冰層輔助對電火花-電解復合穿孔的影響

丁飛， 徐正揚， 王豐， 張彥

南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016

冰層輔助對電火花-電解復合穿孔的影響

丁飛， 徐正揚*， 王豐， 張彥

南京航空航天大學 機電學院， 南京 210016

電火花-電解復合穿孔(ECDD)加工方法有望實現難加工材料渦輪葉片氣膜冷卻孔無重鑄層高效加工，為了進一步提升小孔孔壁的加工質量，提出了在工件底部填充冰層的電火花-電解復合穿孔加工新方法。分析了冰層輔助對復合加工過程中兩極之間電流電壓的波形、復合穿孔的加工效率、小孔的出入口孔徑、孔壁重鑄層去除等的影響，進行了冰層輔助與無冰層輔助電火花-電解復合穿孔對比試驗。試驗表明：冰層輔助加工可以在小孔穿透之后形成充分的反向沖液，有效地解決小孔穿透之后的漏液問題。在增加底部停頓時間的基礎上，即小孔穿透后管電極到達預設深度繼續停留一段時間，延長管電極對孔壁的電解作用時間，可以顯著提高重鑄層的去除效果，有望實現小孔整個孔壁重鑄層的完全去除。

冰層輔助； 電火花-電解復合穿孔(ECDD)； 波形； 加工效率； 重鑄層

隨著航空工業的發展，航空發動機關鍵零部件上出現了大量微小孔結構，這些孔的孔徑一般在0.2～0.8 mm之間[1]，由于航空發動機關鍵零部件的材料一般為高強度、高硬度的難加工材料，如高溫合金、鈦合金、金屬間化合物等，而且這些微小孔還要求加工表面無重鑄層、無微裂紋、無熱影響區等，所以傳統的加工方法，如機械鉆孔、機械沖孔等經常難以滿足要求[2]，特種加工技術是這些小孔有效的加工方法，比如電火花高速穿孔加工[3]、電解射流加工[4-5]、激光穿孔加工[6]等，激光穿孔和電火花高速穿孔加工可以在保證高效率的情況下，加工出符合尺寸要求的微小孔，但由于激光和電火花穿孔加工均通過高熱去除材料，導致孔壁產生重鑄層、微裂紋及熱影響區，將會對航空發動機的疲勞壽命等產生影響。電解射流加工雖然不會產生重鑄層、微裂紋和熱影響區，但玻璃毛細管易碎、難夾持，且多采用酸性溶液，同時其加工效率較慢，在未來批量生產方面存在問題。為了適應諸如航空發動機渦輪葉片氣膜冷卻孔高效無重鑄層的加工要求，有必要嘗試新的加工方式。

由于電火花加工和電解加工具備各自優勢，各國研究者嘗試將兩者組合或者復合起來用于材料的加工，例如日本東京大學Masuzawa等在低電導率的水中進行電火花-電解組合加工，在電導率為0.6 MΩ的水中對電火花加工后的表面進行電解加工，溶解電火花加工表面的重鑄層和熱影響區等[7-8]。韓國首爾大學Chung等提出了以去離子水為溶液的微小孔電火花-電解組合加工方法，先采用RC回路電源進行電火花穿孔加工，后將回路中的電容移除，對孔壁進行電解光整加工，可以將孔壁的粗糙度從電火花加工后的0.225 μm減小到0.066 μm[9]。Yan等進行了電火花-電化學拋光組合制孔研究，利用電化學溶解作用對電火花加工后的孔壁進行拋光加工，去除孔壁的毛刺、重鑄層等缺陷，減小小孔的錐度及孔壁的粗糙度[10]。

新加坡國立大學的Nguyen等利用低電阻率的去離子水，進行微細電火花-電解復合加工微小孔，在脈沖電源頻率500 kHz，占空比30%，進給速度0.2 μm/s的參數條件下，可以加工出直徑100 μm左右的微孔，且孔型較好，孔壁較光整[11-12]，但這是一種利用棒狀工具電極進行的微細電火花-電解加工方法，不考慮加工效率，也并不針對重鑄層去除，因此無法適應大批量氣膜冷卻孔的高效加工需求。

