分散劑在TC4上進行電火花小孔加工的性能

唐浩峰　曹明讓　楊勝強　李文輝　李唯東

太原理工大學，太原，030024

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分散劑在TC4上進行電火花小孔加工的性能

唐浩峰曹明讓楊勝強李文輝李唯東

太原理工大學，太原，030024

摘要：針對在TC4上進行電火花小孔加工時工件材料去除速度低、相對電極損耗大的問題，為使加工高效低耗，嘗試將一定濃度的分散劑聚丙烯酸鈉(PAAS)作為電火花小孔工作液，從加工碎屑狀態、工作液表面張力等方面進行研究，并應用FLUENT軟件對間隙工作液流速進行模擬，分析流場對碎屑的影響。在此基礎上進行加工和穩定性實驗，得到在TC4上進行電火花小孔加工的最佳工作液配比，改進后材料去除速度最大提高97.56%，加工深徑比最大提高了56.94%，研究結果為電火花加工配制合適的工作液提供了參考。

關鍵詞：電火花小孔加工；分散劑;機理;仿真;實驗分析

0引言

鈦合金具有耐腐蝕、強度高、韌性好等特點，已被廣泛應用于航空航天、儀表設備和醫療器械等領域。但鈦合金變形系數小、導熱性差、化學活性大，傳統機械加工時會嚴重損耗刀具，影響加工效率和精度，因此，對其加工時一般使用電火花加工工藝。電火花小孔加工是電火花加工中應用比較廣泛的技術之一，它可以在各種導電材料上加工小孔[1-2]。

航空發動機葉片上有上千個散熱小孔，隨著我國航空事業的快速發展，找到一種高效低耗的小孔加工工藝勢在必行。國內外學者在鈦合金小孔加工方面進行了大量研究。胡輝等[3]通過對電火花加工電參數進行研究，經過參數優化得到了最優加工參數，使鈦合金加工效率和精度得到提高；張云鵬等[4]利用超聲電火花復合的方法對鈦合金進行加工，有效提高了鈦合金的表面質量；戴立[5]提出了提高電火花加工鈦合金放電爆炸力的方法，使加工效率大幅提高；Pradhan等[6]運用田口玄一提出的“田口法”對電火花加工參數進行了優化，得到的電流對相對電極損耗、材料去除率起主要影響作用，使小孔加工質量提高。但對于通過僅改變工作液性質來提高在TC4上的電火花小孔加工，目前所做的研究相對較少。

本文從改變電火花加工工作液性質入手，研究在鈦合金上進行電火花小孔加工時使用一定濃度分散劑聚丙烯酸鈉(PAAS)作為工作液，通過對加工碎屑和工作液表面張力的影響，從而提高電火花加工穩定性，以提高材料去除速度，降低相對電極損耗。

1PAAS在電火花小孔加工中的作用機理

PAAS屬于聚羧酸類阻垢分散劑，為低分子量電解質,具有良好的蟞合性，能與鐵、銅、等多種金屬離子形成穩定的絡合物，能溶解金屬表面的氧化物，具有較好的阻垢效果并具有明顯的溶限效應[8-9]。通常作為冷卻循環水系統中的阻垢劑的結構式如圖1所示，參數見表1。

PAAS在電火花小孔加工中的作用機理可進行以下幾方面分析：

(1)PAAS可與電火花小孔加工后工作液里大量的金屬碎屑形成穩定絡合物，增加其在工作液里的溶解度。同時其在水中電離生成的陰離子具有強烈的吸附性，它會吸附在加工碎屑上，使其表面帶有相同的電荷。由于靜電排斥作用力，這些顆粒就不會聚集，碎屑半徑r大大減小[10-13]。將電火花小孔加工中工作液與碎屑成為一個分散體系，假設碎屑顆粒為球形質點，其受到的重力為

F1=4πr3(ρ-ρ0)g/3

(1)

式中，ρ為碎屑密度；ρ0為工作液密度。

按照Stokes定律，碎屑所受的阻力為

F2=6πηrv

(2)

式中，η為工作液黏度；v為碎屑沉降速度。

同時，碎屑受到的工作液沖力為

F3=pπr2

(3)

其中，p為沖液壓力。當F3=0,F1=F2時,碎屑將懸浮或勻速下降，由式(1)、式(2)得

(4)

由式(4)可見，其他條件相同時，v與r2成正比，碎屑越小，沉降速度越小。

當F3>F1+F2時，工作液中碎屑向孔外排出，由式(1)～式(3)可得

p>10rg(ρ-ρ0)/3

(5)

