網狀電極形狀參數對高溫鎳基合金電解加工的影響

徐 成 傅香如 韓福柱

（1 陸軍工程大學訓練基地，徐州 221004）

（2 清華大學機械工程系，北京 100084）

0 引言

GH4169 高溫鎳基合金由于硬度大、耐高溫的特性，常用于航空發動機的渦輪葉片材料。由于渦輪葉片形狀復雜且對加工表面性質要求較高，常規的切削加工方法加工難度較大；而電解加工由于采用電化學的方法加工工件，具有無電極損耗、無表面再鑄層、加工范圍廣等優點，適合用于高溫鎳基合金渦輪葉片的加工［1-2］。如采用傳統的電極進行電解加工，為保證電解液循環流動，需要針對每一個不同形狀的工件設計貼合工件形狀的密閉夾具，因而普適性較差［3］。本文介紹了一種采用網狀電極代替傳統實體電極進行電解加工的方法，對于市場上常見的0.5、0.8 以及1.0 mm 三種電極孔徑對加工穩定性、加工速度和精度的影響規律進行研究，同時對曲面電極代替平面電極加工時對工件表面平整度的影響進行研究。

1 實驗

1.1 實驗平臺

實驗平臺由電極運動控制平臺、電解液循環系統以及大電流脈沖電源組合而成。其中，電極運動控制平臺能夠控制電極實現上下抬刀、平面搖動以及兩者運動疊加等復雜的進給方式。電解液循環系統由電解液槽、精密過濾器、JET 高壓泵、溢流閥、沖液噴頭等組成，入口壓強可達0.5 MPa 且連續可調。大電流脈沖電源系統能夠保證加工電壓U在0～20 V時，電流I的范圍可達到0～100 A，同時脈沖的頻率f能夠在0～10 kHz 連續可調、占空比d在0～100%內連續可調。電解液槽及加工實驗過程如圖1所示。

圖1 電解加工實驗Fig.1 Experiment of ECM

1.2 電極與工件

采用網狀電極，工件為GH4169 高溫鎳基合金，如圖2所示。加工時，電極和工件全部浸入電解液中，加工屑通過噴液管的高壓液體沖離加工區域，電解液為質量濃度10%的硝酸鈉。

圖2 網狀電極與待加工工件Fig.2 Mesh electrode and workpiece

表1所示為網狀電極加工實驗采用的主要參數。

表1 網狀電極加工實驗主要參數Tab.1 Main parameters of mesh electrode processing experiment

1.3 電極運動方式

網狀電極采用“抬刀+搖動”的方式進給，即在豎直方向采用抬刀的方式，在平面方向采用搖動的方式，整個電極的運動是兩種運動的疊加效果。電極抬刀的過程如圖3所示，電極搖動的過程如圖4所示。圖4左圖中間為網狀電極初始位置，外圓為電極邊緣軌跡包絡線，加工開始時電極圓心由圖4右圖的O點運動至O1，之后以OO1為搖動半徑進行圓周運動。

圖3 電極抬刀進給示意圖Fig.3 Electrode lifting schematic

圖4 電極運動軌跡示意圖Fig.4 Motion trajectory of electrode center

2 結果及分析

采用表1的實驗參數，電極進給方式為“抬刀+搖動”，經多次實驗表明，當加工深度為3 mm 時，仍然可以實現穩定的加工。分析原因為：采用電極勻速進給一段時間后，電極與工件之間可能會產生較多的加工屑，由于電極與工件之間距離較小，加工屑無法正常排出，此時，采用電極向上抬刀的方法增加極間間隙，保證外部沖液能夠及時更新極間間隙內的電解液，從而保證電解加工繼續進行；若無電極搖動，工件表面會出現與電極網孔對應的凸起，當加工深度增加時，凸起可能會引起網孔堵塞，影響加工屑從網孔排出，嚴重時甚至會造成短路，當采用電極搖動的方法加工時，電極實體部分能夠將凸起部分“抹平”，這樣既能夠及時排出加工屑，同時使得工件表面更加平整，加工結果如圖5所示。

