徐國(guó)梁，李寒松，岳小康，馬 鑫，李 潔

（ 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016 ）

TC4 復(fù)合材料由于具備高抗蠕變性能、 高比剛度和比強(qiáng)度以及良好的高溫力學(xué)性能等，近年來(lái)得到廣泛的關(guān)注和研究。與鈦合金相比，TC4 復(fù)合材料用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，可顯著提高使用溫度，進(jìn)而提高發(fā)動(dòng)機(jī)推重比[1-2]。 鈦基復(fù)合材料是在鈦或鈦合金基體內(nèi)部加入增強(qiáng)相并根據(jù)各種方法制備而成，具有優(yōu)良的熱穩(wěn)定性和金屬基體間的強(qiáng)界面結(jié)合力；同時(shí)，給傳統(tǒng)的機(jī)械加工提出了挑戰(zhàn)，比如機(jī)械鉆削加工時(shí)的刀具長(zhǎng)期處于半封閉工況下，存在刀具處理要求高、成本高、排屑要求高等不足[3-5]。

電解鉆孔加工是一種使用內(nèi)部中空、底部開(kāi)出液孔的棒狀金屬做陰極，用數(shù)控運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制高速旋轉(zhuǎn)的工具陰極沿著設(shè)定好的鉆削加工運(yùn)行軌跡加工工件的加工方式[6]。 電解鉆孔加工的材料去除原理是基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的作用，是電解加工的一個(gè)重要應(yīng)用分支[7-9]。 金屬材料在加工時(shí)會(huì)在電解液中發(fā)生電化學(xué)溶解反應(yīng)，工具陰極和工件之間無(wú)接觸，有電解加工的諸多優(yōu)勢(shì)，比如良好的加工效率、更小的刀具損耗等。 電解鉆孔加工在難切削材料方面是一種有潛力的孔加工方式，已得到廣泛關(guān)注。

何亞峰等[10]研究了不同脈沖平均電壓、不同電導(dǎo)率和不同進(jìn)給速度下的電解加工圓孔成型規(guī)律，在工具陰極直徑3.8 mm、通道直徑1.0 mm、加工間隙0.2 mm、 陰極進(jìn)給速度0.3 mm/min 的條件下加工出最大深度為1157.140 μm、直徑為4.058 mm 的圓孔。 劉鼎銘等[11]用外徑5 mm、底部開(kāi)有正心四孔的盲孔管工具陰極進(jìn)行電解鉆孔試驗(yàn)，探究了加工電壓、電解液入口壓力、工具陰極轉(zhuǎn)速對(duì)加工精度的影響，最終在電壓30 V、電解液壓力0.4 MPa、主軸轉(zhuǎn)速1500 r/min、 進(jìn)給速度2 mm/min 的條件下，在304 不銹鋼上加工出蜂窩孔樣件。 陳遠(yuǎn)軍[12]進(jìn)行了25 mm 直徑螺旋電極的流場(chǎng)仿真分析，發(fā)現(xiàn)螺旋電極和適當(dāng)?shù)碾姌O轉(zhuǎn)速利于電解產(chǎn)物的排出且過(guò)高的電極轉(zhuǎn)速不利于加工側(cè)面間隙電解產(chǎn)物的排出。 然而，電解鉆孔技術(shù)多應(yīng)用于微小孔、群孔等微小尺寸的孔加工，在大尺寸孔的電解加工應(yīng)用方面仍然不夠，相關(guān)研究也少，尤其是金屬基復(fù)合材料的電解鉆孔應(yīng)用與研究更少。

本文主要開(kāi)展了（TiB+TiC）/TC4 復(fù)合材料的電解鉆孔加工研究。 該復(fù)合材料中各增強(qiáng)相與基體材料的體積分?jǐn)?shù)見(jiàn)表1。 TC4 合金基體材料中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)見(jiàn)表2。 本研究采用直徑為20 mm 的工具陰極，在此基礎(chǔ)上探討了工具陰極的絕緣方式和工作圈高度對(duì)加工效果的影響，并采用電場(chǎng)仿真優(yōu)化工具陰極設(shè)計(jì)，還通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了大直徑工具陰極、大余量去除的電解鉆孔加工可行性。

