異形深孔加工技術(shù)的優(yōu)勢及穩(wěn)定性探索研究

深孔加工在機(jī)械加工領(lǐng)域有著非常重要的地位，約占孔加工量的40%。而隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，新型高強(qiáng)度、高硬度和高價值難加工異形深孔零件更廣泛的出現(xiàn)及應(yīng)用于航空航天、換熱設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域，再加之加工深度、加工精度以及加工效率要求的不斷提高，如孔徑需求在0.3mm~2mm且形狀不規(guī)則的渦輪葉片氣膜冷卻孔；采用進(jìn)氣道格柵隱身技術(shù)的隱形戰(zhàn)機(jī)中，格柵零件上排布的大量鈦合金傾斜方孔；都使得異形深孔加工成為現(xiàn)代機(jī)械制造的關(guān)鍵工序和難點(diǎn)挑戰(zhàn)。

電解加工技術(shù)優(yōu)勢顯著

對于深孔加工，使用傳統(tǒng)鉆削工藝存在著刀具剛性不足、鉆頭易折斷、切屑難以排出等工藝缺陷。使用電火花加工工藝，雖然工件材料硬度不受限制，但隨著孔深的增加，電極損耗嚴(yán)重，加工效率大幅降低，制造成本顯著增加；孔壁還存有再鑄層，需要使用磨粒流機(jī)械研磨加工，不僅精度低，還易存在去除不了的死角。

電解加工是利用金屬在電解液中產(chǎn)生電化學(xué)陽極溶解的原理對工件進(jìn)行加工的一種創(chuàng)新工藝。沒有宏觀“切削力”和“切削熱”的作用，因此工件表面不會產(chǎn)生像切削加工中所形成的塑性變形層，也不會產(chǎn)生殘余應(yīng)力，更不會像電火花在加工面上產(chǎn)生再鑄層，具有很低的表面粗糙度值，對于難加工材料、異形孔零件的加工具有顯著優(yōu)勢，且批量越大，單件生產(chǎn)成本越低。

工藝穩(wěn)定性探索

然而，電解加工異形深孔零件時，加工間隙流場特性會極大影響電解液流速、壓力、溫度等分布情況，進(jìn)而影響加工部位各處溶解速率以及電解產(chǎn)物能否及時排出，最終決定了深孔零件的加工品質(zhì)。因此，合理優(yōu)化電解加工流場不僅能保證加工過程的穩(wěn)定性，還能在一定程度上提高加工效率和表面質(zhì)量。不少國內(nèi)外學(xué)者也曾就如何提高電解加工過程穩(wěn)定性開展大量研究，南京航空航天大學(xué)浦口先進(jìn)制造研究院作為南京市第一批備案的新型研發(fā)機(jī)構(gòu)，在電解加工領(lǐng)域有著深入研究，與全球金屬加工解決方案領(lǐng)先企業(yè)、也是在精密電解加工領(lǐng)域擁有多項(xiàng)專利技術(shù)的埃馬克集團(tuán)于2018年合作建立的“EMAG中德先進(jìn)制造聯(lián)合研究中心”更是開創(chuàng)了國內(nèi)電解加工科研教育領(lǐng)域的校企合作先河。

針對異形深孔電解加工工藝存在的進(jìn)出口流場突變、加工間隙流場分布不均、工藝穩(wěn)定性相對較差等問題，南京航空航天大學(xué)薛潤榮在趙建社老師的指導(dǎo)和幫助下以深徑比大于10:1的異形孔零件為研究對象，對其加工開始、加工穩(wěn)定、加工穿透的各個階段流場分布進(jìn)行仿真模擬與優(yōu)化研究，并配合埃馬克電解加工機(jī)床進(jìn)行加工試驗(yàn)，連續(xù)穩(wěn)定地加工出高精度的異形深孔零件，以期為實(shí)際生產(chǎn)提供一定的借鑒與參考。