南京航空航天大學徐正揚等提出了利用低電導率的中性溶液，進行電火花-電解復合加工微小孔，電火花加工與電解加工同步進行，加工效率接近電火花加工的效率，且已可去除孔壁上大部分重鑄層[13-14]，但是由于小孔穿透之后溶液流失，造成加工間隙中缺少溶液，導致出口處電解作用不充分，可能會在出口處形成重鑄層的殘留。

針對上述情況，本文提出了冰層輔助電火花-電解復合穿孔加工的新方法，目的在于找到一種解決小孔穿透后反向沖液問題并適合用于復雜結構渦輪葉片氣膜冷卻孔的加工方法。增加冰層輔助后，小孔穿透之后溶液會沖擊到冰層上，然后沿孔壁向上形成反向沖液繼續對孔壁進行電解作用，從而可以實現整個孔壁重鑄層的去除。相較于其他可能的背襯方法，冰層輔助加工在小孔穿透后，較高溫度的溶液會將底部局部冰層融化，冰層不會對管電極繼續進給形成阻礙，即管電極不會因為頂到底部冰層而彎曲，由于水的流動性能較好，可以填充到內部結構復雜的發動機渦輪葉片中，且冰層易于制備、去除和控制，對環境沒有污染，因此冰層輔助電火花-電解復合穿孔加工有望成為大批量氣膜冷卻孔高效加工的有效方法。

1 冰層輔助電火花-電解復合穿孔

如圖1所示，電火花-電解復合穿孔(Electrochemical Discharge Drilling, ECDD)是在電解液中同時進行電火花加工和電解加工，初始階段，管電極與工件電極之間的端面間隙和側邊間隙都大于電火花放電間隙，此時管電極對工件電極主要產生電解溶解作用，隨著管電極向工件電極進給，端面間隙減小到電火花的放電間隙，此時端面主要發生電火花蝕除作用，也同步伴隨著電解作用。穿孔過程中，在間隙較小的端面以放電作用去除材料為主，隨著側壁間隙的增大，放電作用逐漸減弱或消失，側壁材料去除主要依賴于電解作用，理論上可以通過側壁的電解作用同步去除電火花加工產生的重鑄層[13-15]。

無冰層輔助電火花-電解復合穿孔加工可以分為3個過程，第1個過程為小孔穿透之前，如圖2(a)所示，此時管電極中的高壓溶液沖擊到孔的底部，并迅速從管電極與孔壁之間的間隙中向上沖出，形成反向沖液對孔壁進行電解作用。第2個過程為小孔穿透瞬間，如圖2(b)所示，此時工件剛被穿透，但管電極還沒有伸出工件外，管電極中的高壓溶液一部分從穿透的小孔中漏出，一部分沿管電極與孔壁之間的間隙向上形成反向沖液，但此時反向沖液不夠充足和穩定。第3個過程為小孔穿透之后，如圖2(c)所示，此時工件已經被完全穿透，管電極完全伸出工件外，管電極中的高壓溶液完全漏掉，管電極與孔壁之間無溶液[16]。

圖1 電火花-電解復合穿孔加工原理 Fig.1 Machining mechanism of ECDD

圖2 無冰層輔助加工過程流場 Fig.2 Flow field during machining process without aided ice layer

因此，無冰層輔助加工時，孔壁大部分重鑄層可以通過電解作用去除，但小孔穿透瞬間和穿透之后都會造成管電極與孔壁之間溶液不足，即缺液現象，這種缺液現象會造成加工間隙中加工產物排出不充分，導致側壁產生二次放電，因此可能會造成孔壁重鑄層的殘留以及形成收縮形的小孔出口端形狀。

