徐 波，干為民，王祥志，何亞峰，尹飛鴻，周敘榮

（ 1. 常州工學(xué)院航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇常州213002；2. 江蘇省高校特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002 ）

采用螺旋肋化通道是提高冷卻孔冷卻效果的有效方法，關(guān)于小孔徑內(nèi)表面細(xì)微結(jié)構(gòu)傳熱性能的相關(guān)研究表明，具有表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的冷卻孔較光滑孔的傳熱效率大大提高[1]，湯勇等[2]在銅孔光滑孔的內(nèi)表面加工出具有凹槽的微型結(jié)構(gòu)，并通過研究發(fā)現(xiàn)其傳熱效率高，最好的效果達(dá)到了普通光滑孔的4 倍。

針對(duì)此類表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)的加工，國內(nèi)已有一定研究。 逄珊珊等[3]針對(duì)細(xì)長孔的擴(kuò)孔加工研制了專用試驗(yàn)裝置，總結(jié)了電流密度、脈沖頻率等參數(shù)對(duì)加工結(jié)果的影響規(guī)律；陳明、朱成康等[4-5]針對(duì)肋化通道中的螺旋冷卻孔， 在建立數(shù)學(xué)模型后利用MATLAB 軟件對(duì)成形過程進(jìn)行模擬仿真，并通過試驗(yàn)驗(yàn)證了模型的合理性；王明環(huán)等[6]針對(duì)渦輪葉片竹節(jié)孔冷卻通道， 采用電解反拷法制備工具陰極，通過FLUENT 軟件多相流模型分析了螺旋孔深度變化對(duì)加工間隙中流場分布的影響，最后高效加工出竹節(jié)孔結(jié)構(gòu)；張垚彬[7]在搭建低頻振動(dòng)電解加工平臺(tái)的基礎(chǔ)上，采用改性后光敏樹脂絕緣法，通過數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究了陰極低頻振動(dòng)時(shí)小孔內(nèi)壁微結(jié)構(gòu)的成形規(guī)律。

本文基于電解加工方法，以光滑小孔內(nèi)壁為加工對(duì)象，設(shè)計(jì)螺旋形陰極，通過在陰極非絕緣螺旋形表面與陽極小孔間施加電場和流場，從而加工出小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)。

1 小孔徑螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工原理

圖1 是小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工原理總圖。 其中，圖1a 是螺旋形陰極，其側(cè)面為具有一定導(dǎo)程的螺旋槽，槽內(nèi)設(shè)有絕緣材料，側(cè)壁螺旋形裸露部分為工作部分。 圖1b 是工件， 其內(nèi)設(shè)有預(yù)制孔，預(yù)制孔孔徑與陰極外徑兩者差值的一半為初始加工間隙， 對(duì)電解加工的成形結(jié)果有著重要影響。圖1c 是小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工示意， 在加工過程中，電解液通過復(fù)合刀柄從陰極內(nèi)部通孔流入底部和側(cè)壁加工間隙，最后從出口流出。 由于陰極螺旋凹槽處設(shè)有絕緣層，工件表面與絕緣層正對(duì)的部分不形成電場，從而不被加工；而陰極螺旋形裸露表面的工作部分與工件材料形成電場，在流場的共同作用下發(fā)生電化學(xué)腐蝕而被加工，工件陽極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)而被溶解，從而達(dá)到去除工件材料的目的；同時(shí)，溶液中的氫離子在陰極表面得到電子而發(fā)生還原反應(yīng)生成氫氣并逸出，隨著時(shí)間推移，去除量增多、加工間隙增大，截面積形成鼓形，陽極表面的電場強(qiáng)度慢慢減弱，加工電流密度與加工效率降低，直至形成所需深度的小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)。 根據(jù)電解加工基本理論，不同電壓峰值、脈沖頻率、占空比、電解液成分與濃度、表面流速、加工時(shí)間、初始加工間隙等對(duì)所加工螺旋槽的形狀有直接關(guān)系， 圖1d 是加工完成的小孔內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)示意圖。

