振動進給對表面小微結構電解加工流場的影響

摘要：

為研究振動進給對表面小微結構電解加工流場的影響，以薄片表面小微結構為研究對象，建立了電解加工多場耦合仿真模型，對持續進給和振動進給條件下微結構電解加工過程進行仿真，并開展工藝試驗，研究了振動進給對流場的影響規律。結果表明，耦合間斷放電的振動進給可保證電源開通前電解液更新為電導率分布均勻的初始狀態；隨著加工深度的增加，振動運動對流場的擾動減弱，而沿程氣泡分布趨于均勻；對于加工深度在0～0.5 mm的表面微結構，振幅為0.3 mm、頻率為40 Hz的振動進給運動對流場條件改善效果較好，有利于提高薄片表面小微結構電解加工過程穩定性、表面質量以及尺寸一致性。

關鍵詞：小微結構；精密電解加工；振動進給；流場

中圖分類號：TG662

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2023.10.008

Influences of Vibration Feed on Electrochemical Machining Flow Fields of Surface Microstructures

WANG Chen1，2 ZHAO Jianshe1，2 QIANG Zhiming1，2 ZHANG Changhao2 LIU Shihao1，2

1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016

2.JITRI Institute of Presicion Manufacturing，Nanjing，210016

Abstract： In order to study the effects of vibration feed on the flow fields of electrochemical machining， taking the microstructure on the surfaces of the sheets as the research object， the multi-field coupled simulation models of electrochemical machining were established to simulate the electrochemical machining processes of microstructures under the conditions of continuous feed and vibration feed， and the processing tests were carried out to study the influences of vibration feed on the flow fields. The results show that vibration feed coupled with intermittent discharge may ensure that the electrolyte is updated to an initial state with uniform conductivity distribution before the power is turned on. As the increase of the machining depths， the disturbances of the vibration motions to the flow field are weakened， and the bubble distribution along the process tends to be uniform. For the surface microstructure with a processing depth of 0～0.5 mm， the vibration feed motion with an amplitude of 0.3 mm and a frequency of 40 Hz has a better effect on improving the flow field conditions， which is conducive to improve the stability， surface quality and dimensional consistency of the electrochemical machining processes of the small microstructure on the surfaces of the sheets.

Key words： microstructure； precision electrochemical machining； vibratory feed； flow field

收稿日期：2022-06-22

0 引言

小尺寸凸起、窄槽、凹坑等微結構常見于航空航天、化工設備和生物醫療等領域的精密零部件上，其加工精度對零部件的使用性能有重要影響［1-3］。與微細銑削加工、電火花加工、激光加工等方法相比，電解加工技術具有加工范圍廣、效率高、加工表面質量好、工具陰極無損耗、不存在宏觀切削力等優點［4］，是表面微結構的理想加工方法。

電解加工過程中流場對加工穩定性和加工精度有重要影響，而影響流場的因素眾多，許多學者針對流場開展了大量研究。合理的流道結構和進出口壓力參數是獲得良好流場的基礎，趙建社等［5］以微尺度弧形群縫為對象，優選了其電解加工流道結構及壓力參數，消除了流道內可能存在的流場缺陷。由于壓力損耗，間隙內電解液流速和壓力隨著流程的增加而降低，堯佳路等［6］以變截面小微結構為研究對象，發現較短流程可以避免電解液動能損失過多，使間隙內獲得均勻高速的電解液流場。對流場施加強制擾動可以改變間隙內流場狀態，HEWIDY等［7］通過工具陰極的低頻振動對流場施加強制擾動，發現間隙內電解液壓力在振動周期內呈正弦規律變化，且壓力值隨著振幅的增加而增大。對流場施加振動擾動耦合間斷放電可以減少間隙內產物積累，提高產物排出效率，朱荻等［8］以簡單平滑曲面為研究對象，對流場施加振動擾動并耦合間斷放電，采用多場耦合仿真方法研究產物運輸規律，發現振動耦合間斷放電可以使加工間隙內氣泡率和沿程溫升較直流加工大幅降低。現有研究表明選擇合理的流道結構、設計較短的流程、采用振動進給對流場的改善作用明顯，但表面微結構形狀復雜且電解加工過程中加工間隙小，間隙內流場復雜，振動進給對其流場影響規律的研究有待深入。

