Ti60電火花-電解雙電源復合加工微小孔試驗研究*

黃紹服 張茜熙 張建翔 李 君

(安徽理工大學機械工程學院，安徽 淮南 232001)

近年來微小孔結構在航空航天零部件上的應用越來越廣泛，典型的應用有航空發動機葉片氣膜冷卻孔、發動機燃油噴嘴等。有的微小孔結構深徑比大，有的對表面加工質量要求較高，而這些微小孔很多由難加工材料制造而成，材料強度高，如高溫鎳基合金、不銹鋼、鈦合金及硬質合金等。特種加工技術是制造微小孔的重要技術之一[1]。目前主要使用的特種加工微小孔的方法有電火花加工、電化學加工、超聲加工、激光加工，以及上述加工方法的互相復合等方法，每一種加工方法具有不同適用范圍和特點。電火花打孔技術在微小孔加工中被廣泛使用，如加工噴油嘴、噴絲嘴等微小孔。利用不同幾何形狀的微細電極，也可以用來加工圓形或非圓形微小孔[2]。但加工深徑比較大的微小孔時，加工產物難以從加工區域有效排出，且加工效率較低；由于放電熱作用，加工區域會出現再鑄層和微裂紋等缺陷；另外，加工過程中存在電極損耗[3-4]。Yan等采用旋轉削邊電極，有效地促進了電蝕產物在加工區域的排出[5]。蔣毅等人開展了多孔電極TC4鈦合金電火花加工性能研究，研究發現由于內部沖液的作用極大地降低了電極損耗，促進了加工區域產物的及時排出,提高了加工效率，但此方法只適用于粗加工[6]。電化學加工可以用來加工任何導電材料且孔邊無飛邊和毛刺，與電火花加工相比，電化學加工材料去除率相對較高且表面加工質量相對較好。但是電化學加工存在雜散腐蝕和環境不友好等問題[7-8]。黃紹服等人采用工具陰極高速旋轉進行了電化學加工微小孔試驗，研究結果表明工具電極高速旋轉時，可以在工具電極表面形成絕緣氣膜，有助于減小表面粗糙度值和雜散腐蝕區域[9]。超聲加工能夠進行非導電硬脆材料的微小孔加工，加工表面質量較好，但加工效率較低，工具損耗較快[10-11]。激光加工微小孔時加工效率高，環境友好，但是激光加工設備較貴，微小孔加工精度不高，且只適用于在薄板上進行激光打孔[7]。近年來，國內外研究人員也開展了電化學放電微小孔加工研究，難點是如何形成穩定氣膜。諸躍進等采用電解電火花復合加工的方式對鈦合金進行深小孔加工試驗研究，也提高了加工效率及減小了電火花作用產生的再鑄層區域，但對于復合型的工作液的配置要求較高[12]。Wüthrich 等人通過在電解液中添加輔助溶劑的方法，減小了工具電極表面氣膜厚度，提高了微小孔加工過程的穩定性[13]。

Ti60 (Ti-5.6Al-4.8Sn-2Zr-1Mo-0.35Si-0.7Nd)是一種高溫鈦合金，在航空航天、醫療器械中應用越來越廣泛，但Ti60因本身的物理、化學、力學等綜合性能的共同作用，屬于難加工材料[14-15 ]。如果使用以上單一的加工方法，無法解決加工加工質量與加工效率之間的矛盾。本文針對Ti60微小孔的加工需求，首次提出了電火花-電解雙電源復合加工方法，進行Ti60電火花-電解雙電源復合微小孔加工實驗，研究加工電壓、電解液濃度、脈沖間距等加工參數對Ti60微小孔加工的影響規律，從而得到加工表明質量較好、加工效率較高的微小孔。

1 電火花-電解雙電源復合加工試驗裝置及原理

如圖1所示為加工試驗裝置，試驗裝置包括機床本體部分，由X/Y/Z軸及工作臺組成及其控制系統；加工電源部分，由電火花加工電源及電解加工電源組成；測量部分，包括示波器及測量電阻等；工作液槽，加工工件安裝在工作液槽中。應用該試驗裝置進行不同加工電壓、電解液濃度、脈沖間距等加工參數作用下， Ti60電火花-電解雙電源復合加工微小孔表面質量及加工效率等方面的研究。加工時，工件浸泡在具有弱導電性的電解液中，與微小直徑管電極間連接電解加工電源和電火花加工電源，調節管電極端面與工件之間的加工間隙，對工件同時進行電解加工及電火花加工。加工原理圖如圖2所示。

2 實驗結果與分析

2.1 試驗參數

為了研究電火花-電解雙電源復合加工微小孔的加工規律，試驗從加工電壓、電解液濃度、脈沖間距等參數入手，研究各參數對微小孔加工的影響，得出Ti60微小孔加工時提高加工質量及加工效率的規律。文中均采用了加工微小孔表面再鑄層厚度及加工所用時間兩個參數作為分析加工質量和加工效率的依據。試驗具體參數見表1所示。

表1 試驗參數

參數數值工件材料Ti60(厚度2mm)管電極直徑/mm05電火花加工電源電壓/V20電解加工電源電壓/V4、6、8脈沖間距/μs10、20、30電解液濃度1%、2%、3%NaCl溶液

2.2 電火花-電解復合加工現象

試驗采用濃度為1%NaCl溶液為電解液，電火花加工電源電壓為20 V，管電極直徑為0.5 mm，脈沖間距為10 μs的條件下，改變電解加工電源電壓進行試驗。復合電源的設置對微小孔電火花-電解復合加工現象的影響見圖3。

