臧傳武，李志永*，路文文，趙成龍，王欽強(qiáng)

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

【研究報(bào)告】

檸檬酸鈉對管電極電解加工氣膜冷卻孔的影響

臧傳武，李志永*，路文文，趙成龍，王欽強(qiáng)

（山東理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山東 淄博 255049）

以航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片常用材料 Inconel718鎳基高溫合金為基材進(jìn)行電解加工，得到氣膜冷卻孔。通過幾組對比實(shí)驗(yàn)，分析了電解液中檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)和NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)對電解加工過程穩(wěn)定性、表面質(zhì)量和加工精度的影響，得到電解加工的最優(yōu)工藝條件為：NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，電解液流量10 mL/min，電極進(jìn)給速率8 μm/s，加工電壓8 V。在該工藝條件下，加工過程穩(wěn)定，冷卻孔附近表面質(zhì)量較好，加工精度較高。

鎳基高溫合金；冷卻孔；電解加工；管電極；檸檬酸鈉；添加劑

First-author’s address:School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China

管電極電解打孔是一種以中空金屬管作為工具陰極，對工件陽極進(jìn)行電化學(xué)蝕除的孔加工工藝，其主要應(yīng)用在航空制造領(lǐng)域?，F(xiàn)代航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件(如渦輪葉片、燃燒室等)都廣泛采用了氣膜冷卻技術(shù)，通過在高溫部件上開冷卻孔，將冷卻介質(zhì)射入高溫燃?xì)?，在主流壓力和摩擦力作用下，冷卻介質(zhì)射流覆蓋于高溫部件表面，形成冷氣膜，將高溫燃?xì)夂捅诿娓糸_[1]。這些高溫部件多采用高強(qiáng)度鋼、鈦合金、鎳基合金等高強(qiáng)度高硬度材料，而且這些氣膜冷卻孔的直徑一般在0.25 ～ 1.25 mm之間，空間角度復(fù)雜，用傳統(tǒng)的機(jī)械方法已無法進(jìn)行加工[2]。因此，在高強(qiáng)度高硬度航空發(fā)動(dòng)機(jī)材料上，如何高效率、高質(zhì)量地加工冷卻孔已成為目前航空制造業(yè)必須解決的問題之一[3-4]。使用電火花、激光加工法存在熱效應(yīng)問題，而采用管電極電解打孔方法可以忽略工件硬度，又沒有工具損耗，加工后不存在熱再鑄層、熱影響區(qū)及殘余應(yīng)力，且通過一次性群孔加工成型，可在保證加工質(zhì)量的基礎(chǔ)上，顯著降低制造成本，提高電解加工效率[5]，故該方法非常適用于加工對熱再鑄層和微裂紋非常敏感的發(fā)動(dòng)機(jī)高溫部件。但目前管電極電解加工尚存在一些問題限制了它的發(fā)展與應(yīng)用。加工過程穩(wěn)定性較差(如短路、火花放電等)就是其中之一，主要原因是加工間隙過小，電解液不易完全帶走加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，使加工狀態(tài)不穩(wěn)定，容易發(fā)生短路現(xiàn)象，甚至引起電極燒傷[6]。管電極電解加工所使用的管電極通常采取外部絕緣的方式來降低側(cè)面雜散腐蝕[7]，但側(cè)面間隙過小又不利于電解產(chǎn)物的排出，易導(dǎo)致短路，加工過程穩(wěn)定性差，影響加工精度。提高加工過程穩(wěn)定性，一直是電解加工研究人員致力于解決的重要問題[8]。

檸檬酸鈉(Na3C6H5O7)具有很好的金屬離子配位性能，并且具有生物降解性，安全無毒，已在電鍍行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。若作為電解加工中電解液的添加劑理應(yīng)能較好地解決固態(tài)電解產(chǎn)物造成短路并影響加工質(zhì)量和穩(wěn)定性的問題，但目前在國內(nèi)尚未得到實(shí)踐。本文從加工電壓和電解液NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)兩個(gè)方面，通過對短路次數(shù)、加工間隙和表面質(zhì)量的分析，研究了電解液中添加檸檬酸鈉對管電極孔加工質(zhì)量和穩(wěn)定性的影響。最后在此基礎(chǔ)上，通過對比實(shí)驗(yàn)得到優(yōu)化的工藝參數(shù)，使加工穩(wěn)定性得到提高。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 材料和加工機(jī)床