1 仿真與工具陰極設(shè)計(jì)

1.1 工具陰極初步設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的工具陰極出液孔是在外徑20 mm、內(nèi)徑16.5 mm 且內(nèi)部中空的工具陰極基體基礎(chǔ)上，在工具陰極基體底端預(yù)留厚度為2 mm 的封閉端面，在端面開(kāi)多個(gè)尺寸為1 mm 的出液孔，且出液孔均勻分布于工具陰極端面的同心圓與等分線的交點(diǎn)處[13]。工具陰極初步設(shè)計(jì)見(jiàn)圖1。其中，圖1a 為工具陰極截面示意圖， 圖1a 中黑色部分為工具陰極表面絕緣層。 圖2b 為工具陰極端面出液孔示意圖。

表1 （TiB+TiC）/TC4 復(fù)合材料各增強(qiáng)相與基體材料的體積分?jǐn)?shù)

表2 TC4 合金中各元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)

圖1 工具陰極初步設(shè)計(jì)示意圖

1.2 電場(chǎng)仿真分析

采用圖1 所示工具陰極電解鉆孔時(shí)，決定孔的尺寸和精度的是側(cè)面間隙Δs，而側(cè)面間隙的變化受工具陰極工作圈高度的影響。工作圈示意圖見(jiàn)圖2。底面淺色區(qū)域?yàn)閭?cè)壁已絕緣的工具陰極圓柱表面留出的環(huán)形導(dǎo)電區(qū)域，其中工作圈高度為b、側(cè)面間隙為x、初始側(cè)面間隙為x0、底面間隙為Δb、工具陰極進(jìn)給速度為vc。 側(cè)面間隙與工作圈高度之間的影響關(guān)系見(jiàn)式（1）：

圖2 工作圈示意圖

1.2.1 電場(chǎng)仿真模型

利用前述理論，針對(duì)直徑20 mm 工具陰極在自身做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上向下進(jìn)給至一定深度的情況建立了如圖3 所示的電場(chǎng)仿真模型。 圖3a～圖3c所示模型的工作圈高度分別為0、0.5、3 mm，工具陰極邊界為 Γ1、Γ2、Γ3，工件邊界均為 Γ8，虛擬邊界為Γ4、Γ5、Γ6、Γ7；圖 3b 和 3c 中所示的 Γ2′、 Γ3′分別為工作圈對(duì)應(yīng)的邊界。

圖3 電場(chǎng)仿真模型

1.2.2 電場(chǎng)仿真計(jì)算與結(jié)果分析

本部分采用Comsol Multiphysics5.4 軟件進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，探究了工作圈高度對(duì)電解鉆孔尺寸和形狀精度的影響。 將圖3 所示的工具陰極邊界Γ1、Γ2、Γ3設(shè)置為接地， 工件邊界 Γ8設(shè)置為陽(yáng)極電壓，其他邊界均設(shè)置為絕緣。 陽(yáng)極溶解速度的設(shè)定遵循式（2）：

式中：η 為電流效率；ω 為工件材料體積電化學(xué)當(dāng)量， cm3/A·s；i 為電流密度，A/mm3。

電場(chǎng)仿真參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 電場(chǎng)仿真參數(shù)

圖 4a～圖 4c 分別是 0、0.5、2 mm 工作圈高度對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)模型仿真計(jì)算結(jié)果。工作高度為0 mm 時(shí)，側(cè)面加工間隙為0.5 mm；工作圈高度為0.5 mm 時(shí)，側(cè)面加工間隙為0.93 mm；工作圈高度為3 mm 時(shí)，側(cè)面加工間隙為1.39 mm?？梢?jiàn)，工作圈高度數(shù)值越大，側(cè)面加工間隙越大，尺寸精度越差。

