脈沖電流大厚度電解線切割加工試驗

陳密，房曉龍，朱荻

南京航空航天大學 機電學院，南京 210016

以航空發動機渦輪盤榫槽/渦輪葉片榫頭為代表的高精度直紋面構件廣泛采用鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料，加工精度要求高，表面質量要求嚴苛[1]，不允許有重鑄層、微裂紋等缺陷。目前，航空發動機榫頭/榫槽結構主要采用精密拉削[2]、緩進磨削[3]、銑削加工[4]等加工方法。精密拉削設備投資大，刀具成本高；緩進磨削難用于內表面加工；銑削加工刀具磨損嚴重。航空航天難加工材料直紋面構件的高精度高表面完整性加工已經成為機械制造領域普遍關注和亟需解決的難題。

電解線切割加工采用金屬線作為工具電極，基于電化學陽極溶解原理去除材料，通過線電極與工件之間的相對運動來實現零件加工成形。電解線切割加工不受材料機械性能影響，工具電極無損耗，表面不產生加工應力，無重鑄層和熱影響區，非常適合難加工材料的加工。特別需要指出的是，電火花線切割加工依靠工具和工件之間的脈沖性火花放電現象產生高溫高熱來蝕除材料，加工表面不可避免形成重鑄層，影響零件的疲勞壽命。在有表面無重鑄層要求的加工場合，電解線切割相對于電火花線切割具有優勢[5]。

精密電解線切割加工的加工間隙通常在數微米到數十微米，電解產物極易堆積在微小加工間隙內，造成加工區域內電導率分布不均，影響加工精度和加工穩定性。王昆等采用電極絲微幅振動帶動加工間隙內產物排出，以直徑5 μm的鎢絲線電極、1 μm的振動幅值、5 Hz的振動頻率在100 μm厚鎳板上加工出深寬比5左右的微槳葉結構[6]。王少華等研究了工具電極振動頻率、振幅對微細電解線切割加工的影響，以直徑2 μm的鎢絲電極、8 μm的振動幅值、10 Hz的振動頻率在100 μm厚的鎳板上加工出深寬比為5的微螺旋結構[7]。于洽等提出了線電極微幅往復走絲促進加工間隙電解產物排出的方法，使用直徑10 μm 的鎢絲電極，在80 μm的鈷基彈性合金上加工出微槽結構[8]。曾永彬等同時采用工具振動和工件振動，利用直徑10 μm的鎢絲在250 μm厚鈷基合金上加工出撓性元件微槽結構[9]

當工件厚度達到毫米級厚度時，精密電解線切割加工電解產物急劇增多，大量電解產物堆積在加工間隙內，嚴重影響加工的正常進行。上述微細加工用微幅振動方法效果甚微。Béjar和Eterovich研究了沖液方式對電解加工的影響，以0.98 MPa的沖液壓力，使用1.1 mm的銅電極絲，加工6 mm厚低碳鋼，最大進給速度為2.5 mm/min，加工間隙為0.6 mm[10]，Sharma等采用沖液方式，使用0.2 mm的銅絲電解線切割加工3 mm厚不銹鋼和1.5 mm厚銅，進給速度為1.32～10.52 μm/s，縫寬為649～977 μm[11]。Klocke等提出將旋轉線電極與軸向沖液相結合的電解線切割加工方法，建立流場仿真分析模型，仿真表明，在沖液壓力1 MPa 時，電極截面平均流速在5.5 m/s以上，大幅增強了加工區域中電解產物的更新速度[12-13]。曲寧松等利用同軸高速沖液促進電解產物排出(速度>20 m/s)，采用直徑100 μm的電極絲，以0.6 mm/min的進給速度加工出1.8 mm厚TC1鈦合金群縫結構[14]。姚羊洋等采用直徑0.5 mm的鉬絲，以1 MPa的沖液壓力，以30 μm/s的進給速度加工6 mm厚50CrVA彈簧鋼[15]。但是，隨著工件厚度的增加，軸向沖液電解液束發散明顯，使得沿工件厚度方向加工縫寬呈上窄下寬，加工精度顯著降低。