對1.5 mm厚的Inconel718鎳基高溫合金薄板進(jìn)行氣膜冷卻孔加工對比實(shí)驗(yàn)，加工時(shí)實(shí)驗(yàn)材料與水平面呈45°放置。Inconel718鎳基高溫合金是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片最常用的材料之一，合金中鎳含量為50% ～ 55%，其余主要元素有Cr、Nb、Ni、Mo等，該合金在高溫下的屈服強(qiáng)度高、塑性好，同時(shí)具有良好的成型性能和耐腐蝕、耐氧化性能。

采用自主設(shè)計(jì)的管電極微細(xì)電解加工數(shù)控機(jī)床，該機(jī)床控制系統(tǒng)基于數(shù)據(jù)采集技術(shù)，采用DM2410B運(yùn)動(dòng)控制卡及配套的 ACC2410-V1.0接線端子盒控制伺服驅(qū)動(dòng)器，從而對進(jìn)給系統(tǒng)進(jìn)行控制，能夠?qū)崿F(xiàn)四軸聯(lián)動(dòng)和多種軌跡控制要求。通過程序設(shè)計(jì)，能夠在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)對機(jī)床單軸及多軸的速度控制、位置控制、直線插補(bǔ)和位置插補(bǔ)等操作，并對進(jìn)給速度、加工時(shí)間和位移量進(jìn)行實(shí)時(shí)曲線顯示。進(jìn)給系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)最低1 μm/s的低速運(yùn)動(dòng)。電解加工冷卻孔時(shí)，該機(jī)床能夠滿足對速度、精度及穩(wěn)定性的要求。

1. 2 電極管與加工參數(shù)

圖1所示為電解加工示意圖。采用直徑0.8 mm的黃銅管電極，電極側(cè)面采用聚四氟乙烯進(jìn)行絕緣處理，絕緣層單邊厚度50 μm，浸入電解液的端面預(yù)留0.2 mm長不做絕緣處理，采用電解液正流式加工，具體加工參數(shù)為：電解液流量10 mL/min，壓強(qiáng)0.35 MPa，電極進(jìn)給速率8 μm/s，電壓6 ～ 12 V。

圖1 管電極電解加工示意圖Figure 1 Schematic diagram of electrolytic machining by tube electrode

在電解加工中，加工間隙是核心的工藝要素，其包括端面間隙和側(cè)面間隙。端面間隙Δb是指加工穩(wěn)定時(shí)管電極加工端面與工件之間的距離。單邊側(cè)面間隙Δs是指加工穩(wěn)定時(shí)管電極側(cè)壁與冷卻孔內(nèi)壁之間的距離，是決定加工精度的主要因素，直接影響加工效率和表面質(zhì)量，也是設(shè)計(jì)工具陰極和選擇加工參數(shù)的主要依據(jù)[9]。Δs在加工過程中不易測量，因此一般在電解加工后進(jìn)行測算。

采用NaNO3電解液，以檸檬酸鈉為添加劑，通過改變NaNO3和檸檬酸鈉的質(zhì)量分?jǐn)?shù)設(shè)計(jì)了16組電解加工對比實(shí)驗(yàn)。

1. 3 表征方法

實(shí)驗(yàn)采用人工記錄為主、電流監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測電流跳變次數(shù)為輔的方法，統(tǒng)計(jì)加工過程中的短路次數(shù)。采用德國蔡司Axio Lab.A1金相顯微鏡觀察冷卻孔的表面質(zhì)量并檢測其直徑，計(jì)算單邊側(cè)面間隙，計(jì)算公式如下：