為進(jìn)一步研究小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工原理， 將圖1c 沿著水平方向取截面后得到的圖形見圖2。 圖2a 是加工前準(zhǔn)備狀態(tài)，工件上設(shè)有預(yù)制孔，陰極運(yùn)行至預(yù)制孔內(nèi)，兩者中心線重合，陰極表面設(shè)有兩條螺旋槽，螺旋槽內(nèi)涂有絕緣層，以防電解加工時(shí)二次腐蝕而影響加工精度和孔內(nèi)形貌，工具陰極的內(nèi)部設(shè)有通液中心孔，工具陰極裸露表面對(duì)應(yīng)的圓心角為θ。 圖2b 是孔的加工過程，電解液從工具陰極內(nèi)部流入加工間隙內(nèi)，工件表面裸露的螺旋形金屬表面在流場和電場的耦合作用下，使正對(duì)的工件陽極表面發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而被加工，由于陰極裸露工作面是螺旋形，從而工件被加工出螺旋形凹槽。

由圖2b 可知， 電解加工前工具陰極和工件的初始加工間隙Δ1 為預(yù)制孔和工具陰極直徑差值的一半，可表達(dá)為：

工件上加工所得螺旋槽與未加工部分通過圓角相連， 其半徑為R1， 大小需通過具體實(shí)驗(yàn)測得。工具陰極絕緣層所正對(duì)的初始加工間隙中由于無法形成電場，此處的Δ1 在加工過程中無變化。 工具陰極螺旋形裸露金屬所正對(duì)的加工間隙由于電場和流場作用而慢慢增大，此處工件被去除速度參照公式：

式中：Δ0 為與X軸夾角為0 時(shí)的實(shí)時(shí)加工間隙值；η 為加工中電流效率；ω 為體積電化學(xué)當(dāng)量；κ 為電解液電導(dǎo)率；U為工件和工具上所加的電壓；δE為兩電極的電位值之和；Va為電解速度。

此時(shí)，螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工過程中加工間隙Δ2為：

由于此時(shí)陰極是靜止的，相對(duì)于工件無進(jìn)給速度， 加工間隙值與去除速度實(shí)際為正比例關(guān)系，即加工速度越快，加工間隙值越大，且Δ2 決定了最終加工所得螺旋槽的深度。 從圖2b 可看出，加工所得螺旋槽的寬 度決 定 于 工 件 陰 極 裸 露 長 度及 對(duì)應(yīng)的圓心角θ。

以工具陰極圓心為坐標(biāo)系原點(diǎn)O， 沿著水平和豎直方向分別建立X軸和Y軸，Δ1 離開中心法線的加工間隙設(shè)為Δθ（θ 為工具陰極上任意一點(diǎn)的法線與Y軸的夾角），經(jīng)過時(shí)間dt后，即t+dt時(shí)刻，在θ 處的加工間隙為Δθ+dΔθ， 在該dt時(shí)間內(nèi)工件表面對(duì)應(yīng)點(diǎn)的電解速度為：

同時(shí)，可推導(dǎo)出加工間隙與速度的基本微分方程：

式中：V為θ 角度上對(duì)應(yīng)加工速度。

2 螺旋槽結(jié)構(gòu)電解加工裝置和陰極設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)控電解機(jī)床及刀柄設(shè)計(jì)

圖3 是試驗(yàn)采用自行研制的數(shù)控電解加工機(jī)床主體，以加工某熱電廠換熱器冷卻孔為例，其孔徑φ1=3 mm， 螺旋槽深度d=0.65 mm， 導(dǎo)程為3 mm。 該裝置能實(shí)現(xiàn)多軸聯(lián)動(dòng)，并配有電解液防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)在線過濾和恒溫控制；同時(shí)為減少夾具設(shè)計(jì)制造，機(jī)床主軸采用7∶24 裝配錐孔，并配備相應(yīng)的刀柄，此刀柄能實(shí)現(xiàn)陰極旋轉(zhuǎn)、導(dǎo)電及導(dǎo)通電解液的功能；刀柄下端采用標(biāo)準(zhǔn)ER 彈簧夾頭，可裝夾一定直徑范圍的陰極。

