電極絲前置式射流電解加工仿真及初步實驗研究

2020-12-21 03:10:08李飄庭張勇斌

哈爾濱工業大學學報 2020年1期

李飄庭，荊奇，張勇斌，李建，傅波

(1.中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900；2.四川大學機械工程學院，成都 610065；3.復旦大學光科學與工程系，上海 200438)

射流電解加工(Electrochemical Jet Machining，EJM)是指利用噴射在金屬表面的帶電液束對材料進行去除的加工方法，在國內又被稱為電液束加工、電射流加工等[1-2]. 射流電解加工中，工件接直流或脈沖電源的正極，從噴嘴中高速射出的電解液接負極，在電解反應和化學反應的共同作用下，陽極工件表面逐漸溶解，以此實現小孔或溝槽等特征的加工[3]. 這種方法多應用在大深徑比孔的加工中，采用高壓酸性電解液射流，配合幾百甚至上千伏高電壓，能夠實現非常高效的材料去除；而在微細射流電解加工中，則一般采用相對較低的電壓和中性電解液，以減小雜散腐蝕，提高定域性. 相比于傳統的機械加工方法，電解加工時工件不受切削力作用，加工區域不會產生變形，也不像電火花、激光等熱加工時表面會形成熱影響區和重鑄層. 一般來說，電解加工具有速度快、質量高、無陰極損耗、適合加工硬質或難加工材料等特點[4-5].

射流電解加工是電解加工的一種高定域性形式，工件表面的蝕除主要集中在射流正下方的區域，電場被約束在噴嘴和工件表面之間的加工間隙內[6]. 在加工過程中，高速液流會帶走加工區域的電解產物并及時更新電解液，使得加工可以連續進行[7].

自20世紀60年代，美國GE公司為解決航空發動機葉片氣膜冷卻孔高品質加工而研發了電射流打孔技術以來，各個國家都相繼進行了相關的理論探索和實驗研究. 特別是近些年，國內外研究人員對這種加工方式的關注日益增多，傳統射流電解加工逐漸延伸出多種不同形式，大量學者和團隊也都在尋求新的嘗試. 英國諾丁漢大學Mitchell-Smith等[8-10]從超聲復合、入射角度、噴嘴形狀等方面進行實驗研究，以獲得更好的加工效果；比利時魯汶大學GUO Cheng等[11-12]提出一種電解液回流式加工方法來掃描銑削微槽. 國內研究單位和學者近些年來也取得不少成果，南京航空航天大學LIU Zhuang等[13-14]通過在電解液中混合磨料來去除工件表面鈍化層；廣東工業大學CHEN Xiaolei等[15]在工件表面覆蓋一層導電掩膜，以提高加工定域性. 在射流電解加工中，電流密度、電流形式、電解液、液束直徑、加工間隙、加工時間等都對加工特征的精度和表面質量有影響[16]，因此通過控制這些參數及噴嘴的運動，就可以在工件表面加工出預期的特征. 但射流電解加工仍然存在一些不足，例如加工表面有一定程度的雜散腐蝕，在孔、槽的加工過程中，入口處也會有明顯的過切現象，而且隨著深度的增加，孔的直徑逐漸縮小，壁面會呈一定錐度而非垂直[17-18]. 為此，提高射流電解加工效果和質量是一個亟需解決的問題.

本文在研究射流電解加工的基礎上，提出一種電極絲前置式射流電解加工技術(Wire-preposed electrochemical jet machining，WPEJM)，基于COMSOL軟件對加工過程進行仿真，得到了加工區域的多物理場分布以及工件表面成型情況，并通過工藝實驗驗證了電極絲前置式射流電解加工的可行性，得到了一些初步的工藝規律.

1 加工原理及仿真分析

1.1 加工原理

電極絲前置式射流電解加工原理如圖1所示，具有一定壓力的電解液從噴嘴中射出形成穩定液束，柔性電極絲固定在噴嘴內部，并從噴嘴懸伸出一段長度，加工時，高速電解液射流包裹并約束住電極絲. 工件和電極絲分別接電源正負兩極，電流密度集中在液束正下方，因此陽極工件材料就可以通過電化學作用來進行小范圍的蝕除[19].