由于實(shí)際加工中采用的工具陰極圓柱表面絕緣層具有一定的厚度，一般為0.1～0.2 mm，工具陰極工作圈高度不能過(guò)小，過(guò)小會(huì)導(dǎo)致電解產(chǎn)物排除困難， 因此選擇高度約0.5 mm 的工作圈足夠排出電解產(chǎn)物。

在圖4 所示仿真結(jié)果上繼續(xù)進(jìn)行電場(chǎng)仿真分析，分析了倒角后側(cè)面加工間隙的變化。 采用相同的電場(chǎng)仿真參數(shù)，仿真結(jié)果見(jiàn)圖5。 可知，倒角后的側(cè)面間隙比倒角前的減少了17.7%。

1.3 流場(chǎng)仿真分析

如圖6 所示，電解鉆孔加工過(guò)程中的流場(chǎng)會(huì)經(jīng)過(guò)三個(gè)狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。 其中，圖6a 是工具陰極距離工件還有一定距離的未切入時(shí)的流場(chǎng)狀態(tài)，此時(shí)極間只有微弱的電流通過(guò)連續(xù)的部分電解液； 圖6b 是工具陰極部分切入工件時(shí)的流場(chǎng)狀態(tài)，此時(shí)電解液逐漸將工具陰極導(dǎo)電部分“包裹”起來(lái)，當(dāng)工具陰極切入工件表面一定距離時(shí)，孔壁尚未形成，工具陰極提供的背壓不足以將電解液完全束縛于極間間隙內(nèi)，工件表面開(kāi)始被“拷貝”為工具陰極端面導(dǎo)電區(qū)域的形狀； 圖6c 是工具陰極完全切入工件且在一定深度下的流場(chǎng)狀態(tài)，此時(shí)工具陰極導(dǎo)電部分完全浸泡于電解液內(nèi)，電解鉆孔進(jìn)入穩(wěn)定加工階段。

圖4 電場(chǎng)仿真結(jié)果

圖5 倒角后0.5 mm 工作圈高度對(duì)應(yīng)電場(chǎng)仿真結(jié)果

1.3.1 流場(chǎng)仿真模型

在上述分析基礎(chǔ)上建立的流體模型見(jiàn)圖7。 其中，圖7a 是工件被切入深度0 mm 時(shí)的流體三維模型， 此時(shí)工具陰極端面離工件尚有一定的距離；圖7b 是工件被切入深度0.2 mm 時(shí)的流體三維模型，此時(shí)工具陰極端面離工件已加工面0.2 mm，工具陰極倒角部分還未被電解液完全包裹； 圖7c 是工件被切入深度0.5 mm 時(shí)的流體三維模型， 此時(shí)工具陰極端面離工件已加工面0.5 mm，工具陰極倒角部分幾乎被電解液完全包裹； 圖7d 是工件被切入深度3 mm 時(shí)的流體三維模型， 工具陰極倒角部分完全浸泡于電解液中，導(dǎo)電部分穩(wěn)定向下進(jìn)給，可視為電解鉆孔過(guò)程中的穩(wěn)定加工階段。

圖6 電解鉆孔過(guò)程中流場(chǎng)變化過(guò)程

圖7 不同加工階段下的流場(chǎng)仿真三維模型

本部分用Ansys 15.0 軟件導(dǎo)入圖7 所示流體三維模型、劃分網(wǎng)格、Fluent 模塊進(jìn)行仿真和數(shù)值計(jì)算，設(shè)定距工件已加工面0.02 mm 處的平面與流體模型重合處為觀察截面， 觀察截面為一個(gè)圓形截面。 流場(chǎng)仿真參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表4。

表4 流場(chǎng)仿真參數(shù)