2.2 陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

陰極設(shè)計(jì)過程中需考慮到目標(biāo)零件的結(jié)構(gòu)特征和加工間隙的大小，而加工間隙的分布狀況取決于電解加工過程中電場、流場、溫度場等主要物理場的耦合作用，其中電場和流場分布是陰極設(shè)計(jì)時(shí)的主要參考因數(shù)。 圖4 是針對(duì)待加工孔結(jié)構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)的陰極， 陰極螺旋體的導(dǎo)程跟工件導(dǎo)程相同，外徑φ2 根據(jù)初始加工間隙Δ1 而定。

3 小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)電解加工的電場與流場

3.1 電解加工電場分析

為掌握小孔徑內(nèi)壁螺旋形結(jié)構(gòu)在不同電壓和初始間隙條件下的成形結(jié)果，建立的電場分析模型見圖5， 分別分析工件陽極電勢為6、10、14 V 和初始加工間隙為0.2、0.3、0.4 mm 下的電流密度分布情況，有典型意義的為低電壓、小間隙和高電壓、大間隙時(shí)的分析結(jié)果。

從圖5a 可看出，取電壓6 V、初始間隙0.2 mm時(shí)，由于初始加工間隙較小，加工所得螺旋槽截面的圓弧兩端電流密度較集中，最大為21.03 A/mm2，而電流密度從圓弧兩端至中間逐漸減少，圓弧中心處陰陽極間距最大，電流密度僅0.013 A/mm2，加工基本停止。 可見，加工時(shí)間過長，將導(dǎo)致圓弧兩端的去除量增加而中間段較少，即加工所得螺旋槽橫截面曲率半徑過大。 由圖5b 可見，隨著電壓升高，圓弧中心處電流密度增加，達(dá)4.267 A/mm2，而圓弧兩端的電流密度也有所提高，約為25.49 A/mm2，即整個(gè)螺旋槽都處于被加工狀態(tài)，但依然是圓弧兩端比圓弧中間加工速度快。 在圖5c 中雖然電壓值較高，但由于初始加工間隙值也較大，圓弧兩端的電流密度值有所降低，電流密度在15.5～20.64 A/mm2，而圓弧中間電流密度為10.36 A/mm2。 由此可見，整個(gè)加工過程電流密度差值較小， 電化學(xué)反應(yīng)過程穩(wěn)定，陰極設(shè)計(jì)時(shí)可依據(jù)此規(guī)律。

3.2 電解加工流場分析

為了解陰極加工結(jié)束前加工間隙中流場分布情況，利用FLUENT 軟件進(jìn)行流場分析。 假設(shè)電解液為理想單相液體流，分析時(shí)不考慮加工過程中溫升和離子產(chǎn)物對(duì)流體力學(xué)性能的影響，入口壓力初設(shè)為1 MPa、初始加工間隙為0.4 mm，整個(gè)流道和局部放大流速分布見圖6。可看出，螺旋槽在加工一定深度后，在出口處及螺旋結(jié)構(gòu)表面流域均存在渦流現(xiàn)象，渦流不僅影響了電解液更新，還降低了電解液的電導(dǎo)率、影響電解產(chǎn)物的排除，從而降低加工速度和加工所得螺旋槽的表面質(zhì)量。

在陰極設(shè)計(jì)時(shí)發(fā)現(xiàn)，陰極螺旋槽與螺旋加工面交接處（圖6 所示A處）為直角結(jié)構(gòu)時(shí)，流域內(nèi)流場分布受此影響較大， 現(xiàn)將A處改為小半徑圓角結(jié)構(gòu)，得到的新流場見圖7，流道內(nèi)只有出口附近還存在少許渦流，但此處為非加工面，不影響加工結(jié)果，流道內(nèi)其他地方無渦流現(xiàn)象，且加工所得工件螺旋結(jié)構(gòu)表面流速約為30 m/s，完全滿足電解加工對(duì)電解液流速的要求。

4 加工試驗(yàn)及結(jié)果分析

4.1 正交試驗(yàn)