圖5 網狀電極電解加工實驗結果Fig.5 The result of mesh electrode experiment

可以看出，在抬刀、搖動、外部沖液等多種因素的共同作用下，能夠利用網狀電極進行GH4169高溫鎳基合金的穩定加工。

2.1 電極孔徑對加工穩定性、速度、精度的影響

采用網狀電極代替實體電極，主要是利用網狀電極中的網孔對排屑和流液的促進功能，而孔徑的大小對于排屑和流液有著直接的影響，從而進一步影響到加工穩定性和加工速度。同時，電極采用搖動的方式進給時，不同孔徑對應的最佳搖動半徑為該孔徑值的一半［4］，搖動半徑的大小會對加工表面的平整度、精度產生影響。因此，有必要研究孔徑大小對加工穩定性、加工速度和加工精度的關系，為后續加工選擇合適的加工參數提供依據。市場上常見的網孔鋼板有三種規格，網孔直徑分別為0.5、0.8、1.0 mm，通過三種不同孔徑的電極進行同等條件下的實驗，對于加工過程中的穩定性、可以達到的最大加工速度和加工精度三方面進行對比，探討孔徑與加工穩定性、加工速度、加工精度的關系。

2.1.1 對電解加工穩定性的影響

加工穩定性主要體現在加工過程中是否發生短路，無短路現象則加工較穩定，如發生短路則會燒壞電極和工件，影響正常穩定加工。一般來講，極間間隙內的加工環境會隨著加工深度的增加而不斷惡化，深度增加時，會發生排屑困難和新鮮電解液供應不及時等問題，從而導致短路。由于網狀電極普遍較薄（采用厚度為0.5 mm 網狀電極），發生短路燒傷時，電極本身容易被燒壞，嚴重影響加工持續性和工件精度，所以在采用網狀電極時，應該避免短路現象的發生。以同等加工條件下不同孔徑電極發生短路時的加工深度來表征加工穩定性的參數，通過比較三者能穩定加工的深度，比較其加工穩定性。

采用的電極如圖6所示，三者面積相同，直徑為15 mm。

圖6 不同孔徑的網狀電極Fig.6 Mesh electrodes of different aperture

在進給速度相同的條件下，孔徑為1.0 mm 時，加工至3.5 mm 時仍未發生短路；孔徑為0.8 mm 時，通過4 組實驗得出，1.5 mm 以上深度時，加工較為穩定，但是當加工至1.5 mm 以下時，開始發生短路現象，電極回退之后繼續加工，情況未見明顯好轉，仍在該深度附近發生短路；孔徑為0.5 mm 時，加工至1.2 mm 處即發生短路，短路回退之后仍然加工至此位置附近短路，重復進行實驗仍加工至深度1.2～1.3 mm 時發生短路，三者對應的加工深度如表2所示。

表2 不同孔徑對應的加工深度Tab.2 Processing depths corresponding to different apertures

實驗結果表明，同等條件下，隨著孔徑的增大，加工穩定性隨之提高。究其原因，當孔徑增大時，混合著加工屑的電解液通過網孔較為容易，而且通過量較大，能夠盡量多地帶走加工屑，盡可能多地更新電解液，使得加工間隙內的狀況得到改善。而孔徑減小時，沖液效果隨之變差，不足以將加工間隙內的狀況及時改善，因此，隨著加工深度的增加，加工穩定性降低。由此可以得出，加工穩定性主要取決于沖液的效果，孔徑較大時，沖液效果較好，加工較為穩定。

2.1.2 對加工速度的影響

孔徑大小對加工間隙內的排屑和電解液更新情況有著直接的影響，從而進一步影響工件蝕除速度，因此通過實驗測得采用不同孔徑電極穩定加工深度為2 mm 時各自對應的最快進給速度，對比分析孔徑對加工進給速度的影響規律。

采用0.5 mm 孔徑電極進行加工時，當速度降至0.03 mm/min 時，加工深度為1.5 mm 時發生短路，深度較難達到2 mm，再降速時深度仍無明顯變化；采用0.8 mm孔徑電極進行加工時，穩定加工2 mm時的最快進給速度為0.045 mm/min；采用1.0 mm 孔徑電極時，最快進給速度為0.08 mm/min。

實驗結果表明，影響加工進給速度的最關鍵因素為電解液更新和排屑狀況，孔徑為0.5 mm 時，外部沖液的壓力和電極抬刀過程對電解液的擠壓作用，不足以保證電解液及時更新，孔徑太小嚴重阻礙了排屑和電解液更新。當孔徑增大時，外部沖液和電極的抬刀運動對于排屑和電解液更新的效果愈發顯著，工件蝕除量相應增大，加工速度變快。因此，孔徑越大，排屑效果越好，加工速度越快。

2.1.3 對加工精度的影響

采用之前確定的每種孔徑對應的最佳搖動半徑和最快加工速度為參數，比較在此最優參數下的加工精度，探討孔徑對于加工精度的影響規律。由于正常加工速度條件下，0.5 mm 孔徑網狀電極加工深度很難達到2 mm，因此，只比較0.8 和1.0 mm 孔徑網狀電極加工深度為2 mm 時的加工精度。兩者加工結果如圖7所示。