為實現更大厚度零件的精密加工，張海等將直徑200 μm的環形鍍鋅黃銅金屬絲首尾相接作為環形電極，加工時線電極沿重力方向單向運動帶出加工產物，在5 mm厚的不銹鋼板上加工出了深寬比達20的五角星結構[16]。吉華劍等開展了往復運絲電解線切割加工，利用直徑100 μm的鉬絲在20 mm厚的不銹鋼工件上，加工出表面質量好，切縫均勻、深寬比達113的“V”結構和“X”結構[17]。鄒祥和等開展了肋狀線電極大幅值往復運動脈動態電解線切割研究，利用槽寬500 μm、槽深100 μm的肋狀線電極，以7.5 mm往復運動幅值、1.5 Hz往復運動頻率，在5 mm厚的不銹鋼工件上切割出表面粗糙度為0.682 μm的榫齒結構[18]。

上述文獻提出的創新方法在促進電解線切割加工微尺度間隙內產物排出，提高加工能力和加工精度方面取得了顯著效果。本文從脈沖電流電解線切割加工模型分析工件厚度對加工的影響，開展不同厚度工件電解線切割加工試驗，總結電壓、電流信號變化規律；在此基礎上，試驗研究脈沖頻率對20 mm厚工件加工的影響，實現直紋典型結構的精密加工。

1 原 理

1.1 脈沖電流電解線切割加工原理及模型

電解線切割加工基于電化學陽極溶解原理，依靠線電極與工件的相對數控運動實現零件的加工成形。如圖1所示，線電極接電源負極作為陰極，金屬工件接電源正極作為陽極，陰極和陽極之間通入電解液；在兩極之間施加外部電壓時，加工區金屬失去電子發生溶解，通過線電極與工件的相對運動完成加工。

S=d+

(1)

圖1 電解線切割加工原理圖Fig.1 Schematic diagram of wire electrochemical machining

式中：d為電極絲直徑；UR為極間電壓;U為脈沖電源輸出電壓；δE為陰、陽極電極電位值總和；υf為工件進給速度；η為電流效率；ω為工件材料體積電化學當量；κ為電解液電導率。

脈沖電流電解加工時，陰極工具和陽極工件與電解液接觸，兩極帶有不同電動勢的電荷，帶電粒子會在兩極之間發生正負電荷交換運動，正負電荷分布在界面兩側，從而形成雙電層。基于雙電層理論，電解線切割加工模型可以簡化成圖2(b)所示的電路。

圖2 電解線切割加工模型Fig.2 Machining model for electrolysis wire cutting

(2)

式中：H為工件厚度。

由式(2)可知，電解液電阻與電解液電導率、工件厚度、切縫寬度及電極直徑有關。在電解液及工具電極確定時，電解液電阻只與工件厚度和加工間隙大小有關。

建立圖2(b)等效電路方程：

(3)

Ud可以簡化為

(4)

式中：τ為充電時間常數，其表達式為

(5)

回路電流I為

(6)

間隙內電解液電壓Ue為

(7)

極間電壓UR為

(8)

由式(6)和式(8)可知，回路電流和極間電壓與電解液電阻、陰極和陽極界面電阻、脈沖電源內阻和輸出電壓、雙電層等效電容、回路電感、充電時間常數及充電時間有關。在工件材料、電解液、脈沖電源參數一定時，加工電路中的電流和極間電壓只由電解液電阻決定。