圖1 電極絲前置式射流電解加工原理示意圖

所選用的電極絲直徑在100 μm以下，固定在噴嘴中的電極絲懸伸出噴嘴口，且端面與工件待加工表面始終保持一段微小的間隙，這段距離可以通過加工時兩極間的電信號來檢測和調整，以防止短路. 液束中的電極絲將電場約束在端面周圍的小范圍區域，電解液高速沖擊在工件表面，更新電解液并帶走電解產物，為加工的進行提供穩定持續的電解環境.

1.2 仿真模型及參數設置

COMSOL軟件在多物理場建模和仿真方面具有獨特的優勢，因此基于COMSOL Multiphysics對射流電解加工過程進行了仿真分析. 噴嘴為圓形孔口，形成的液束為規則圓柱形，實際加工時考慮電極絲在液束中心，因此選擇二維軸對稱建立了射流電解加工的簡化模型. 圖2為電極絲前置式射流電解加工幾何模型及網格劃分，圖3為傳統射流電解加工幾何模型及網格劃分. 域Ⅰ為金屬噴嘴，噴嘴內徑D=0.5 mm，噴嘴中的電極絲直徑d=100 μm. 域Ⅱ為電解液初始相，域Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ為空氣初始相. 邊界1為模型軸對稱中心，邊界9為陰極電極絲，邊界2、6分別為電解液入口和工件表面. 噴嘴與工件表面之間的距離H=1 mm，電極絲端面到工件表面之間的距離h=0.2 mm. 所有模型均采用自由三角形網格劃分.

(a)模型

(b)網格

(a)模型

(b)網格

實際加工過程中，高速帶電射流沖擊在工件表面，主要通過電化學反應蝕除工件材料. 隨著特征的形成，液束形狀會發生變化，液束中的電場分布也會隨之受到影響，電場和流場之間的關系是相互影響的. 因此在COMSOL中選用“兩相流-水平集”和“電流”兩個模塊分別描述流場和電場，用變形幾何模塊來描述工件表面的形貌改變. 表1為具體的流場邊界條件設置，表2為具體的電場邊界條件設置，表3為20 ℃下NaNO3電解液和空氣的材料屬性.

表1 流場邊界條件設置

表2 電場邊界條件設置

表3 20 ℃下NaNO3電解液和空氣的材料屬性

1.3 仿真結果

通過數值求解，得到了上述兩個模型的幾何變形及耦合場的分布情況. 圖4為初始狀態下，兩種加工方法的電流密度分布. 從WPEJM結果中看，電極絲底部端面及側壁周圍的區域電場較為集中，電流密度高. 尤其是電極絲端面，距離工件表面最近，電流密度也最高，而隨著側壁往上，電極絲與工件的距離增大，電流密度逐漸減小，整體呈水滴形分布. 而從EJM結果中看，電流密度最高處是在液束內部以及金屬噴嘴出口的邊沿處. 根據法拉第定律，在電化學加工中，材料的去除量與反應體系中通過的總電荷量有關，因此電流密度越高，單位時間內材料的去除量也就越高. 由此可見，無論是哪種方式，最終得到的加工結果很大程度上都取決于反應面上的電流密度分布情況. 圖5為初始狀態下，邊界6上的電流密度，可以看出，兩種方法工件表面的電流密度值都呈高斯分布，而WPEJM電流密度值明顯要高于EJM，最大值達到了EJM的兩倍.