圖7 0.8 mm與1.0 mm孔徑電極加工結果Fig.7 Processing results for 0.8 mm and 1.0 mm electrode

兩者綜合對比結果如表3所示。

表3 加工結果的對比Tab.3 Comparison of processing results

（1）表面粗糙度方面，0.8 mm孔徑電極表面粗糙度Ra值較小。因為孔徑越小，實體部分電極越多，電極本身的完整性和平整度相對較好，且搖動半徑小，所以工件表面粗糙度Ra值較小。

（2）錐度方面，0.8 mm 孔徑電極加工時間長，由于雜散腐蝕的作用，孔徑較小時，側面重復加工時間長，從而導致雜散腐蝕加大，錐度相應增大，但是錐度相差不大。

（3）底面平整度方面，0.8 mm孔徑電極較好。因為孔徑較小時，搖動半徑相應減小。而搖動半徑大小與表面平整度有關。搖動加工時，工件中間部位經重復加工，加工時間較長，而工件邊緣部分重復加工時間短，所以導致整個加工面中間部分加工深度大，周圍加工深度淺，兩者的差別隨搖動半徑的增大而增大。所以底面平整度方面，電極搖動半徑小的0.8 mm孔徑電極，加工平整度較好。

（4）圓度方面，0.8 mm孔徑電極較好。理論上來講，圓形電極通過圓形搖動加工，工件側壁仍為圓形。但是采用網狀電極加工時，由于電極片為從整張網上切割取材，導致電極圓周出現鋸齒狀，此鋸齒狀電極會使得加工之后的側壁上出現對應的凸起，從而影響圓度。孔徑越大，制作電極的過程中越容易出現鋸齒狀，所以0.8 mm 孔徑電極加工工件側面圓度較好。

綜合表面粗糙度、錐度、圓度、底面平整度四方面考量，孔徑為0.8 mm 的電極僅在錐度方面較差（兩者差別不明顯），但在其他三方面相對較好，所以選擇0.8 mm孔徑電極加工較為合適。

通過以上孔徑對加工穩定性、加工速度、精度三方面的影響規律可以得出，0.5 mm 孔徑電極穩定性較差；1.0 mm 孔徑電極穩定性較高，速度較快，但是加工精度稍差；0.8 mm 孔徑電極加工穩定性雖較1.0 mm稍差，但仍能滿足一般加工需求，同時也能兼顧加工速度和加工精度，所以綜合穩定性、速度、精度三方面考慮，采用0.8 mm 孔徑電極加工最為適宜。

2.2 曲面電極對工件表面的影響及解決辦法

之前實驗中所用電極加工面皆為平面，而在渦輪葉片實際仿形加工中，葉片表面是很復雜的曲面，在各個方向都有曲率［5］，因此所使用電極也相應為曲面電極。采用曲面電極形狀如圖8所示，孔徑為0.8 mm，孔間距為1.5 mm，進給速度為0.05 mm/min，工件寬度為15 mm，長度為25 mm，加工深度為2 mm。實驗結果如圖9所示。

圖8 曲面電極Fig.8 Curved mesh electrode

圖9 曲面電極加工工件表面Fig.9 Surface of workpiece machined by curved electrode

可以看出，工件表面中間部分較為平整，而左右兩側殘留凸起較為明顯。分析原因為：由于電極和工件都具有一定弧度，而電極的搖動不是沿著弧面的圓心做“鐘擺式”的搖動，而是在水平面內搖動，因此無法將曲面上的凸起完全抹平，而且如果弧面的弧度越大，則殘留的凸起會越明顯。這是曲面電極與平面電極較為明顯的區別。而在實際使用中，可以先用網狀電極進行粗加工，而后用實體電極進行精修，或者電極錯位加工的方法進行修正。

3 結論

采用網狀電極代替實體電極，配合電極“抬刀+搖動”的方式電解加工高溫鎳基合金時，隨著孔徑的增大，加工穩定性增強，加工速度較快。當孔徑小于0.5 mm時，不足以將加工屑有效排除，因此在實際加工時應選擇孔徑大于0.5 mm 的網狀電極。1.0 mm孔徑網狀電極穩定性較高，速度較快，但由于網孔較大，電極自身實體部分較少，加工所需的搖動半徑較大，造成工件表面較為粗糙且平整度較差。0.8 mm孔徑網狀電極能兼顧加工速度、精度以及穩定性。采用曲面網狀電極加工時，由于搖動平面與所需加工面不平行，會造成表面凸起無法消除的現象，可以通過改變搖動方式或實體電極精修等方法精修。