本文以薄片局部減薄并加工出窄槽的微結構零件為研究對象，研究振動進給對微結構零件電解加工流場的影響規律。

1 精密電解加工原理

包含陣列微結構的薄片零件示意圖見圖1，需要在薄片上局部減薄并同時加工窄槽的形狀特征，窄槽呈圓周陣列排布，單個區域微結構由兩道前后分布的貫穿窄槽和局部減薄產生的小平面構成。

圖2是包含陣列微結構的薄片零件電解加工示意圖，采用成形陰極進行拷貝式精密電解加工。加工時工具陰極穿過絕緣腔體預留的通道向工件陽極表面進給，工件在極間電場作用下發生電化學陽極溶解，實現薄片表面陣列微結構的電解加工，同時高速流動的電解液帶走電解產物和熱量。

在電解加工過程中，各陣列微結構區域獨立供液，陰極凸起對電解液流動有阻擋作用，使得電解產物易于凸起拐角處積聚，影響電導率分布，進而影響加工穩定性和加工精度。進給方式直接影響間隙內產物排出，采用振動進給是改善產物排出的有效方法。

2 多物理場耦合仿真模型建立

2.1 加工間隙模型

電解加工過程影響因素多，綜合考慮因素間的相互影響作用，建立多物理場耦合仿真模型。如圖3a所示，在薄片表面微結構電解加工中采用側流式供液，加工區域流場在寬度方向上各截面情況近似，因此可提取截面流道進行仿真分析，圖3b所示為初始間隙為0.06 mm的截面流道。

2.5 多物理場耦合

影響電解加工的因素間存在相互影響，多因素影響的相互關系如圖5所示。基于多因素相互作用，利用COMSOL仿真平臺對薄片表面微結構電解加工過程進行多物理場耦合仿真，研究振動進給對其流場的影響規律。

3 耦合仿真及結果分析

為研究振動進給對流場的影響作用，采用表1所示參數進行對比仿真，電解液選用15%（質量分數）的NaNO3溶液，其初始電導率為8.9 S/m，工件陽極材料為17-7PH不銹鋼。由于加工間隙對流場有重要影響，故通過控制持續進給和振動進給條件下進給速度分別為1 mm/min、0.3 mm/min來保證平衡間隙均為0.1 mm。

3.1 振動進給對氣泡排出的影響

對持續進給和振幅為0.25 mm、頻率為30 Hz的振動進給進行仿真，在加工深度為0.14 mm時采樣間隙內電解液流速，結果如圖6所示。持續進給和振動進給條件下間隙內電解液流速最大值和分布差異性較小，但振動進給可以使流速產生周期性變化。

在相同條件下采樣工件表面氣泡率，結果如圖7所示。持續進給條件下，氣泡率沿程升高，均值達0.23；振動進給條件下，振動周期內間隙內氣泡含量波動變化。在電源開啟時段（Tα，Tβ）內，間隙內氣泡含量持續升高并在Tβ時刻達最高，在電源關斷時段（0，Tα）和（Tβ，T）內，間隙內不產生新氣泡且陰極振動的擾動壓排作用會使氣泡排出，在Tα時刻氣泡幾乎排盡。仿真結果顯示，由于電解液流程較短且更新及時，振動進給條件下沿程溫升在1 ℃以下，結合式（9）可知，氣泡率對電導率的影響作用占主導，因此電源開通Tα時刻間隙內電導率均值較高且沿流程分布均勻。