(a)WPEJM

(b)EJM

圖5 加工表面電流密度曲線

圖6為加工時間t=5 s時，WPEJM仿真的兩相流體的體積分數及流速分布. 體積分數圖中，紅色區域代表電解液，藍色區域代表外圍空氣，中間界面即為液-氣混合區域. 電解液從噴嘴口射出后，形成一段圓柱形液束，然后噴射在工件表面，形成一層分布均勻的液膜. 可以看出，電解液從入口邊界進入后，一直到噴嘴流出這段時間內，速度逐漸增大，等到噴射在工件表面形成液膜后，速度逐漸降低，直至達到形成水躍現象的臨界點，由于建立模型的尺寸限制，水躍現象并沒有在結果中表現出來. 而從流速分布圖中可以看到，電極絲對電解液流速的影響也較為明顯. 靠近電極絲底部的區域，電解液內層流速明顯比外層流速低，在電極絲的正下方區域，電解液流速達到最低. 流速低的負面影響是導致電解質更新緩慢，電解產物不容易及時排出. 圖7為加工時間t=5 s時，EJM仿真的兩相流體的體積分數及流速分布.

(a)體積分數

(b)流速

(a)體積分數

(b)流速

在兩種加工方式中，流場和電場都是相互作用和影響的. 流體作為導電介質，其幾何形狀和屬性參數都決定著電場的分布，而反過來在電場的作用下，工件材料被蝕除，工作面發生變形，又會使得流體的運動受到影響. 在仿真中，工件加工結果是通過邊界6的位移情況表現出來，圖8為兩種加工方式在加工時間t=5 s時，工件表面的位移曲線. 從仿真結果中來看：兩種方法得到的凹坑直徑都在1 mm左右，但WPEJM的凹坑深度和材料去除率都要明顯大于EJM.

圖8 工件表面的位移

2 裝置及試驗研究

2.1 實驗裝置

為了驗證電極絲前置式射流電解加工的可行性，建立的實驗平臺如圖9所示，該系統包括噴嘴、電極絲、電源、過濾裝置、流量泵和傳感器等. 射流電解噴嘴整體安裝在工作平臺上，可以進行水平或豎直方向的移動或掃描. 柔性電極絲固定在噴嘴中心，待加工的工件放置在噴嘴正下方工作水槽中. 工作時，工件和電極絲分別接電源正負兩極，在射流束中進行電解加工. 電解液在泵的作用下，從電解液池中流向過濾裝置和壓力傳感器，經過過濾和增壓后進入射流電解噴頭內，形成高壓液束噴射在工件表面. 整個循環系統保證了電解液的及時更新、電解產物的排除以及加工區域的熱量傳導. 最終，電解液由工作水槽底部回流至電解液池中，使整體加工過程維持穩定連續.

圖9 電極絲前置式射流電解加工實驗系統示意圖

Fig.9 Schematic diagram of the experimental system for WPEJM

圖10為實驗時使用高速相機拍攝的射流和電極絲照片，電極絲包裹在高速射流中. 為了使電極絲在液束中盡量保持穩定和對中，電極絲被固定在噴嘴流道中，固定點穩定不產生滑移和偏斜，且盡量靠近噴嘴出口，以減小電極絲的懸伸長度. 實驗時泵的運轉使得噴嘴形成的液束會有周期性的脈動，導致電極絲在液束中仍然有輕微的抖動. 但經過高速相機拍攝觀察，發現抖動情況在可接受范圍內，因此最終基于上述裝置進行了后續工藝對比實驗.

2.2 主要實驗參數

為驗證兩種方式的實際加工效果，設置了兩組對比實驗，表4為主要實驗參數. 實驗過程中，泵保持恒定流量，壓力傳感器對循環系統進行實時監控，以保證噴嘴形成的液束流速穩定、形狀規則. 工件表面與噴嘴保持垂直，且工件表面在實驗前經過打磨預處理，保證加工區域平整光滑. 兩組實驗均在無豎直方向進給和水平方向掃描的靜止狀態下進行，加工時間t為5 s、10 s、15 s和20 s，共計在工件表面打出8個凹坑.

