖6 電極圓心運動軌跡

2.3 電極抬刀結合搖動實驗

為解決抬刀加工時工件表面殘留凸起的問題，在電極抬刀的基礎上加入了電極搖動，希望電極在平面內的運動使得電極實體部分將凸起抹平。電極搖動即電極在向下勻速進給的同時，在與進給方向垂直的平面內做圓周搖動，電極圓心在平面內的運動軌跡如圖6所示，加工開始時由O運動至O1（OO1為搖動半徑），之后進行圓周運動。

實驗采用電極搖動半徑為500μ m，搖動周期為35秒，具體參數如表3所示。

表3 主要實驗參數

實驗現象及分析：加入電極搖動之后，整個加工過程一直比較穩定，加工深度為3mm時，仍然可以穩定加工。可以看出，當加入電極搖動時，網狀電極實體部分可以有效抹平電極網孔對應的凸起，此時在抬刀和外部沖液的共同作用下，加工屑可以通過網孔被順利帶出，保證了加工間隙內電解液及時更新，從而維持加工穩定進行。加工結果圖7所示。

圖7 抬刀搖動實驗結果

通過以上三組實驗可以看出，網狀電極在抬刀、搖動、外部沖液的共同作用下，能夠實現外部沖液（非強制沖液）條件下氣泡、加工屑的排出以及電解液的更新，從而保證加工穩定進行。

3 搖動半徑對于加工表面粗糙度的影響

采用網狀電極進行加工時，搖動半徑選取不當，會導致工件表面上會有殘留凸起。搖動半徑過小時，可能無法將凸起抹平，導致表面粗糙度差甚至無法穩定加工；搖動半徑過大時，則有可能會減小加工效率。因此，有必要研究搖動半徑與底面粗糙度的關系，從而確定適合于不同網孔的最佳搖動半徑。本文首先進行了孔徑1.0mm的網狀電極，加工深度1mm，搖動半徑分別為300μ m、400μ m、500μ m、600μ m、700μ m的實驗，研究了不同搖動半徑對底面粗糙度的影響。圖8為表面粗糙度隨搖動半徑的變化曲線。

圖8 表面粗糙度隨搖動半徑變化曲線

實驗結果表明，當搖動半徑為300μm時，加工穩定性差，不能進行深度加工。當搖動半徑為孔徑的一半，即500μm時，工件表面粗糙度Ra值為0.889μm，當搖動半徑減小至400μm時，表面粗糙度Ra值為1.365μm；當搖動半徑逐漸增大，分別為600μm、700μm時，表面粗糙度Ra值分別為1.056μ m、1.140μ m。

分析原因為：當搖動半徑小于500μm時，在雜散腐蝕的作用下，工件凸起部分仍能被蝕除，工件表面仍能被抹平，但效果稍差，且當搖動半徑過小時，不能完全抹平凸起，導致加工不穩定；當搖動半徑大于500μm時，表面粗糙度Ra值增大，是因為當搖動半徑增大時，搖動角速度減慢，加工結束之前的一個搖動周期內，實體電極部分在工件表面停留時間相對較長，工件蝕除量較多，從而導致表面粗糙度Ra值增大。

孔徑為0.8mm、0.5mm時，搖動半徑與底面粗糙度的變化規律與孔徑1.0mm一致，即搖動半徑為孔徑值一半時，表面粗糙度Ra值最小，此處不再贅述。

4 網狀電極加工實驗

4.1 大面積加工實驗

可行性實驗中采用的電極面積相對較小，直徑皆為15mm。實際應用中，所需加工的面積往往較大，例如，部分渦輪葉片的尺寸約為28mm×15mm×15mm，因此，為驗證本文提出的加工方法能否滿足實際加工需要，本文設計了大面積加工實驗，驗證在使用網狀電極進行大面積加工時的可行性。電極如圖9所示。

圖9 直徑分別為25mm、20mm、15mm網狀電極

三種面積下的加工結果對比如圖10所示，加工深度皆為1mm。實驗表明，三種直徑的網狀電極都能夠實現穩定加工，只是隨著加工面積增大，加工電流增大較快。因此，在大面積加工時，應配合輔助散熱，以保證加工過程中溫度恒定，提高加工的安全性和可重復性。

圖10 大面積加工實驗結果

圖11 曲面電極

4.2 曲面電極加工實驗

可行性和大面積加工實驗中采用的都是平面電極，而曲面加工在實際應用中尤其常見，以渦輪葉片為例，葉片加工表面在各個方向都有曲率[4]。為此，本文設計了曲面網狀電極加工實驗，探討采用網狀電極進行曲面加工時的可行性及其應該注意的問題。電極如圖11所示，側面是在直徑為80mm的圓周上截取的一段弦長為25mm的圓弧，弦長與弧頂點之間的距離為2mm，孔徑為0.8mm，孔間距為1.5mm，進給速度為0.05mm/min，工件寬度為15mm，長度為25mm，加工深度為2mm。

實驗表明，整個加工過程十分穩定，隨著加工進行，工件與電極對應面積不斷增大，電流相應增加，當加工深度為2mm時，工件與電極形狀基本吻合，此時加工電流保持在43A左右。加工結果如圖12所示。可以看出，加工工件的側面形狀與電極基本吻合，但是工件左右兩頭表面有殘留凸起，中間部分凸起不明顯。此凸起是由于工件表面與平面有夾角，電極做平面搖動時無法將曲面上的凸起完全抹平，且弧面與搖動平面夾角越大，殘留凸起越明顯。此凸起可以通過采用實體電極精修，或者采用同樣形狀的網狀電極錯位加工的方法進行修正。因此可以看出，配合以適當的后續處理工藝，網狀電極能夠用于進行曲面加工。

圖12 曲面電極加工結果

5 結束語

本文提出了采用網狀電極代替實體電極進行加工的方法，通過設計電極勻速進給、抬刀和搖動等實驗，得出了適用于網狀電極的穩定加工方法，即采用電極抬刀加搖動同時結合外部沖液的方法。在此基礎上，研究了搖動半徑與加工表面粗糙度的關系，即最佳搖動半徑為所使用網狀電極孔徑的一半。之后進行了大面積實驗和曲面電極加工實驗，結果表明，配合以適當的條件和工藝，網狀電極能夠用來進行大面積和曲面加工。

本文實驗中網狀電極電解加工深度普遍不大，基本為2mm～3mm，此深度對于大部分實際應用場合已經足夠。因為在電解加工型面之前，一般會進行粗加工，只留有2mm以內的加工余量，所以盡管本文提出的網狀電極加工方法深度不大，但仍然能夠滿足實際應用。如需加工更大深度，可以考慮將電極做成封閉型，而非本實驗采用的開放式電極，從電極內部進行沖液，可以進一步改善沖液的均勻性，增加加工深度，改善加工效果。

[1] Westley J A, Atkinson J, Duff i eld A.Generic aspects of tool design electrochemical machining[J].Journal of Materials Processing Technology,2004,149(1):348-392.

[2] 錢密,徐家文.數控展成電解加工的陰極結構及流暢研究[J].航空精密制造技術,2003(2):14-18.

[3] 徐成,王津,等.基于抬刀和外部沖液的高溫鎳基合金電解加工實驗研究[J].電加工與模具,2014(4):28-32.

[4] 萬能,杜珂,等.葉片類復雜型面電解加工的等幾何數值分析方法研究[J].制造業自動化,2014,10.