振動進給可實現小間隙加工、大間隙沖刷，保證每個電源開通時刻間隙內電解液更新為電導率分布均勻的初始潔凈狀態，有利于提高微結構的加工精度及加工穩定性。

3.2 加工深度對振動擾動效果的影響

間隙內流道隨陰極進給和陽極腐蝕發生變化，導致不同加工深度的流場發生改變。對振幅為0.25 mm、頻率為30 Hz的振動進給進行仿真，在不同加工深度h采樣振動低位間隙內氣泡率，結果如圖8所示。隨著加工深度h的增加，流程前端間隙逐漸減小，氣泡排出愈發困難，氣泡率逐漸提高。圖9所示為不同加工深度氣泡率均值及標準差，隨著加工深度h的增加，流道內個各處間隙減小并趨于一致，使間隙內氣泡含量增加且分布趨于均勻，從而間隙內氣泡率均值增大、標準差減小，在加工深度達到0.14 mm時氣泡率均值最大，但此時標準差最小。

隨著加工深度的增加，間隙內沿程電流密度分布也發生改變。不同加工深度沿程電流密度分布仿真結果如圖10所示，隨著加工深度的增加，沿程電流密度分布趨于均勻。

在表面微結構電解加工中，間隙內氣泡率均值隨加工深度的增加而增大，這意味著振動對流場的擾動效果隨加工深度的增加而減弱；但隨著各處間隙趨于一致，間隙內氣泡分布趨于平均，由于沿程溫升小，根據式（9），電導率分布趨于平均，從而沿程電流密度分布趨于平均，這反而有利于提高沿流程方向的尺寸一致性。

3.3 振動參數對流場影響

不同振動參數的振動運動對流場有不同擾動效果，采用表1參數通過單因素仿真分析方法研究振幅和頻率對流場的影響。根據式（3），電導率直接影響陽極溶解速度，因此以間隙內電導率均值和標準差評價電解液條件，從而反映不同參數下振動對流場的影響作用。振動低位T/2時刻加工間隙最小，此時可實現高電流密度加工，是陽極溶解成形重要時刻，因此在T/2時刻采樣間隙內電導率進行分析評價。

3.3.1 振幅對流場影響

設定頻率為40 Hz，振幅分別為0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm，仿真結果如圖11所示。振幅為0.2 mm、0.25 mm、0.3 mm時，電導率均值分別為7.50 S/m、7.51 S/m、7.53 S/m，標準差分別為0.819 S/m、0.809 S/m、0.799 S/m，振幅由0.2 mm增大到0.3 mm，間隙內電導率均值增大、波動減小。

對式（2）求關于時間t二階導數得到陰極瞬時加速度a的表達式：

a=-2Aπ2f2cos（2πft）（14）

在頻率不變條件下，不同振幅的瞬時加速度如圖12所示。在任意時刻，振幅為0.3 mm的陰極瞬時加速度值均大于等于振幅為0.2 mm和0.25 mm的瞬時加速度值，因此振幅為0.3 mm的振動運動可以對間隙內流場產生更大的擠壓和抽吸作用力，使流場獲得更好的產物排出能力。

3.3.2 頻率對流場影響

設定振幅為0.3 mm，頻率分別為30 Hz、35 Hz、40 Hz，仿真結果如圖13所示。在頻率分別為30 Hz、35 Hz、40 Hz時，電導率均值分別為7.48 S/m、7.50 S/m、7.53 S/m，標準差分別為0.826 S/m、0.813 S/m、0.799 S/m，頻率由30 Hz增大到40 Hz時，間隙內電導率均值增大、波動減小。

在振幅不變條件下，不同頻率的瞬時加速度如圖14所示。在相同時間內，頻率為40 Hz可使流場獲得較頻率為30 Hz以及35 Hz更多次數以及更強烈的振動擾動，因此頻率為40 Hz可使流場獲得更高的產物排出效率和更好的排出能力。