1.2 工件厚度對脈沖電流電解線切割加工的影響

工件厚度對電解線切割加工的影響可以分為以下幾個方面：

1)工件厚度對加工過程的影響

由式(5)可知，在工件材料、電解液及脈沖電源參數一定時，工件厚度增加，電解液電阻減小，充電時間常數增加，當脈沖電源脈寬小于充電時間常數時，雙電層充電不充分，極間電壓和回路電流趨向充電不完全狀態。由式(2)和式(8)可知，極間電壓與工件厚度成負相關，即工件厚度增加，極間電壓減小。由式(1)可知，切縫縫寬與極間電壓成正相關，極間電壓減小，導致切縫寬度減小。

2)工件厚度對電解加工速度的影響

由式(6)可知，工件厚度增加，加工電路中的回路電流增加，電解產物增多。對于大厚度工件，由于切縫寬度很小，狹窄的切縫中，電解產物排出流程增加，產物無法及時排出，加工速度提高受限。

2 試驗系統及準備安排

為開展相關實驗研究，建立了如圖3所示的超精密電解線切割加工試驗系統，主要包括X、Y和Z三軸氣浮導軌直線電機驅動運動平臺、高速旋轉電機、電極系統、電解液循環過濾系統、控制系統、示波器及高頻單脈沖電源。

電極系統包括引電器、工件夾具、電極支架和導向器，線電極通過電極支架上下兩臂的導向器固定在主軸電機末端。電解液循環過濾系統可以將加工間隙內產生的電解產物排出及熱量傳導，保證加工過程的穩定進行。為保證加工精度，電解液類型選擇惰性電解液NaNO3溶液，通過流量1 800 L/h，揚程2.5 m的潛水泵，將電解液從儲液箱泵送至電解液槽加工區域內。控制系統通過PLC控制機床X、Y和Z軸運動。使用示波器實時監測加工過程，采集加工過程電壓、電流信號方便后續分析。

圖3 試驗加工系統Fig.3 Experimental machining system

3 結果與討論

3.1 工件厚度對加工信號的影響

本節使用直徑為0.5 mm的不銹鋼圓柱電極，電壓幅值為18 V、占空比為30%、脈沖頻率為100 kHz，電極轉速為5 000 r/min，以1 μm/s進給速度分別對2、5、10、15、20 mm厚度工件進行電解線切割加工試驗。

圖4為切割15 mm厚工件時，示波器采集的一個周期內(T=0.01 ms)的電源輸出端和工件端電壓波形。電源輸出電壓和工件端電壓波形比較一致，說明電壓信號傳輸過程中，在傳輸導線上的電壓損耗較小。

圖5為切割不同厚度工件時，電源輸出端電壓和工件端電壓峰值。從式(2)可知，隨著工件厚度增加，切縫區域的電解液電阻減小。由于加工區等效電阻串聯在整個加工回路中，所以加工區分壓減小，即電源輸出端電壓和工件端電壓隨工件厚度增加而減小，但差別不明顯。

圖4 電壓波形(H=15 mm)Fig.4 Voltage waveforms (H=15 mm)

圖5 電壓峰值隨工件厚度的變化Fig.5 Variation of voltage peak with workpiece thickness

示波器采集電路中回路電流波形如圖6所示，加工切縫如圖7所示。從圖6可以看出，電路中的電流隨著工件厚度增大而增加。當工件厚度在15 mm以下時，加工電路充電完全，回路電流能夠達到穩定狀態；當工件厚度大于15 mm時，回路電流峰值一直處于上升狀態，加工電路處于充電不完全。從工件厚度對加工電路中充電時間常數的影響來看，工件厚度增加導致充電時間常數增加，在脈沖電源脈寬一定時，加工電路充電時間減少，電流波形逐漸趨向充電不完全狀態。