圖10 射流和電極絲

表4 實驗參數

2.3 實驗結果與分析

圖11為兩種方式在不同時間下加工出的凹坑的光學顯微鏡照片，放大倍數為200倍，其中，A、B兩組分別為WPEJM加工和EJM加工. 在光學顯微鏡下可以明顯看出A組的尺寸稍大于B組，凹坑的形狀較為圓整，且內表面明亮光滑. 隨著加工時間的增加，A組凹坑內表面的光亮程度逐漸降低. B組凹坑的尺寸小于A組，且入口邊緣和內部形貌都比較粗糙. 圖12和圖13分別為不同時間下，兩種方法加工出凹坑的輪廓圖.

在射流電解加工中，工件上形成凹坑的直徑通常都為液束直徑的兩倍左右，本次實驗中的結果也基本符合這個規律. 圖14為兩組凹坑的入口直徑對比，可以看出，隨著加工時間的延長，兩組凹坑的直徑都呈緩慢增長的趨勢，但A組凹坑的直徑整體都要比B組大250 μm左右. 在深度方面，如圖15所示，A組凹坑的深度都在B組的3倍以上，且隨著加工時間的增加，深度的增長量也要大于 B組. 綜合直徑和深度兩個參數可以看出，相同條件下，WPEJM加工凹坑的整體尺寸都要大于EJM，也就是總的材料去除量更多、去除效率更高. 圖16為兩組凹坑的深徑比對比，明顯可以看出，A組凹坑的深徑比整體都要高于B組. 而且和深度變化曲線類似，隨著加工時間的增加，如果采用WPEJM方法加工，凹坑的深徑比增長量也會較高.

圖11 WPEJM和EJM得到的凹坑照片

圖12 WPEJM得到的凹坑輪廓圖

圖13 EJM得到的凹坑輪廓圖

圖14 凹坑的直徑對比

圖15 凹坑的深度對比

圖16 凹坑的深徑比對比

對于電解加工來說，電流密度是最為重要的一個參數，對最后加工出的特征精度和質量起著決定性作用. WPEJM加工過程中，由于液束中的電極絲導電能力遠遠高于電解液，因此電場主要都集中于電極絲端部，離工件表面越近的區域電流密度越高. 電極絲與帶電射流共同作為陰極，與工件陽極構成電解體系蝕除金屬材料，同時反應生成的電解產物和熱量都隨著高速射流被快速帶走. 影響電流密度的另一個重要因素是加工間隙，加工間隙越小，電流密度越高. 在EJM加工中，加工間隙一般指的是陰陽極之間，也就是噴嘴到工件之間的距離；而在WPEJM加工中，加工間隙實際上變成了電極絲底部端面到工件之間的距離. 因此，不同于EJM加工受液束穩定性影響而加工間隙無法做到非常小的問題，只要滿足電極絲不接觸到工件形成短路，WPEJM的加工間隙就可以減小到一個非常小的值. WPEJM加工中，工件表面的電流密度明顯要高很多，這就導致了材料蝕除量變大，形成凹坑的尺寸也相應增加，實驗結果也基本符合仿真規律. 另外隨著加工時間的增長，實驗中噴嘴和電極絲并沒有垂直方向的進給運動，因此實際的加工間隙會隨著凹坑深度的增加而增加. 這就導致了加工區域電流密度會隨著時間逐漸降低，體現在實驗結果上就是蝕除速度越來越慢.

圖17為加工時間t=20 s時凹坑的掃描電鏡照片. 宏觀上可以看出，用EJM得到的凹坑很不平整，形狀波動起伏，表面質量很差. 而用WPEJM得到的凹坑則更為光滑，內表面也沒有明顯凸起. 放大1500倍后，觀察到A組底面更為緊密細致，沒有空隙. 由于B組凹坑表面質量過于差，最終只測得A組凹坑的底面粗糙度：隨著加工時間由5 s增加到20 s，Ra分別為7.9、10.36、18.57和38.74 nm. 在WPEJM與EJM表面質量的橫向對比中，前者明顯優于后者；而在不同加工時間的縱向對比中，凹坑的表面粗糙度值也隨著時間增加而增加. 由此可以看出：與尺寸變化類似，表面質量變化的因素主要也是電流密度.