1.3.2 流場(chǎng)仿真計(jì)算與結(jié)果分析

由圖8 所示的不同工件切入深度下觀察所得截面流速分布圖可見(jiàn)， 隨著加工深度逐漸由0 mm增至0.2、0.5、3 mm，流體模型在觀察截面內(nèi)的流速分布面積逐步增大， 直到擴(kuò)充至整個(gè)觀察截面，且相應(yīng)的平均流速分別為 2.05、2.69、3.27、3.24 m/s。另外， 0.5、3 mm 工件切入深度下的流速分布近似，平均流速差別不大。 由此也可看出，在電解鉆孔初始加工階段，加工間隙內(nèi)的電解液要經(jīng)歷流速由小變大，電解液逐步充滿底部加工間隙的過(guò)程。

圖8 不同工件切入深度下觀察的截面流速分布

在觀察截面過(guò)圓心的水平線位置做一個(gè)豎直平面， 設(shè)該平面與流體模型相交的截面為中心截面，得到如圖9 所示的不同工件切入深度下中心截面流速分布矢量圖。 由圖9a～圖9d 可見(jiàn)，隨著工件被切入深度的增加，最大流速區(qū)即出液孔內(nèi)的流速逐步降低，加工間隙內(nèi)流速分布在工件切入深度為0.5 mm 時(shí)基本達(dá)到較為均勻的狀態(tài)。

圖9 不同切入深度下中心截面流速分布矢量圖

綜合不同加工深度下流場(chǎng)仿真觀察截面和中心截面的流速分布情況，可以得出：電解鉆孔在初始加工階段要經(jīng)歷一段流速分布由壞到好的過(guò)程，因此在實(shí)際加工的初始階段要給工具陰極設(shè)定一個(gè)較低的進(jìn)給速度，即切入速度。

1.3.3 工具陰極出液孔數(shù)對(duì)加工穩(wěn)定性的影響

觀察圖8d 可見(jiàn)， 當(dāng)電解鉆孔進(jìn)入穩(wěn)定加工階段時(shí)， 觀察截面的中心區(qū)域仍有大面積死水區(qū)，這意味著在加工時(shí)中心區(qū)域流速較低，加工過(guò)程中產(chǎn)生的電解產(chǎn)物易在觀察截面中心區(qū)域產(chǎn)生堆積，不利于加工過(guò)程順利、穩(wěn)定地進(jìn)行。

因此，在前述流場(chǎng)仿真分析的基礎(chǔ)上，本文在工件切入深度為3 mm 時(shí)， 增加了工具陰極端面的出液孔數(shù)，通過(guò)比較得出的不同出液孔數(shù)下加工間隙內(nèi)的流速分布情況見(jiàn)圖10。其中，工具陰極A、B、C 的出液孔孔數(shù)依次為 5、8、13 個(gè)。

圖10 不同出液孔數(shù)的工具陰極端面

對(duì)工具陰極A、B、C 在工件被切入 3 mm 深度時(shí)的對(duì)應(yīng)流體進(jìn)行流場(chǎng)仿真分析。 流場(chǎng)仿真參數(shù)見(jiàn)表2，仿真結(jié)果見(jiàn)圖11。

圖11 不同出液孔數(shù)觀察截面內(nèi)流速分布

如圖 11 所示， 工具陰極 A、B、C 加工間隙內(nèi)的平均流速分別為 3.24、4.41、6.15 m/s。 可知，出液孔數(shù)量增加，流速逐漸增加，排出電解產(chǎn)物和焦耳熱的能力越強(qiáng)；當(dāng)出液孔數(shù)逐漸增加時(shí)，加工間隙內(nèi)的死水區(qū)逐漸減少，直到基本無(wú)死水區(qū)。

根據(jù)電場(chǎng)仿真結(jié)果（圖4），工具陰極側(cè)壁部分絕緣且設(shè)計(jì)了工作圈之后， 工作圈的高度越高，孔的尺寸精度越差；工作圈高度過(guò)低，工具陰極表面絕緣后側(cè)面間隙過(guò)小不利于電解產(chǎn)物排出。 暫定工作圈高度為0.5 mm，通過(guò)電場(chǎng)仿真結(jié)果（圖5）可知倒角后孔的尺寸精度更好， 故對(duì)0.5 mm 高度的工作圈進(jìn)行倒角，倒角半徑為0.5 mm。