圖1 試驗(yàn)所選取零件示意圖

試驗(yàn)所選取的零件如圖1所示，深徑比為12:1，異形孔入口處為平面，出口處為半通半盲孔。電解加工過程中，工具陰極接電源負(fù)極，工件接電源正極，工具陰極以一定速度向下進(jìn)給，電解液高速流過工具陰極與工件形成的加工間隙，帶走加工產(chǎn)物及焦耳熱，工件一側(cè)發(fā)生電化學(xué)溶解，實(shí)現(xiàn)工件加工成形，工具陰極外側(cè)涂覆絕緣層以防止加工過的孔壁發(fā)生二次電解。

圖2 異形孔電解加工示意圖

流場優(yōu)化研究

加工穿透階段。如圖3所示，異形孔出口處為半通半盲，加工穿透瞬間加工間隙內(nèi)電解液大量缺失，容易引發(fā)短路現(xiàn)象導(dǎo)致加工中斷，造成零件報廢與陰極損傷。“針對以上問題，我們采取了優(yōu)化陰極通液孔的方式來改善加工穿透時的流場分布?！壁w老師介紹說。

圖3：加工穿透間隙示意圖

依據(jù)通液孔流道截面積之和大于等于加工間隙流道截面積之和的原則，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了如圖4所示的單孔與多孔兩種通液結(jié)構(gòu)。并借助埃馬克PTS800電解機(jī)床，將它們置于相同條件下進(jìn)行加工穿透階段的對比。最終證實(shí)，相比單孔通液結(jié)構(gòu)，多孔通液結(jié)構(gòu)更能夠保證半通半盲孔加工穿透時，工具陰極與工件表面之間仍有一定流速的電解液通過，更有利于加工穿透間隙流場穩(wěn)定性的提高。

圖4 通液孔結(jié)構(gòu)示意圖

加工開始階段：如圖5（a）所示，由于試驗(yàn)異形孔入口處為平面，加工間隙流場呈發(fā)散狀態(tài)，工具陰極開始加工到穩(wěn)定加工的過程中流場存在突變，易發(fā)生短路現(xiàn)象，同時會對工件表面非加工部位產(chǎn)生雜散腐蝕。為解決這一問題，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)提出了在工件表面放置帶絕緣導(dǎo)流板的方式，如圖5（b）所示，來減弱流場的發(fā)散程度，同時保護(hù)工件表面非加工部位不發(fā)生雜散腐蝕。

圖5 異形孔加工開始階段示意圖

加工穩(wěn)定階段：進(jìn)入加工穩(wěn)定階段，加工間隙內(nèi)電解液需要具有一定流速，才能滿足排出電解產(chǎn)物與控制溫升的要求。而要想滿足電解液流速需求，設(shè)置合理的電解液進(jìn)出口壓力是關(guān)鍵。“借助埃馬克PTS800電解機(jī)床可對加工電源參數(shù)、電解液參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時調(diào)節(jié)控制并及時取得加工反饋信息的優(yōu)勢特點(diǎn)，我們可以輕松實(shí)現(xiàn)不同進(jìn)出口壓力的設(shè)置，并根據(jù)加工狀況進(jìn)行探究、調(diào)整，以獲取最合適的參數(shù)。”趙老師介紹說。

試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)先取電解液出口壓力為0MP，進(jìn)口壓力為逐漸遞增的不同數(shù)值進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)口壓力的增加，雖然電解液流速不斷上升，但是相鄰?fù)ㄒ嚎字車呢?fù)壓區(qū)域也在逐漸增加。負(fù)壓區(qū)域增加時，當(dāng)間隙內(nèi)壓力突降極易造成電解液氣化，氣泡積聚則會導(dǎo)致空穴現(xiàn)象，從而影響加工順利進(jìn)行。要想消除負(fù)壓區(qū)域，只有適當(dāng)施加背壓。

在取不同出口背壓與進(jìn)口壓力值進(jìn)行新一輪探究中，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)在反復(fù)的對比分析后終于找到了既能滿足電解液流速設(shè)計(jì)要求，也能大大降低負(fù)壓區(qū)域的合理參數(shù)。