為求得各加工參數(shù)對(duì)螺旋槽加工深度的影響規(guī)律， 采用正交試驗(yàn)研究方法， 選取電壓（12、14、16、18 V）、時(shí)間（1、3、5、7 min）、占空比（40%、50%、60%、70%）、初始加工間隙（0.1、0.15、0.2、0.25 mm）的四因素四水平試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。

根據(jù)初始加工間隙的不同，需在試件上預(yù)鉆孔徑不同的陣列孔，利用橡膠墊圈、ER32 彈簧夾頭將陰極固定在刀柄上，刀柄一端接通電解液，另一端聯(lián)接電源導(dǎo)線。 加工時(shí)需用鎖緊螺栓固定刀柄軸套，防止加工中陰極發(fā)生旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)陰極需深入預(yù)鉆孔，使得工件與刀柄之間的間隙較小，在電解液流出時(shí)工件表面與刀柄間因存在電場而發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)， 所以在工件表面設(shè)有有機(jī)玻璃薄片，以防雜散腐蝕，其試驗(yàn)過程及結(jié)果見圖8 和表1。

從極差分析可知，影響小孔徑螺旋槽結(jié)構(gòu)槽深的主次關(guān)系為：加工間隙＞電壓＞占空比＞加工時(shí)間。從16 組試驗(yàn)可直接看出， 加工結(jié)果較好的為第2、3、14 號(hào)試驗(yàn)，這三組加工結(jié)果輪廓明顯、雜散腐蝕小，成形精度高、無短路燒傷陰極現(xiàn)象。 用線切割剖開工件并采用超景深顯微鏡對(duì)加工所得螺旋槽進(jìn)行三維掃描測量，并對(duì)各試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行比較，部分加工結(jié)果見圖9，其3D 成像和深度顯示見圖10。

表1 正交試驗(yàn)結(jié)果及分析

比較表1 所示螺旋槽槽深可看出各組試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的影響規(guī)律。 從試驗(yàn)1～4 號(hào)可看出，在加工間隙相同的情況下，隨著電壓、時(shí)間及占空比的增大，螺旋孔凹槽的深度也增大，加工效率越明顯；同時(shí)，加工時(shí)間過長可能會(huì)引起陰極表面的附著物增加明顯，導(dǎo)致電解液溫度過高而加速絕緣材料的脫落。 相同電壓下選取第1、5、9、13 號(hào)試驗(yàn)進(jìn)行比較可知，加工電壓較低時(shí)加工深度都不夠理想；選取第4、8、12、16 號(hào)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，加工電壓較高時(shí)螺旋槽加工深度明顯提高， 且隨著占空比升高，加工深度也有所增加。

本試驗(yàn)中，以各組試驗(yàn)的電流變化規(guī)律最為明顯，選擇不同電壓對(duì)應(yīng)初始加工間隙時(shí)觀測加工電流的變化趨勢，其中電壓為12、14、16、18 V 時(shí)初始加工間隙分別為0.1、0.2、0.3、0.4 mm。 由圖11 可知，對(duì)應(yīng)某一電壓，隨著加工時(shí)間的推移，電流呈逐漸下降的趨勢， 這是由于加工過程中電壓保持不變，加工面積緩慢增加、電解液流速緩慢降低、加工間隙逐漸增加，從而導(dǎo)致電流密度降低、材料去除速率降低；而針對(duì)相同初始加工間隙時(shí)，電壓越高，加工電流越大，其去除速度越快，但并非電壓越高越好，高電壓加工時(shí)雜散腐蝕嚴(yán)重，加工所得表面質(zhì)量與形狀精度差，故需根據(jù)實(shí)際要求選擇合理的電壓參數(shù)。

綜合對(duì)比分析可看出， 在電壓14 V、 占空比60%時(shí)加工效果較好， 加工時(shí)間選擇5 min 較為合適，此參數(shù)下加工所得螺旋槽深度理想，表面質(zhì)量較好。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 加工間隙與槽深的關(guān)系