為了解決小孔穿透瞬間及穿透之后漏液問題，提高穿透后反向沖液效果，從而提高電火花-電解復合穿孔加工小孔出口重鑄層去除效果，同時考慮到航空發動機渦輪葉片內部復雜的結構，本文提出了冰層輔助電火花-電解復合穿孔的新方法，其基本方法如下：加工前，在工件底部儲存一定量的水，加工時利用液氮對水進行快速降溫，使得水在工件底部迅速結冰，工件底部的冰起到底部反襯的作用。小孔穿透瞬間以及穿透之后，如圖3所示，管電極中的高壓溶液沖擊到工件底部的冰層表面形成反向沖液，對孔壁特別是出口處進行持續電解作用，溶解電火花加工過程中產生的重鑄層，直到加工結束[17]。

圖3 冰層輔助小孔穿透后流場 Fig.3 Flow field after penetration with aided ice layer

2 試驗方案

2.1 試驗裝置

采用電火花-電解復合加工機床作為試驗平臺，試驗采用黃銅管電極作為工具電極，通過機床的高壓泵供液系統，將溶液從管電極中噴出。如圖4、圖5所示，設計了一個空心的金屬工作臺，工件通過夾具固定在空心工作臺上，夾具設計成槽形，可以儲存少量的水，加工之前向槽形夾具中,即工件底部加入少量水，空心工作臺內部通液氮，通過熱傳導對槽形夾具和工件降溫，使得夾具中的水在工件底部迅速結冰，工件底部的冰起到一個底部反襯的作用。加工過程中，對空心工作臺持續通液氮，使底部保持結冰狀態，直到加工結束。

圖4 液氮制冰設備原理 Fig.4 Principle of equipment for making ice with liquid nitrogen

圖5 液氮制冰設備 Fig.5 Equipment for making ice layer with liquid nitrogen

2.2 試驗方法

試驗采用外徑為0.3 mm的黃銅管電極作為工具電極，采用定向凝固鎳基高溫合金DZ125L作為試驗的工件材料，主要試驗參數見表1。試驗過程中利用波形記錄儀對工具電極與工件電極之間的電流、電壓進行監測。

表1 電火花-電解復合穿孔主要試驗參數Table 1 Main experimental parameters for ECDD

3 試驗結果與討論

3.1 冰層輔助對加工過程中兩極之間電壓、電流波形的影響

利用記錄儀對加工過程中管電極與工件電極之間的電壓、電流進行監測并記錄，圖6(a)、圖6(b)分別為無冰層輔助和有冰層輔助整個加工過程的電流、電壓波形，圖7為電火花-電解復合穿孔過程電壓、電流波形局部圖。分析發現2種加工情況下的波形有很多異同之處，有、無冰層輔助加工過程都有相似的加工過程，當兩極之間某些區域未達到放電條件時，主要發生電解溶解作用，波形如圖7最左端所示，當兩極之間某些區域達到放電條件時，主要發生電火花蝕除作用，波形如圖7最右端所示，當兩極之間由于加工間隙中排屑不通暢或者管電極進給過快，導致兩極之間發生短路，則波形如圖7中間段所示。此外，從圖6(a)、圖6(b)可以看到，2種加工情況下小孔穿透瞬間電壓都會不同程度地升高，但是從圖6(a)可以看出，無冰層輔助加工小孔穿透后仍有電火花放電的波形，而冰層輔助加工時，從圖6(b)可以看出，小孔穿透之后是電化學溶解效應的鋸齒形波形。

圖6 有、無冰層輔助穿孔過程電壓、電流波形 Fig.6 Waveforms of voltage and current during drilling process with and without aided ice layer

圖7 電火花-電解復合穿孔局部波形 Fig.7 Local waveforms of ECDD

原因分析如下：有、無冰層輔助2種加工情況下，小孔穿透之前電解加工面為孔壁與孔底部端面，小孔穿透之后，底部端面突然消失，造成電解加工的加工面積突然減小，兩極之間的電壓突然增大電流減小。無冰層輔助加工時，小孔穿透之后溶液從孔的出口漏出，造成管電極與孔壁之間無溶液，即缺液現象，這種缺液現象會造成加工間隙中尚存的加工產物排出不充分，從而造成管電極與工件之間的二次放電。而冰層輔助加工時，小孔穿透之后溶液沖擊到輔助冰層上形成沿孔壁向上的反向沖液，管電極對孔壁進行電解作用。