式中，D為電解加工所得冷卻孔直徑(μm)，d為管電極直徑(實(shí)驗(yàn)所用管電極直徑為900 μm)。在電解加工工藝的小孔精加工技術(shù)要求中，一般要求該加工間隙在20 ～ 200 μm范圍內(nèi)[9]。

2 結(jié)果與討論

2. 1 檸檬酸鈉對管電極電解加工冷卻孔加工穩(wěn)定性的影響

在不同電壓下，采用不同體系電解液進(jìn)行電解加工冷卻孔過程中的短路次數(shù)見表1。從表1可知，電解液中添加檸檬酸鈉后，短路次數(shù)明顯降低，加工過程穩(wěn)定。

表1 采用不同電解液時(shí)電解加工過程中的短路次數(shù)Table 1 Number of short circuit during machining process in different electrolytes

根據(jù)鎳基高溫合金Inconel718材料成分分析可知，其在加工過程中主要的固態(tài)電解產(chǎn)物為藍(lán)綠色Ni(OH)2、白色Nb(OH)5和黑色Mo(OH)4。而管電極電解加工過程中的加工間隙較小，不利于固態(tài)電解產(chǎn)物的排出，因此導(dǎo)致短路現(xiàn)象的發(fā)生[8]。檸檬酸鈉具有很好的金屬離子配位性能，可與上述金屬沉淀物發(fā)生配位反應(yīng)而形成配合物，使其順利排出電解加工區(qū)域，保證了加工過程的順利進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)表明，電解液添加檸檬酸鈉后，電解加工區(qū)域的固態(tài)電解產(chǎn)物均顯著減少，短路次數(shù)明顯降低，可以很好地解決電解加工區(qū)域固態(tài)電解產(chǎn)物不易排出而導(dǎo)致短路的問題，有效地提高了電解加工過程的穩(wěn)定性[8-9]。

2. 2 檸檬酸鈉對管電極電解加工冷卻孔表面質(zhì)量的影響

在8 V加工電壓下，分別采用8% NaNO3溶液和8% NaNO3+ 2%檸檬酸鈉溶液對工件進(jìn)行電解加工，所得冷卻孔的微觀形貌如圖2所示，加工后冷卻孔附近表面質(zhì)量如圖3所示。

圖2 不同電解液加工的冷卻孔微觀形貌(×50)Figure 2 Microscopic morphologies of cooling hole machined in different electrolytes (×50)

圖3 不同電解液加工后，冷卻孔周邊表面的顯微形貌(×100)Figure 3 Microscopic morphologies of surface around cooling hole machined in different electrolytes (×100)

從圖2和圖3可知，電解液中未加檸檬酸鈉時(shí)，冷卻孔的圓度較差，工件表面選擇性腐蝕現(xiàn)象明顯，表面質(zhì)量較差；加入檸檬酸鈉后，冷卻孔圓度較好，孔周圍工件材料表面選擇性腐蝕現(xiàn)象顯著降低，表面質(zhì)量得到明顯改善。

2. 3 檸檬酸鈉對管電極電解加工冷卻孔單邊間隙的影響

在不同加工電壓下，分別采用不同電解液對工件進(jìn)行電解加工，采用金相顯微鏡檢測所得冷卻孔的直徑，計(jì)算出冷卻孔的單邊側(cè)面間隙Δs，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同條件下加工的單邊間隙Figure 4 Unilateral spaces under different machining conditions

從圖4可知，當(dāng)加工電壓越小、電解液NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低時(shí)，管電極電解加工冷卻孔的單邊側(cè)面間隙越小，加工精度理應(yīng)越高，但結(jié)合表 1可知，單邊側(cè)面間隙越小，發(fā)生短路的次數(shù)就越多，加工精度反而會(huì)受到影響。故不能單純靠降低加工電壓和電解液NaNO3含量來提高加工精度。綜合圖4和表1可知，在不同電壓和電解液濃度條件下，電解液添加檸檬酸鈉后，管電極電解加工冷卻孔的單邊側(cè)面間隙均變小，加工過程穩(wěn)定而不易短路，加工精度得到有效提高。