圖6 不同厚度工件加工電流波形Fig.6 Current waveforms with different workpiece thickness

圖7 不同厚度工件的切縫Fig.7 Slit with different workpiece thickness

縫寬平均值及標準差如圖8所示，加工回路電流平均值及平均電流密度如圖9所示。從圖8縫寬平均值和其標準差可以看出，切縫寬度平均值隨著工件厚度增加而減小，其標準差呈減小趨勢。工件厚度增加，加工電路逐漸趨向充電不完全狀態，同時，從圖9平均電流密度隨工件厚度的變化曲線看，工件厚度增加，平均電流密度減小，導致材料蝕除量減少，切縫寬度變窄，標準差也逐步減小。

圖8 平均縫寬及標準差隨工件厚度的變化Fig.8 Variations of average slit width and it’s standard deviation with workpiece thickness

圖9 平均電流及平均電流密度隨工件厚度的變化Fig.9 Variations of average current and average current density with workpiece thickness

3.2 脈沖頻率對大厚度電解線切割加工的影響

本節使用直徑為0.5 mm的不銹鋼圓柱電極，電壓幅值為18 V，占空比為30%，脈沖頻率為1、10、20、50、80、100 kHz，電極轉速為5 000 r/min，以1 μm/s 進給速度加工20 mm厚工件，研究脈沖頻率對大厚度電解線切割加工的影響。試驗過程中，電源輸出端電壓和工件兩端電壓峰值隨脈沖頻率的變化曲線如圖10所示。

從圖10可以看出，隨著脈沖頻率增加，工件端電壓呈減小趨勢。在工件材料、電解液參數一定時，加工電路中雙電層充電時間常數是一定值，脈沖頻率增加，脈寬減小，當脈寬小于雙電層充電時間常數時，雙電層充電速度變緩，工件端電壓達不到穩態值，呈減小趨勢。

示波器采集電路回路中電流波形如圖11所示(圖中fp為脈沖頻率)，縫寬平均值及標準差如圖12所示，加工回路電流平均值及平均電流密度如圖13所示，加工切縫如圖14所示。

圖10 電壓峰值隨脈沖頻率的變化Fig.10 Variations of voltage peak with pulse frequency

圖11 不同脈沖頻率加工電流波形Fig.11 Current waveforms with different pulse frequencies

從圖12平均縫寬和標準差可以看出，脈沖頻率增加，切縫寬度平均值和其標準差減小。脈沖頻率增加，在占空比一定時，脈寬減小，一個脈沖周期內加工區域金屬的有效蝕除量減小，因而切縫縫寬減小。同時脈沖頻率增加，雜散腐蝕減小，加工精度提高，縫寬標準差減小。

從圖13平均電流和平均電流密度可以看出，平均電流和平均電流密度隨脈沖頻率增加呈現先增加后減小的趨勢。從圖11可以看出，當脈沖頻率在1～20 kHz時，加工電路中雙電層充電完全，回路電流能達到穩態值，極間完全發生電化學反應，即加工電流完全用于工件材料的蝕除；當脈沖頻率在 20～100 kHz 時，峰值電流一直在增加，雙電層充電不完全，加工電流只有一部分用于電化學反應，另一部分用于雙電層充電過程。所以平均電流和平均電流密度隨脈沖頻率增加而先增加后減小。

圖12 平均縫寬及標準差隨脈沖頻率的變化Fig.12 Variations of average slit width and it’sstandard deviation with pulse frequency

圖13 平均電流及平均電流密度隨脈沖頻率的變化Fig.13 Variations of average current and averagecurrent density with pulse frequency

圖14 不同脈沖頻率下的加工切縫Fig.14 Slit of machined with different pulse frequencies

3.3 不同脈沖頻率下的最大加工速度

高頻脈沖電流電解線切割加工20 mm厚工件時，加工電路充電不完全，電壓未達到穩定值，切割縫寬減小，加工精度較高。然而，加工間隙內電解產物排出及熱量傳導較低頻狀態下更為困難，必然對加工效率造成影響。

本節使用直徑為0.5 mm的不銹鋼圓柱電極，電壓幅值為18 V，占空比為30%，脈沖頻率為1、10、20、50、80、100 kHz，電極轉速為5 000 r/min，研究各脈沖頻率下的最大進給速度。