通過統計整個加工過程中電解效應的電壓峰值和電流峰值，每隔0.5 s取一個值，分別繪制如圖8所示的電解電流、電解電壓隨時間變化的折線圖，可以看到隨著加工的進行，2種情況下的電流峰值都會上升，電壓峰值都會下降，這是因為隨著穿孔深度的增加，加工過程的排屑難度也增加，側壁間隙中的產物濃度增加，導致管電極與工件電極之間的電阻減小，所以電解電壓減小，而電流增大。另一方面，加工過程中電火花放電會產生大量的熱量，造成工件的溫度升高，加工間隙中的溶液溫度也隨之升高，溶液的電導率升高，電解電壓也會降低，電流也會增大。此外，冰層輔助加工時的電解電流峰值一直高于無冰層輔助加工，而電壓峰值一直低于無冰層輔助加工，這是因為冰層輔助加工時，工件溫度比無冰層輔助時要低得多，低溫的工件導致加工間隙中的溶液溫度也相對較低，溶液的電導率降低，電火花的放電間隙顯著變小，即電解的加工間隙也顯著變小[18]，雖然兩極之間溶液的電導率降低會導致溶液電阻值一定程度增大，但兩極之間總的電阻值會變小，因此冰層輔助加工時的電解電流會較大，電壓會較小。

圖8 有、無冰層輔助電火花-電解復合穿孔電解電流、電壓峰值對比 Fig.8 Comparison of peak current and voltage for electrochemical process between ECDD with and without aided ice layer

3.2 冰層輔助對穿孔加工效率的影響

根據加工過程中記錄的電壓波形，將整個加工過程分為穿透之前和穿透之后，穿透之前即為穿孔過程，分別統計有、無冰層輔助2種加工情況下穿孔過程的時間，得到冰層輔助加工穿孔時間大約為6.5 s，而無冰層輔助加工時穿孔時間大約為5.8 s，因此冰層輔助加工比無冰層輔助穿孔加工過程慢了大約0.7 s。

討論冰層輔助對電火花-電解復合穿孔加工效率的影響，電火花的加工效率主要與單個脈沖的蝕除量、放電頻率等因素有關，單個脈沖的蝕除量與單個脈沖的放電能量和金屬材料的熱學常數有關，單個脈沖的放電能量取決于兩極之間的放電電壓、峰值電流和放電持續時間，有、無冰層輔助2種加工情況下單個脈沖的放電持續時間相同，冰層輔助加工時單個脈沖放電電壓略低，而峰值電流略高，因此冰層輔助加工時單個脈沖的放電能量略高。另一方面，當脈沖放電能量相同時，金屬的熔點、沸點、比熱容、熔化熱、汽化熱越高，電蝕量越小，加工效率越低；導熱系數越大的金屬，由于更容易將瞬間產生的熱量傳導到其他部位，所以會降低金屬本身的蝕除量，降低加工效率。兩種情況下，工件材料的熔點、沸點、比熱容、熔化熱、汽化熱都相同，由于導熱系數與金屬材料的溫度有關，一般情況下，溫度越低，金屬的導熱系數越高[19-20]，無冰層輔助加工時，工件的溫度會上升到50 ℃左右，而冰層輔助加工時工件的溫度會降到-50 ℃左右，兩種情況下工件溫度差值較大，所以冰層輔助時工件的導熱系數比無冰層輔助時要大，單個脈沖的蝕除量可能會顯著降低，雖然冰層輔助加工時單個脈沖的放電能量略高，但綜合分析，冰層輔助加工時單個脈沖的蝕除量比無冰層輔助加工時小，因此冰層輔助加工時效率降低。