從圖3可以看出，當電解加工電源與電火花加工電源同時接通時，管電極周圍產生電解氣泡，同時其末端產生火花放電，并且隨著電解電壓增加，電解作用產生的氣泡數量增加，火花放電區域面積增加。這是因為在兩個電源同時接通時，同時發生了放電效應及電解加工，而且隨著電解加工電壓的增加，電解作用所產生的氣泡數量越多，促進了放電現象的發生，因此放電作用和電解加工作用增強，反映在圖片中就是放電區域面積增加及電解加工所產生的氣泡的數量增加。

2.3 電解液濃度對微小孔加工的影響

電解加工中，電解液的濃度直接決定了工作液的電導率，從而影響電解加工作用，因此有必要研究電解液濃度對電火花-電解雙電源同步復合加工微小孔的表面質量的影響規律。采用電解加工電源電壓為8 V，管電極直徑為0.5 mm，脈沖間距為10 μs的條件下，改變電解液濃度進行試驗，得到如圖4所示的試驗結果。采用表面形貌儀測量在不同濃度下加工微小孔上表面再鑄層厚度，結果如圖5所示。

從圖4、5可以看出，在各加工參數不變的情況下，適當的增加電解液的濃度，可以有效地減小微小孔加工上表面再鑄層的厚度及提高加工速度。這是因為電火花-電解復合加工時，在原先電解加工的基礎上，適當增大電解液的濃度，提高了復合加工時電解加工的電導率，進而增強了電解的作用，能夠有效地去除微小孔加工入口處上表面再鑄層的厚度。

2.4 電解加工電壓對微小孔加工的影響

不同電解加工電壓對微小孔加工的影響規律見圖6。試驗采用3%NaCl溶液、0.5 mm管電極、脈沖間距10 μs。

從圖6可以看出，隨著電解加工電壓的增加，微小孔加工上表面再鑄層的厚度有所增大，加工時間逐漸減少。這是因為在進行復合加工時，隨著電解加工電壓的增大，雖增大了電解作用的強度，但同時由于電解作用，加工區域所產生的氣泡增加，使放電作用同步增強，當放電效應所產生的再鑄層厚度大于電解作用去除的再鑄層厚度，在微小孔上表面就表現為隨著加工的進行，微小孔入口處表面再鑄層厚度有所增大，但總體復合加工作用的增強又提高了微小孔加工的效率。

2.5 電解加工電壓對微小孔錐度的影響

試驗采用3%NaCl溶液、0.5 mm管電極、脈沖間距10 μs，不同的電解加工電壓下加工微小孔時，影響微小孔加工錐度，如圖7所示。

微小孔錐度計算公式：

(1)

經測量得出上下表面直徑，依據微小孔錐度計算公式得出微小孔錐度，結果如表2所示，微小孔錐度與電解加工電壓關系曲線如圖7所示。

表2 微小孔加工結果

電解加工電壓/V468微小孔上表面直徑/mm063220644406624微小孔下表面直徑/mm061210618505968直徑差T/mm002010025900616錐度001010013000308

從表2、圖7中可以看出，隨著電解加工電壓的增加，微小孔上表面直徑、上下表面直徑差、錐度均逐漸增大；當電解加工電壓小于8 V時，微小孔下表面直徑也逐漸增加，但電壓達到8 V時微小孔下表面直徑變小。這是因為隨著電解加工電壓的增加，增加了電解的作用，提高了加工區域材料去除率，同時微小孔下端加工時間相對上端加工時間較短，因此微小孔上表面直徑、上下表面直徑差、錐度逐漸增加。另外，當電解加工電壓達到8 V時微小孔下表面直徑變小，這是由于電解加工作用強度增加的同時，微小孔下表面加工形成短時間穿透母材，減小了微小孔下表面電解影響時間，造成下表面直徑又有所減小。

2.6 脈沖間距對微小孔加工的影響

脈沖間距的大小影響復合加工時電火花放電時間的長短，從而影響加工區域的排屑量及電解加工的相對時間。因此，有必要研究不同脈沖間距對微小孔加工的影響規律。在電解加工電壓8 V、0.5 mm管電極、3%NaCl溶液下，改變脈沖間距進行試驗，結果如圖8所示。

從圖8中可以看出，隨著脈沖間距的增加，微小孔上表面再鑄層的厚度呈現減小的趨勢，加工時間也相對增加。這是因為在電火花放電間隔增加的同時，增加了加工產物的排出時間以及相對延長了電解加工的時間，減小了再鑄層的厚度。在脈沖間距增加時，微小孔加工時間變大，因為電火花作用時間對應減少，影響微小孔加工的效率。

3 結語

本文提出了電火花-電解雙電源復合加工方法，研制了電火花-電解雙電源復合加工裝置，開展了Ti60電火花-電解雙電源復合加工微小孔試驗研究。研究結果表明：

(1)對Ti60進行微小孔電火花-電解復合加工時，控制電火花-電解雙電源的同時啟動及電解液濃度、脈沖間距、加工電壓等加工參數，可有效提高Ti60微小孔加工質量及加工效率。

(2)隨著電解液濃度的增加，可以有效地提高加工效率及減小表面再鑄層厚度。

(3)隨著電解加工電壓的增加，微小孔錐度呈現增大的趨勢。

(4)隨著脈沖間距的增加，微小孔上下表面再鑄層的厚度呈現減小的趨勢。

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