綜上可知，在加工電壓8 V、NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%、添加劑檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%的條件下，電解加工冷卻孔的單邊側(cè)面間隙為108 μm，滿足加工要求。在該工藝參數(shù)下，單邊側(cè)面間隙較小，加工質(zhì)量較高，且無短路現(xiàn)象發(fā)生，加工過程穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1) 電解液添加檸檬酸鈉后，電解加工區(qū)域的固態(tài)電解產(chǎn)物和加工過程的短路次數(shù)明顯減少，所得冷卻孔圓度較好，單邊側(cè)面間隙較小，工件表面腐蝕現(xiàn)象改善，說明檸檬酸鈉可以有效提高電解加工的穩(wěn)定性和加工精度。

(2) 電解加工冷卻孔的最優(yōu)工藝參數(shù)為：加工電壓8 V，NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)8%，檸檬酸鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)2%，電解液流量10 mL/min(正流式)，電極進(jìn)給速率8 μm/s，壓強(qiáng)0.35 MPa。

[1]李廣超, 柏樹生, 吳冬, 等. 氣膜孔形狀對渦輪葉片氣膜冷卻影響的研究進(jìn)展[J]. 熱能動(dòng)力工程, 2010, 25 (6): 581-585.

[2]劉軍. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔的打孔工藝[J]. 航空發(fā)動(dòng)機(jī), 1995 (2): 31-36.

[3]李志永, 季畫. 電解加工在微細(xì)制造技術(shù)中的應(yīng)用研究[J]. 機(jī)械設(shè)計(jì)與制造, 2006 (6): 77-79.

[4]孫建軍, 李志永, 臧傳武. 航空發(fā)動(dòng)機(jī)氣膜冷卻孔的電解加工[J]. 電鍍與涂飾, 2015, 34 (11): 626-631.

[5]SKOCZYPIEC S. Research on ultrasonically assisted electrochemical machining process [J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2011, 52 (5/6/7/8): 565-574.

[6]史先傳, 朱荻, 徐惠宇. 電解加工的間隙監(jiān)測與控制[J]. 機(jī)械科學(xué)與技術(shù), 2005, 24 (5): 536-539.

[7]CHRYSSOLOURIS G, WOLLOWITZ M, SUN N P. Electrochemical hole making [J]. CIRP Annals—Manufacturing Technology, 1984, 33 (1): 99-104.

[8]王維, 朱荻, 曲寧松, 等. 管電極電解加工工藝過程穩(wěn)定性研究[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46 (11): 179-184.

[9]王建業(yè), 徐家文. 電解加工原理及應(yīng)用[M]. 北京: 國防工業(yè)出版社, 2001: 48-64.

[ 編輯：周新莉 ]

Effect of sodium citrate on electrolytic machining of gas film cooling hole by tube electrode

ZANG Chuan-wu,LI Zhi-yong*, LU Wen-wen, ZHAO Cheng-long, WANG Qin-qiang

Film cooling holes were obtained by electrolytic machining using Inconel718 nickel-based superalloy commonly used for turbine blade of aero-engine as the substrate. The effects of mass fractions of sodium citrate and NaNO3in electrolyte on stability, surface quality, and precision of the machining process were analyzed through several groups of comparative experiments. The optimal process parameters of electrolytic machining were obtained as follows: NaNO38wt%, sodium citrate 2wt%, flow rate of electrolyte 10 mL/min, feed rate of electrode 8 μm/s, and machining voltage 8 V. The process features good stability, satisfactory surface quality, and good precision under the given conditions.

nickel-based superalloy; cooling hole; electrolytic machining; tube electrode; sodium citrate; additive

TQ151

A

1004 - 227X (2015) 21- 1201 - 04

2015-07-03

2015-09-14

山東省自然科學(xué)基金（ZR2014EEM038，ZR2014EL032）。

臧傳武（1990-），男，山東濰坊人，在讀碩士研究生，主要研究方向?yàn)橄冗M(jìn)制造技術(shù)與裝備。

李志永，教授，(E-mail) lzy761012@sdut.edu.cn。