根據式（14），陰極瞬時加速度對頻率的敏感度要高于振幅，因此相比于優選振幅，優選頻率可以更好地改善振動的擾動效果。仿真結果顯示，振幅增大50%，間隙內電導率均值增大0.4%、標準差減小2.4%；而頻率增大33.3%時，間隙內電導率均值增大0.7%、標準差減小3.3%，可見改變頻率可以更小的增幅獲得更好的流場改善效果。但在電源開通角一定時，更大的振幅和頻率會使開通角內加工間隙更大，不利于實現更小間隙加工。文獻［9］研究表明，陣列窄槽的加工穩定性在振幅大于0.3 mm后出現降低，加工精度在頻率大于40 Hz后出現降低，因此綜合考慮各方影響后認為，在薄片表面陣列微結構電解加工中，振幅為0.3 mm、頻率為40 Hz時的振動進給既可以很好地滿足改善流場的目的，也可以實現小間隙加工并保證較好的加工穩定性和加工精度。

4 工藝試驗及結果分析

4.1 試驗基礎

為驗證振動進給對流場的改善效果，分別采用持續進給方式與優選參數的振動進給方式進行薄片表面陣列微結構電解加工試驗，通過加工穩定性、表面質量以及尺寸一致性來評價流場條件。采用德國EMAG PT smart 800精密電解加工機床進行工藝試驗，工件材料為17-7PH不銹鋼，電解液采用15%（質量分數）的NaNO3溶液，主要試驗參數如表2所示。

針對薄片零件上陣列微結構精密電解加工設計的專用裝置如圖15所示。陰極部件固定于主軸下端快換夾頭，工裝夾具固定于機床工作臺。

4.2 試驗結果

4.2.1 加工穩定性及表面質量

持續進給模式的加工過程中發生多次短路，加工難以穩定進行。采用振動進給模式進行三次重復試驗的加工，電流隨加工深度變化規律如圖16所示，加工電流隨加工深度的增加而穩定增大，且三次試驗中電流變化趨勢一致，加工過程無短路現象發生，加工過程穩定。

圖17所示是不同進給模式加工出的工件表面，可以發現：持續進給模式加工出的表面在區域1、區域2、區域3存在明顯的流痕以及固體產物堆積現象，且整個加工區域呈現灰色，表面質量較差；采用振動進給時加工表面達鏡面效果，表面粗糙度Ra達0.05 μm。

振動進給使間隙內產物得以及時排出并獲得穩定流場，且能夠實現更小間隙、更高電流密度加工，從而使加工穩定進行并獲得較好的表面質量。

4.2.2 尺寸一致性

由于持續進給模式下加工過程難以穩定進行，故僅對振動進給模式采用相同參數進行三次重復試驗，采用HEXAGON非接觸式三坐標測量儀測量加工深度以及窄槽寬度。圖18所示是振動進給模式下每次試驗沿程加工深度評價結果，三次試驗的沿程深度均值和標準差穩定，且標準差較小，說明三次試驗深度尺寸一致性好且每次試驗的沿程深度均勻性較好。圖19所示為振動進給模式下兩窄槽寬度結果，三次重復試驗中近進液口窄槽寬度均值為0.641 mm、最大波動為0.014 mm，近出液口窄槽寬度均值為0.628 mm、最大波動為0.010 mm，單次試驗兩位置窄槽寬度最大差值為0.021 mm，說明兩窄槽寬度在三次重復試驗中尺寸波動小，且兩窄槽寬度尺寸一致性較好。試驗結果表明，振動進給模式可以使間隙內獲得穩定且一致的流場，改善電導率分布，從而加工出的微結構可以獲得較好的尺寸一致性。

5 結論

（1）耦合電源間斷放電的振動進給可保證電源開通前電解液更新為電導率分布均勻的潔凈狀態；振動運動對流場的擾動效果隨加工深度的增加而減弱，而沿程氣泡分布隨深度的增加而趨于均勻。

（2）適當提高振動幅度和振動頻率可以提高流場的產物排出能力和排出效率，降低間隙內電導率波動，有利于提高微結構的尺寸一致性。

（3）相比于改變振幅，改變頻率可以更小的增幅獲得更好的流場改善效果。

（4）對于加工深度在0～0.5 mm的表面微結構，振幅為0.3 mm、頻率為40 Hz的振動進給運動對流場條件改善效果較好，可以獲得較好的加工穩定性、表面質量及尺寸一致性。

參考文獻：

［1］ 楊輝， 張彬， 張利鵬. 微結構功能表面的應用及制造［J］. 航空精密制造技術， 2015， 51（5）：1-6.

