王系眾，李寒松，李潔，馬鑫

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

鋁基復合材料以其良好的力學性能、導電性和耐腐蝕性，常被用來加工航空航天領(lǐng)域中蒙皮類的薄壁零件[1-2]。該類零件普遍具有材料去除厚度小、剛性差等特點，在機械切削加工過程中容易發(fā)生變形和顫振；并且由于增強材料對基體材料性能極大的提升作用，鋁基復合材料具有較高的強度和剛度，使用傳統(tǒng)機械加工方法對其去除時，會產(chǎn)生較大的切削力，導致加工溫度高、加工效率低、刀具壽命短。電解加工是基于電化學陽極溶解原理，利用具有一定形狀和尺寸的工具陰極，將工件陽極溶解成形的工藝方法[3]。電解加工的主要優(yōu)勢有：1)加工過程中無物理接觸、無切削力、無高熱產(chǎn)生，加工表面無殘余應(yīng)力、無加工變形、無微裂紋和重鑄層；2)理論上不存在刀具損耗，且電解液可以重復利用，加工成本低。因此，電解加工是一種去除鈦合金、高溫合金等難切削金屬材料的重要制造技術(shù)，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域[4]。電解銑削加工也被稱為數(shù)控電解加工，其加工方式與機械數(shù)控銑削加工相似，采用形狀簡單的工具陰極作為刀具，在數(shù)控系統(tǒng)的控制下按照設(shè)定的軌跡運行，通過電化學腐蝕在工件表面加工出一定的結(jié)構(gòu)。電解銑削加工的優(yōu)勢在于，可將難切削材料采用電能加工后的低成本和高效率優(yōu)勢與數(shù)控技術(shù)結(jié)合起來，提高了電解加工的柔性，拓展了其應(yīng)用范圍。LIU Y等[5]研究了TB6鋁合金電解銑削加工，使用20% 的NaNO3電解液，在40Acm-2和140Acm-2電流密度下加工，所加工淺槽的深度分別為143μm和210μm，并加工出圓形和矩形的平面結(jié)構(gòu)。

在上述文獻中，所使用的工具外徑為1.2 mm，內(nèi)徑為0.8mm，其導電面積較小，單次進給的材料去除率和加工深度小，因此加工效率較低。為了提高加工效率，本文提出了一種大直徑的電解銑削工具陰極。利用此工具陰極加工鋁基復合材料，獲得了更高的材料去除率和加工深度。

1 研究方法

1.1 加工原理

本文采用電解銑削加工對鋁基復合材料進行去除。電解加工以類似機械數(shù)控銑削的方式，采用旋轉(zhuǎn)棒狀電極作為工具陰極，在數(shù)控系統(tǒng)的精確控制下進行運動，通過工具陰極的端面提供電場，基于電化學溶解原理對金屬工件表面的材料進行溶解，加工出一定的深度。電解銑削加工的工藝原理如圖1所示。所用的棒狀陰極為中空形，并在端面開有孔狀或縫狀的出液口。加工過程中，電解液從管路流入陰極并從出液口高速噴出，噴向加工間隙，作為導電介質(zhì)連接工具陰極和工件陽極，并帶走電化學溶解過程中產(chǎn)生的難溶性電解產(chǎn)物、焦耳熱和氣泡。棒狀陰極在工件表面運動同時高速旋轉(zhuǎn)，能夠增加加工間隙中電解液流量和壓力分布的均勻性，使得加工出的輪廓更加均勻，并且可以減少波紋的產(chǎn)生。

圖1 電解銑削加工工藝原理

1.2 工具陰極結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)電解銑削的工具陰極為管電極，其直徑較小，并且形狀通常為管狀，中間具有通孔，直徑一般為1mm左右(圖2)。如LIU Y等人在論文中使用的陰極。此類工具陰極直徑較小，其底面上通孔面積占比較小，通孔處雖然無陰極金屬，但該處的電場可由管壁提供[6]。在設(shè)計大直徑的工具陰極時，若采用通孔形式的管電極，底面上通孔面積占比較大，管壁無法提供足夠強度的電場，導致加工效率降低。因此，本文提出的大直徑工具陰極底部為盲孔。工具陰極底部的電解液供給形式一般為出液孔和出液縫。GE Y C等[7]人研究發(fā)現(xiàn)，相比于出液孔，出液縫提供的流場更加均勻，有利于提高成形精度。故本文提出的工具陰極采用出液縫。

圖2 傳統(tǒng)管電極結(jié)構(gòu)示意圖

本文設(shè)計并制作的工具陰極如圖3所示，其外徑為15mm。刀具底面布有9條出液縫，每條縫的長度為3mm，寬度為0.6mm。其中，3條縫均勻分布于圓形底面內(nèi)環(huán)，6條縫均勻分布于圓形底面外環(huán)。對工具陰極的側(cè)壁進行了絕緣處理，以減少側(cè)壁電場對工件的腐蝕，提高加工精度。