由表1可見PAAS密度與水接近，且因配置工作液濃度較低，對工作液密度影響較小，故碎屑與工作液密度差的變化忽略不計，由式(5)可見，在工作液壓力p不變的情況下，PAAS工作液更易于加工碎屑的排出，提高電火花小孔加工工作穩定性，特別在加工的底部端面碎屑堆積減少，可提高小孔加工質量。

(2)使用FLUENT軟件對間隙工作液流速進行模擬，假設黃銅電極為中空圓柱體，直徑為1mm，取加工深度為2mm，黃銅電極轉速為120r/min，工作液壓力p為2.0MPa；電火花小孔加工工作液雷諾數為

Re=ρ0viD/μ

(6)

式中，vi為工作液入口流速；D為電極直徑；μ為流體黏度。

工作液入口流速為2m/s,在16 ℃下測得濃度為0.5%的PAAS工作液密度為1007kg/m3，黏度與水近似相同，為1.11kPa·s，經計算工作液雷諾數小于2000為層流狀態，間隙工作液流速模擬見圖2；側隙工作液流速模擬取圖2側隙部分，如圖3所示。

由圖3可見，在電火花小孔加工中電極與工件間隙側隙中間工作液流速較大，靠近電極和工件處工作液流速較小。間隙中碎屑顆粒所受離心力為

Fa=πd3(ρ-ρ0)n2H/6

(7)

式中，d為碎屑直徑；H為碎屑距離電極中心的距離；n為電極轉速。

碎屑所受工作液的摩擦力作用為

Fb=3πdηnr

(8)

(3)液體內部。每個分子會受到鄰近分子各個方向的吸引力(包括排斥力)，故液體內部分子所受合力為零，然而在液體表面的分子總受到向液體內部的拉力作用，即液體的表面張力作用，所有液體都有一定的表面張力。電火花小孔加工時，工作液分別與電極和工件接觸形成液-固膜，隨著工作液排出，界面能發生變化產生黏附功,液-固相表面被拉開。根據特勞貝定則，在稀溶液中，溶液的表面張力相對減小值與濃度成正比，因此，PAAS工作液較原有水工作液表面張力減小，工作液排出所要克服的黏附功減小，在相同工作液沖壓時，使電火花小孔加工工作液更易排出，加工穩定性提高，減小“二次放電”。

(4)由于PAAS在工作中也會電離出鈉離子，用其制備的電火花小孔加工工作液電導率會隨其濃度的增大而增大，嘗試通過工作液電導率的提高使極間距離適當增加，加工碎屑不易在孔底沉聚且更易排出，不易發生“二次放電”，但工作液電導率太大會導致放電空載和“二次放電”概率增大，故工作液中PAAS濃度應控制在一定值內。

2實驗及分析

2.1實驗一

在D703F高速電火花小孔機床上，使用1mm的黃銅管狀電極對2mm的TC4板進行小孔加工，TC4物理參數見表2。沖液壓力為2.0MPa，電極轉速為120r/min，加工電流脈沖寬度選用35μs,電流強度選用6A；分別以不同濃度的PAAS溶液作為電火花小孔加工工作液；小孔深度與擊穿時間的比為加工的材料蝕除速度；單位時間的工具電極損耗長度為電極蝕除速度，電極蝕除速度與材料蝕除速度為相對電極損耗。實驗數據見表3，材料蝕除速度和相對電極損耗與工作液PAAS濃度的關系分別如圖4與圖5所示。

由實驗數據可見，當工作液的PAAS濃度由0增至0.35%時，電火花小孔加工材料蝕除速度隨著其濃度增大而增大，相對電極損耗隨其濃度增加而減小，這是因為碎屑表面吸附的陰離子逐漸增多，碎屑間相互排斥不易團聚使半徑減小，工作液電導率也在此區間內逐漸增大，使得兩級間隙增大，這都有利于碎屑的排出，使加工更加穩定，因此，此區間內電火花小孔加工加工性較好。但工作液的PAAS濃度在0～0.1%區間內時，由于工作液中PAAS濃度相對較小，陰離子不能完全覆蓋碎屑表面，故其加工性能改變量較小。當工作液PAAS濃度為0.35%時，電火花小孔加工材料蝕除速度達到最大值0.81mm/min，較原有水質工作液提高97.56%，相對電極損耗達到最小值15.5%，較原有水質工作液降低38.25%。當PAAS濃度超過0.35%后，由于材料蝕除速度的增大，加工碎屑來不及排出，散熱條件變差，PAAS發生一定程度的碳化現象，加工穩定性降低，同時由于工作液電導率增大，放電空載和“二次放電”概率增加，因此，材料蝕除速度下降，相對電極損耗增加。