各脈沖頻率下的最大進給速度、縫寬平均值和標準差如圖15所示。不同脈沖頻率最大進給速度對應的平均電流及平均電流密度圖16所示。加工切縫如圖17所示。

圖15 最大進給速度下平均縫寬、標準差及最大進給速度隨脈沖頻率的變化Fig.15 Variations of average slit width,standard deviation,and the maximum feedrate with pulse frequency at the maximum feedrate

圖16 最大進給速度下平均電流及平均電流密度隨脈沖頻率的變化曲線Fig.16 Variations of average current and average current density with pulse frequency at the maximum feedrate

圖17 不同脈沖頻率最大進給速度下的切縫Fig.17 Slits of machined at the maximum feedrate withdifferent pulse frequencies

從圖15各脈沖頻率下的最大進給速度可以看出，脈沖頻率大于20 kHz時，最大進給速度隨脈沖頻率增加而減小，脈沖頻率小于20 kHz時，最大進給速度差別較小。電解加工穩定進行時，工件進給速度與陽極金屬溶解速度保持一致，當工件進給速度大于陽極金屬溶解速度時，工具電極與工件容易接觸導致短路。在其他條件一定時，陽極金屬溶解速度只與電流密度有關。

由圖16平均電流密度可知，脈沖頻率大于20 kHz時，切縫端部平均電流密度隨脈沖頻率增加而減小，切縫端部陽極金屬溶解速度減小，從而導致最大進給速度減小；脈沖頻率在20 kHz以下時，由于加工電路中雙電層充電完全，電流主要用于加工區域進行電化學反應，加工間隙內電解產物急劇增加，此時，高速旋轉的圓柱電極無法將加工間隙內全部電解產物有效排出，極易發生短路，導致工件進給速度無法進一步提高。

4 典型結構加工

本試驗使用直徑為0.5 mm的不銹鋼圓柱電極，電壓幅值為18 V，占空比為30%，電極轉速為5 000 r/min，加工20 mm厚的不銹鋼樅樹形榫槽試件，圖18(a)為采用脈沖頻率100 kHz、進給速度1 μm/s的加工結果，測得表面粗糙度為1.968 2 μm，平面度為0.037 mm；圖18(b)為采用脈沖頻率20 kHz、進給速度4 μm/s的加工結果，測得表面粗糙度約為0.449 4 μm，平面度為0.051 mm。使用20 kHz脈沖頻率加工的榫頭/榫槽結構表面質量明顯更好，加工效率更高。

圖18 加工的20 mm厚榫頭/榫槽Fig.18 Machined fir-tree-like turbine-disk tenon/mortise

5 結 論

1)采用直徑為0.5 mm的不銹鋼圓柱電極，電壓幅值為18 V、占空比為30%、脈沖頻率為100 kHz、電極轉速為5 000 r/min進行電解線切割加工，工件厚度在15 mm以下，在脈寬時間內，回路電流能夠充電完全達到穩定狀態；工件厚度大于15 mm時，加工電路充電不完全，回路電流在脈寬時間內持續增大。

2)隨著脈沖頻率增加，切縫寬度顯著減小，非加工區/表面的雜散腐蝕現象明顯減弱；當脈沖電源頻率大于20 kHz時，最大進給速度隨頻率增加而減小，當脈沖電源頻率低于20 kHz時，最大加工速度無明顯差異。

3)采用直徑為0.5 mm的不銹鋼圓柱電極，電壓幅值為18 V、占空比為30%、脈沖頻率為20 kHz、電極轉速為5 000 r/min、進給速度為4 μm/s 穩定加工出20 mm厚榫頭/榫槽結構，表面粗糙度約為0.449 4 μm，表面質量、加工效率明顯高于脈沖頻率100 kHz、進給速度1 μm/s的加工效果。