圖3 工具陰極實物圖

1.3 試驗設(shè)置

本文中使用的鋁基復合材料為碳化硅顆粒增強，碳化硅顆粒的平均直徑為12μm，基體材料為鋁合金2009，其質(zhì)量分數(shù)如表1所示。

表1 鋁合金2009質(zhì)量分數(shù) 單位：wt%

利用上述的大直徑電解銑削工具陰極對15%體分比的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料進行加工試驗，對單次進給下不同加工電壓和進給速度下的材料加工效率和加工深度進行探究。

1) 加工效率通過材料去除率進行表征。材料去除率定義為單位時間內(nèi)去除材料的體積，可由下式計算：

(1)

式中：Δm為工件加工前后質(zhì)量差；ρ為工件的密度；t為加工時間。工件加工前后質(zhì)量差Δm通過高精度的電子天平(ME4002E)稱量。

2) 加工深度為工件上表面與加工溝槽最深處之間的高度差，通過掃描加工淺槽的輪廓來測量。所用的測量儀器為橋式坐標測量機(ZEISS CONTURA, Germany)。

本試驗中選用的加工電壓分別為10V、20V、30V和40V，其他加工參數(shù)設(shè)置如表2所示。實驗所用電解銑磨加工系統(tǒng)與LI H S等[8]人在研究中使用的系統(tǒng)一致。

表2 加工參數(shù)設(shè)置

2 結(jié)果分析

2.1 電壓對加工效率的影響

圖4為所加工溝槽的示意圖。由于加工起始處和停刀處加工時間較短，所加工出的淺槽對應(yīng)位置深度較淺，因此選擇淺槽中間部位的截面進行測量，見圖4中的線條處。

圖4 加工溝槽樣件

在進給速度為30mm/min的條件下，所加工的溝槽輪廓如圖5所示。

圖5 加工溝槽輪廓

材料去除率隨加工電壓的變化如圖6所示。

圖6 材料去除率隨加工電壓的變化

加工深度隨加工電壓的變化如圖7所示。

圖7 加工深度隨加工電壓的變化

根據(jù)法拉第定律，電解加工過程中陽極金屬溶解的質(zhì)量與陽極上通過的電量成正比[9]：

m=kQ=ωSitρ

(2)

(3)

式中：ω為體積電化學當量，m3A-1s-1；S為陽極導電面積，m2；i為電流密度，A/m2；t為電流通過時間，s；ρ為陽極金屬密度，kg/m3。

由法拉第定律可知，增大加工電壓，會提高工件表面的電流密度，增加陽極金屬單位時間內(nèi)的腐蝕質(zhì)量。因此，提高加工電壓能夠增加電解銑削加工的材料去除率和加工深度(圖6和圖7)。從圖中還可看出，隨著電壓的增加，材料去除率和加工深度的提升率逐漸降低。分析其原因，加工深度的增加會造成更大的加工間隙，導致加工間隙內(nèi)電解液的等效電阻增加，使得加工電流下降，陽極表面的電流密度下降，陽極金屬的電化學溶解速度降低[10]。

2.2 進給速度對加工深度的影響

為了進一步提高加工深度，選用更低的進給速度。在各電壓下，單次進給加工的溝槽輪廓如圖8所示。

圖8 加工輪廓隨進給速度的變化

隨著進給速度的降低，加工溝槽的深度逐漸增加(圖9)。在40V的加工電壓下，當進給速度由30mm/min降到10mm/min時，單次進給的加工深度由0.681mm增加到了1.392mm，提升了104%。然而，降低進給速度會導致材料去除率的下降(圖10)。在相同參數(shù)下，材料去除率由279.85mm3/min降到了205.68mm3/min，降低了27%。分析其原因，降低進給速度能夠有效增加陰陽極之間進行電解反應(yīng)的時間，增大單次進給過程中陽極金屬材料的蝕除質(zhì)量，提高單次進給的加工深度。但更大的加工深度會增加加工間隙，降低材料去除效率。

圖9 加工深度隨進給速度的變化

圖10 材料去除率隨進給速度的變化

3 結(jié)語

提出一種大直徑電解銑削工具陰極，對鋁基復合材料進行單次進給加工，得出以下結(jié)論：

1) 材料去除率和加工深度隨加工電壓的提升而增加，但提升率逐漸降低。在40V加工電壓和30mm/min進給速度的條件下，材料去除率為279.85mm3/min。

2) 降低進給速度能夠獲得更高的加工深度，但材料去除率會降低。在40V加工電壓和10mm/min進給速度的條件下，單次進給的加工深度達到了1.392mm。