圖12 是加工間隙與加工所得螺旋槽的槽深之間的關(guān)系，可看出隨著加工間隙增大，螺旋槽深度逐漸減小。 這是由于同等加工電壓下，加工間隙中電場強(qiáng)度逐漸降低， 導(dǎo)致電化學(xué)反應(yīng)速度降低，從而使去除量下降，因此加工所得槽深減小，如此亦符合螺旋槽電解加工基本理論公式（4）， 即去除量跟加工間隙呈反比關(guān)系。

4.2.2 加工電壓與槽深的關(guān)系

圖13 是加工電壓與螺旋槽槽深的關(guān)系， 可看出，螺旋槽深度隨著加工電壓的升高而增大。 這是由于電場強(qiáng)度大時(shí)電解蝕除能力增強(qiáng)，加工速度變快，金屬去除量增多，使螺旋槽槽深也隨之增大。

4.2.3 占空比與槽深的關(guān)系

采用脈沖電流加工是以周期間歇電流代替?zhèn)鹘y(tǒng)直流電流， 電流的脈沖效率可促使加工過程中，加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物和化學(xué)特性發(fā)生一系列變化，比如可提高加工精度、加工效率與表面質(zhì)量。 圖14 是占空比與螺旋槽槽深的關(guān)系，可看出，占空比在40%至60%時(shí)， 槽深逐漸增大。 這是由于占空比增大，脈沖有效率提高，即單個(gè)脈沖的加工時(shí)間增大，引起去除量增多。 當(dāng)占空比超過60%后，槽深隨著占空比增大而降低。 這是由于電解加工時(shí)脈沖占空比過大，單個(gè)脈沖能量過大，電解液產(chǎn)物來不及排除，起不到間歇排屑的效果，導(dǎo)致槽深變小。 由此可見，占空比60%為最佳值，此時(shí)電流利用率最高。

4.2.4 加工時(shí)間與槽深的關(guān)系

圖15 是加工時(shí)間與螺旋槽槽深的關(guān)系， 可看出，在所選加工時(shí)間內(nèi)，槽深隨時(shí)間延長而增大，符合公式m=ηkIt，即當(dāng)電流效率、電化學(xué)當(dāng)量和電流強(qiáng)度一定時(shí)，去除量跟加工時(shí)間成正比。 當(dāng)然，槽深增加并不會(huì)無限發(fā)展下去，當(dāng)加工間隙增加到某一值時(shí)，此時(shí)的綜合加工條件會(huì)限定電化學(xué)加工的繼續(xù)，如加工間隙增大時(shí)電場強(qiáng)度降低，電解液的電阻率增大，陽極壓降降低，當(dāng)壓降小于金屬的電極電位時(shí)，則電化學(xué)反應(yīng)不再繼續(xù)；此外，加工時(shí)間過長會(huì)引起附加反應(yīng)增多，能耗增大。

4.3 工具陰極優(yōu)化后的加工試驗(yàn)

根據(jù)正交試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)果，選擇加工參數(shù)為電壓14 V、占空比60%、初始加工間隙0.4 mm、加工時(shí)間5 min，優(yōu)化后的加工結(jié)果見圖16。 經(jīng)測量，螺旋槽的槽深在0.655～0.672 mm， 深度誤差為0.017 mm，試驗(yàn)過程穩(wěn)定、重復(fù)率高，符合設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語

采用表面強(qiáng)化結(jié)構(gòu)-螺旋肋化通道是提高冷卻孔冷卻效果的有效方法之一，本文采用螺旋形陰極電解加工小孔徑內(nèi)壁螺旋槽結(jié)構(gòu)。 首先改裝了數(shù)控電解加工機(jī)床，研制具有通水、導(dǎo)電功能的特制刀柄；然后通過電場和流場分析指導(dǎo)陰極設(shè)計(jì)，解決了螺旋槽電解加工過程中存在渦流導(dǎo)致加工速度低、表面質(zhì)量差的問題；最后通過正交試驗(yàn)研究了各加工參數(shù)對(duì)加工所得槽深的影響規(guī)律，從而得出優(yōu)化的螺旋孔電解加工工藝參數(shù)，成功加工出效果理想的小孔內(nèi)壁螺旋槽。