復(fù)合進(jìn)給對流場影響

通過增加背壓，雖然在一定程度上降低了負(fù)壓區(qū)域，但很難做到完全消除，無法絕對保障工藝的穩(wěn)定性，南航師生們又開始思索進(jìn)一步的優(yōu)化方案?！拌b于埃馬克電解機(jī)床具備振動進(jìn)給功能，經(jīng)與老師反復(fù)討論后，我們最終找到了解決方案——復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動。”薛潤榮介紹道。

“埃馬克電解機(jī)床Z軸附帶振動裝置，可按照需求實(shí)現(xiàn)復(fù)合運(yùn)動或直線運(yùn)動，為我們此次探究復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動對流場分布規(guī)律的影響提供了非常好的硬件支持?！壁w老師補(bǔ)充道。試驗(yàn)所設(shè)置的單個振動周期運(yùn)動規(guī)律如圖6所示。

圖6 單個振動周期運(yùn)動示意圖

在對單個振動周期內(nèi)不同時刻對角線上電解液流速、電解液壓力數(shù)據(jù)樣點(diǎn)進(jìn)行對比分析發(fā)現(xiàn)，在工具陰極直線進(jìn)給過程中輔以低幅周期性振動，可以避免電解產(chǎn)物堆積，減弱雜散電場對異形孔側(cè)壁的二次腐蝕，使流場分布更加均勻，改善異形孔加工精度，優(yōu)化加工穿透時流場分布狀態(tài)，提高加工穩(wěn)定性。

異形深孔電解加工試驗(yàn)

在工藝方案、加工參數(shù)確定后，試驗(yàn)團(tuán)隊(duì)迎來了最后也是最關(guān)鍵的實(shí)機(jī)加工環(huán)節(jié)。試驗(yàn)所用到的設(shè)備還是來自埃馬克PTS800電解機(jī)床?！鞍藱C(jī)床本體、控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)和加工電源的集成控制系統(tǒng)，不僅可對數(shù)控軸、加工電源參數(shù)、電解液參數(shù)等進(jìn)行實(shí)時控制，并依據(jù)反饋信息實(shí)時調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位、優(yōu)質(zhì)加工，帶圖文顯示、極富人性化的操作界面讓加工過程更加真切直觀，為對于電解加工技術(shù)還處于學(xué)習(xí)熟悉階段的學(xué)生們的試驗(yàn)探究提供了極大的便利?！壁w老師對埃馬克的電解加工設(shè)備性能表示認(rèn)可。

圖7 埃馬克PTS800電解機(jī)床

依據(jù)之前步驟探究的流場優(yōu)化方案，將工件材料置于電解液中，設(shè)置好相應(yīng)的參數(shù)，并讓Z軸以多種不同的進(jìn)給速度及一定振動頻率做復(fù)合運(yùn)動，進(jìn)行電解加工試驗(yàn)。通過測量比較不同進(jìn)給速度下加工樣品的實(shí)際尺寸與理論尺寸相差值，選出誤差最小、精度最高的進(jìn)給速度，并在此速度下進(jìn)行多次加工試驗(yàn)。

加工實(shí)物如圖8，工件尺寸穩(wěn)定控制在2.05?0.03mm和3.05?0.03mm，不僅實(shí)現(xiàn)了高精度、穩(wěn)定加工，還保障了極佳的表面質(zhì)量。

圖8 小批量樣件實(shí)物圖

“精密電解加工技術(shù)是當(dāng)前應(yīng)對難加工材料及復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的最優(yōu)勢的方法之一，也是南航浦口先進(jìn)制造研究院關(guān)注和研究的重點(diǎn)。埃馬克是全球精密電解加工領(lǐng)域的先行者和領(lǐng)先者，其研發(fā)的專業(yè)設(shè)備更是應(yīng)用于眾多國際知名制造企業(yè)。在埃馬克的技術(shù)支持與設(shè)備助力下，目前我們南航浦口先進(jìn)制造研究院已經(jīng)開展了多個有關(guān)電解加工的方案探究和技術(shù)優(yōu)化項(xiàng)目，相信今后在我們的緊密合作下，南航浦口先進(jìn)制造研究院與埃馬克一定能為我國精密電解加工行業(yè)的進(jìn)步發(fā)展帶來突破和貢獻(xiàn)?！?/p>

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