3.3 冰層輔助對出入口孔徑的影響

利用徠卡顯微鏡分別對冰層輔助與無冰層輔助加工出的小孔進行出入口孔徑測量，記錄并分析孔徑數據，得到冰層輔助加工出的小孔平均入口直徑為472 μm，平均出口直徑為390 μm，而無冰層輔助加工出的小孔平均入口直徑為451 μm，平均出口直徑為366 μm，孔徑對比如圖9所示。

可以發現，相同加工參數下，冰層輔助后小孔的出入口直徑都比無冰層輔助加工的要大，且如圖10(a)所示，冰層輔助后小孔出口處有明顯的雜散腐蝕，而如圖10(b)所示，無冰層輔助后的小孔出口處幾乎沒有雜散腐蝕。原因分析如下：加工過程中同時存在著電火花和電解2種加工形式，加工間隙中只要有溶液，管電極對孔壁及出入口處就有電解作用，無冰層輔助加工時，小孔穿透之前加工間隙中一直有反向沖液，入口處一直有電解作用，小孔穿透之后，即小孔穿透瞬間到管電極到達預設深度過程中，由于存在缺液現象，管電極不能對孔壁及出入口進行電解作用，因此小孔出入口孔徑較小且出口處幾乎沒有雜散腐蝕。

圖9 有、無冰層輔助小孔出、入口孔徑對比 Fig.9 Comparison of diameters for exit and entrance between holes with and without aided ice layer

圖10 有、無冰層輔助小孔出、入口形貌對比 Fig.10 Comparison of morphology for exit and entrance between holes with and without aided ice layer

冰層輔助加工時，穿透之前，加工間隙一直有反向沖液，入口處一直有電解作用，小孔穿透之后，加工間隙中依然有反向沖液，管電極對入口和出口處依然有電解作用，即延長了管電極對出口及入口處的電解作用時間，因此小孔的出入口孔徑較大且出口處有明顯的雜散腐蝕。

3.4 冰層輔助對孔壁重鑄層去除的影響

電火花-電解復合加工時，電火花加工是通過高溫蝕除材料，加工過程中熔融的加工產物遇到溶液會冷卻附著在孔壁上，形成重鑄層，但是由于電解作用的存在，孔壁上產生的重鑄層會被電解作用溶解掉，如果電解作用較弱或者電解時間不夠，孔壁可能會出現重鑄層的殘留。

無冰層輔助加工時，小孔穿透之前加工間隙中一直有反向沖液，管電極對孔壁進行電解作用，去除電火花加工產生的重鑄層，因此孔壁的上部和中部一般都無重鑄層殘留。小孔穿透之后，由于加工間隙中的缺液現象，即使設置底部停頓時間，即小孔穿透后管電極達到預設深度繼續停留一段時間，也不能形成有效的反向沖液，因此出口處的重鑄層無法通過電解作用去除，同時在側邊間隙中尚存的加工產物不能及時充分的排出，造成管電極對孔壁產生二次放電，放電產生的高溫熔融產物會冷卻附著在孔壁上形成新的重鑄層，這些重鑄層由于沒有電解作用會殘留在孔壁上，一般會出現在孔壁的底部。如圖11、圖12(a)所示，孔壁上部和中部都無重鑄層殘留，底部孔壁有重鑄層殘留。

圖11 無冰層輔助小孔剖面形貌 Fig.11 Cross-sectional image of holes without aided ice layer

冰層輔助加工時，小孔穿透之后仍會形成充足的反向沖液，所以小孔出口處的重鑄層去除比無冰層輔助加工時充分，而且通過設置底部停頓時間，延長管電極對孔壁的電解時間，則可以進一步提升重鑄層的去除效果，圖12(b)、圖13是底部停頓4 s時加工出的小孔剖面圖，可以發現孔壁上、中、下部重鑄層殘留都明顯減少。

綜上，無冰層輔助加工時，小孔的上部和中部孔壁無重鑄層殘留，底部會出現重鑄層的殘留，冰層輔助加工在增加底部停頓時間的情況下，可以顯著提高重鑄層的去除效果，有望實現小孔整個孔壁重鑄層的完全去除。