2.2實驗二

使用與實驗一相同的實驗條件，選用不同濃度的工作液，在尺寸為25mm×50mm×25mm的TC4塊上進行電火花小孔加工深徑比實驗，加工到無法正常加工時測量小孔深度。實驗結果見表4。

由實驗所得數據可知，當工作液的PAAS濃度由0增至0.35%時，TC4上加工小孔的深徑比隨PAAS濃度增加而增大，與實驗一分析結論相同，在此階段工作液中的PAAS可發揮良好分散性，加工碎屑不易團聚，且工作液電導率的變化使得極間距離變大，這都有利于加工碎屑排出，因此，小孔加工深徑比逐漸增大。當工作液PAAS濃度為0.35%時，加工小孔深徑比達到最大值11.3，較原有水質工作液提高了56.94%。然而隨著工作液PAAS濃度繼續增加，小孔加工深徑比急劇下降，這是因為隨著小孔深度的增加，孔內溫度逐升高，工作液中的PAAS發生碳化形成沉淀，失去對加工碎屑的分散作用，同時工作液電導率超過臨界值使得放電空載和“二次放電”概率增加，這些反而阻礙了電火花小孔的正常加工。當工作液的PAAS濃度達到0.45%時，隨著小孔深度的增大，PAAS碳化現象嚴重，并伴隨煙霧和刺鼻性氣味，加工穩定性較差，加工性能比原有水質工作液差。

2.2實驗三

配置PAAS濃度為0.35%的工作液分別存放10天、30天、60天，其他設定與實驗一相同，進行電火花小孔實驗，實驗數據如圖6所示。

由圖6可見PAAS工作液具有良好的穩定性，長期存放并不會影響其加工性能，故其適合長時間儲藏和運輸，作為電火花小孔加工工作液具有實用性。

3結論

(1)加工TC4時，使用一定濃度的PAAS作為電火花小孔加工工作液，可有效提高材料蝕除速度，降低相對電極損耗。在本文實驗條件下，當PAAS濃度為0.35%時，材料蝕除速度為0.81mm/min、相對電極損耗為15.5%，相比原有水質工作液，材料蝕除速度提高了97.56%，相對電極損耗降低了38.25%。

(2)在本文實驗條件下，當PAAS濃度為0.35%時，小孔加工深徑比為11.3，較原有水質工作液提高了56.94%。

(3)PAAS工作液經過長久放置后仍能發揮良好的加工性能，具有一定的實用前景。

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(編輯陳勇)

DispersantPerformanceonTC4inSmallHoleEDM

TangHaofengCaoMingrangYangShengqiangLiWenhuiLiWeidong

TaiyuanUniversityofTechnology,Taiyuan，030024

Keywords：electricaldischargemachining(EDM);dispersant;mechanism;simulation；experimentalanalysis

Abstract：ThereexistedmanyproblemsinthesmallholeEDMprocesswhichconductedonTC4,andthechipremovalandtherelativelossofelectrodewereespeciallyprominent.Inordertosolvetheproblems,acertainconcentrationofsodiumpolyacrylate(PAAS)wasusedasworkingsolutionofsmallholeEDM.Studiesweredoneonmanywayssuchastheparticlesizeofprocessingscrapandsurfacetensionofworkingliquid,andsimulationanalyseswascompletedabouttheeffectsofflowfieldonprocessingscarpusingsoftwareFLUENT.Experimentswereprocessedonthebasisoftheanalyses,therefore,theoptimalworkingfluidratiosinsmallholeEDMonTC4wasobtained.Aftertheimprovements,themaximummaterialremovalratecanbeincreasedby97.56%,andthedepthtodiameterratioisincreasedby56.94%.TheresearchresultshavereferencevaluesonmakingappropriateworkingliquidinthesmallholeEDM.

收稿日期：2015-04-15

基金項目：國家自然科學基金資助項目(51075294)；山西省自然科學基金資助項目(2014011026-3)；山西省研究生教育創新項目(02100758)

作者簡介：唐浩峰，男，1991年生。太原理工大學機械工程學院碩士研究生。主要研究方向為特種加工。曹明讓，男，1957年生。太原理工大學機械工程學院副教授。楊勝強，男，1964年生。太原理工大學機械工程學院教授、博士研究生導師。李文輝，男,1975年生。太原理工大學機械工程學院教授。李唯東，男，1974年生。太原理工大學機械工程學院講師。

中圖分類號：TH16;TG661

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.02.015