YANG Hui， ZHANG Bin， ZHANG Lipeng. Application and Fabrication of Microstructured Functional Surfaces［J］. Aviation Precision Manufacturing Technology， 2015， 51（5）：1-6.

［2］ 湯勇， 潘敏強， 王清輝. 表面反應功能結構制造領域的研究現狀及發展趨勢［J］. 中國表面工程， 2010， 23（2）：7-14.

TANG Yong， PAN Minqiang， WANG Qinghui. Research Status and Development Trend of Surface Reactive Functional Structure Manufacturing［J］. China Surface Engineering， 2010， 23（2）：7-14.

［3］ ZHANG R， WAN Y， AI X， et al. Preparation of Micro-nanostructure on Titanium Implants and Its Bioactivity［J］. Transactions of Nonferrous Metals Society of China， 2016， 26（4）：1019-1024.

［4］ 徐家文， 云乃彰， 王建業. 電化學加工技術：原理·工藝及應用［M］. 北京：國防工業出版社， 2008.

XU Jiawen， YUN Naizhang， WANG Jianye. Electrochemical Machining Technology：Principle， Process and Application［M］. Beijing：National Defense Industry Press， 2008.

［5］ 趙建社， 王峰， 肖雄， 等. 微尺度弧形群縫電解加工試驗研究［J］. 機械工程學報， 2014， 50（23）：186-193.

ZHAO Jianshe， WANG Feng， XIAO Xiong， et al. Experimental Research on Electrolytic Machining of Micro-scale Arc Group Seams［J］. Chinese Journal of Mechanical Engineering， 2014， 50（23）：186-193.

［6］ 堯佳路， 張傳運， 李俊飛， 等. 陣列變截面凹坑結構電解成形加工流場設計及試驗研究［J］. 電加工與模具， 2019（3）：42-46.

YAO Jialu， ZHANG Chuanyun， LI Junfei， et al. Flow Field Design and Experimental Study on Electroforming of Array Variable-section Pit Structure［J］. Electrical Machining and Die， 2019（3）：42-46.

［7］ HEWIDY M S， EBEID S J， EL-TAWEELT A， et al. Modelling the Performance of ECM Assisted by Low Frequency Vibrations［J］. Journal of Materials Processing Tech.， 2007， 189（1/3）：466-472.

［8］ 朱荻， 劉嘉， 王登勇， 等. 脈動態電解加工［J］. 航空學報， 2022， 43（4）：8-21.

ZHU Di， LIU Jia， WANG Dengyong， et al. Dynamic Electrochemical Machining［J］. Chinese Journal of Aeronautics and Astronautics， 2022， 43（4）：8-21.

［9］ 王峰. 異形孔、槽振動進給脈沖電流電解加工關鍵技術研究［D］. 南京：南京航空航天大學， 2018.

WANG Feng. Research on Key Technologies of Pulsed Current Electrolytic Machining with Vibration Feed for Special-shaped Holes and Slots［D］. Nanjing：Nanjing University of Aeronautics and Astronautics， 2018.

（編輯 袁興玲）

作者簡介：

王 陳，男，1999年生，碩士研究生。研究方向為精密電解加工技術。

趙建社（通信作者），男，1976年生，教授、博士研究生導師。研究方向為精密電解加工、精密電火花加工、特種加工新技術。E-mail：zhaojs@nuaa.edu.cn。