圖12 無、有冰層輔助小孔孔壁重鑄層去除效果對比 Fig.12 Comparison of effect of removal of recast layer on hole walls between holes without and with aided ice layer

圖13 冰層輔助小孔剖面形貌 Fig.13 Cross-sectional morphology of holes with aided ice layer

4 結 論

1) 提出了冰層輔助電火花-電解復合穿孔加工的方法，通過在工件底部填充冰層解決了電火花-電解復合穿孔加工小孔穿透之后的漏液問題，提升了重鑄層去除效果，從而提高小孔的加工質量。設計了輔助冰層的制備裝置，搭建了冰層輔助電火花-電解穿孔加工試驗平臺，并進行了有、無冰層輔助電火花-電解復合穿孔加工的對比試驗。

2) 試驗結果表明，冰層輔助加工小孔穿透后，管電極中的高壓溶液沖擊到冰層上可以形成沿孔壁向上的反向沖液，有效的解決了小孔穿透之后的漏液問題，在設置4 s的底部停頓時間的基礎上，即延長管電極對孔壁的電解時間，可以獲得較好的重鑄層去除效果，有望實現小孔整個孔壁的重鑄層完全去除。

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(責任編輯： 李世秋)

URL：www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161019.1313.004.html

Effectsofaidedicelayeronelectrochemicaldischargedrilling

DINGFei,XUZhengyang*,WANGFeng,ZHANGYan

CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China

Theprocessingmethodofelectrochemicaldischargedrilling(ECDD)isexpectedtoachievehighefficiencymachiningofthedifficult-to-machinematerialoffilmcoolingholeswithoutrecastlayeronturbineblade.Inordertofurtherimprovethemachiningqualityofholewalls,anewprocessingmethodofECDDwithicelayerfilledatthebottomoftheworkpieceisproposed.Theeffectsoficelayeroncurrentandvoltagewaveformbetweentoolelectrodeandworkpieceelectrode,machiningefficiency,thediameteroftheentranceandexit,andremovalofrecastlayeronholewallsareanalyzed.ContrastexperimentsbetweenECDDwithaidedicelayerandECDDwithoutaidedicelayerareconducted.Experimentresultsshowthattheaidedicelayercanhelptoformsufficientreverseflushingofworkingfluidandeffectivelysolvetheproblemofworkingfluidleakageafterpenetration.Afterpenetrationofsmallholes,thetubeelectrodestaysforafewsecondsatthepredetermineddepthtoincreasetheelectrochemicaldissolutiontime,sothattheECDDwithaidedicelayercanenhancetheremovaleffectofrecastlayer,andisexpectedtoachievecompleteremovalofentirerecastlayerofthewallofsmallholes.

aidedicelayer;electrochemicaldischargedrilling(ECDD);waveform;machiningefficiency;recastlayer

2016-07-27；Revised2016-08-29；Accepted2016-09-12；Publishedonline2016-10-191313

s：NationalNaturalScienceFoundationofChina(51475237);NationalHigh-techResearchandDevelopmentProgramofChina(2013AA040101)

.E-mailxuzhy@nuaa.edu.cn

2016-07-27；退修日期2016-08-29；錄用日期2016-09-12； < class="emphasis_bold">網絡出版時間

時間：2016-10-191313

www.cnki.net/kcms/detail/11.1929.V.20161019.1313.004.html

國家自然科學基金 (51475237)； 國家“863計劃” (2013AA040101)

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丁飛， 徐正揚， 王豐， 等． 冰層輔助對電火花-電解復合穿孔的影響J． 航空學報,2017,38(5):420643.DINGF,XUZY,WANGF,etal.EffectsofaidedicelayeronelectrochemicaldischargedrillingJ.ActaAeronauticaetAstronauticaSinica,2017,38(5):420643.

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10.7527/S1000-6893.2016.0256

V261.94

A

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