根據(jù)流場(chǎng)仿真結(jié)果（圖8 和圖9），電解鉆孔初始加工階段要經(jīng)歷一個(gè)流場(chǎng)分布由差轉(zhuǎn)好的過(guò)程，因此在初始加工階段要設(shè)定較低的進(jìn)給速度即切入速度進(jìn)行初始加工， 直到切入深度超過(guò)0.5 mm再提高進(jìn)給速度進(jìn)行電解鉆孔的后續(xù)加工。 并且，出液孔數(shù)越多，加工間隙內(nèi)流場(chǎng)分布越均勻，平均流速越快，對(duì)比三種出液孔數(shù)量下的流場(chǎng)仿真結(jié)果后，在工具陰極端面暫定開(kāi)孔數(shù)量為13 個(gè)。

2 工具陰極制備與參數(shù)試驗(yàn)

2.1 電解鉆孔工具陰極制備

在前述電場(chǎng)和流場(chǎng)仿真結(jié)果與工具陰極初步設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行了工具陰極制備。 首先，在工具陰極側(cè)壁設(shè)計(jì)環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)，由于工具陰極直徑為20 mm， 電解鉆孔過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生了大量的焦耳熱和電解產(chǎn)物， 故在工具陰極側(cè)壁設(shè)計(jì)了如圖12 所示的環(huán)形凹槽結(jié)構(gòu)。 然后，采用電泳絕緣和陶瓷絕緣兩種絕緣方式給工具陰極側(cè)壁絕緣。 兩種絕緣處理后的工具陰極見(jiàn)圖13。

圖12 帶有環(huán)形凹槽的工具陰極

圖13 絕緣與未絕緣的工具陰極

2.1.1 電泳絕緣處理與試驗(yàn)結(jié)果

本部分采用圖13b 所示工具陰極進(jìn)行試驗(yàn)。 試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表5。

表5 試驗(yàn)參數(shù)

圖14 是采用電泳絕緣方式處理后的工具陰極加工出的工件表面形貌。 其中，圖14a 是加工電壓20 V 時(shí)的孔入口形貌，入口邊緣出現(xiàn)較多的雜散腐蝕；圖14b 是加工電壓15 V 時(shí)的孔入口形貌，入口邊緣雜散腐蝕較少，入口處孔形比較完整。

圖14 工件表面形貌

圖15 是此次試驗(yàn)在不同加工電壓下記錄的實(shí)時(shí)加工電流圖。 可見(jiàn)，當(dāng)加工時(shí)間約為2 min 時(shí)，在加工電壓20 V 時(shí)的加工電流比加工電壓15 V 時(shí)的加工電流高約35 A， 并且隨著加工時(shí)間的增加，加工電壓20 V 時(shí)的加工電流最高達(dá)260 A，而加工電壓15 V 時(shí)的加工電流最高不超過(guò)215 A。究其原因，電泳絕緣層的剝落會(huì)導(dǎo)致工具陰極表面導(dǎo)電面積的增大，而導(dǎo)電面積增大，在同樣加工條件下，電阻減小、電壓不變、電流增大，如圖16 所示。

圖17 是相同加工參數(shù)下工具陰極不同絕緣方式條件下孔的入口形貌。 其中，圖17a 是采用陶瓷絕緣方式處理后工具陰極加工出的孔入口形貌，圖17b 是采用電泳絕緣處理后的工具陰極加工出的孔入口形貌。 可見(jiàn)，陶瓷絕緣方式相較于電泳絕緣方式的可靠度更高，故后續(xù)試驗(yàn)擬采用陶瓷絕緣方式處理的工具陰極進(jìn)行。

圖15 加工電流圖

圖16 電泳絕緣層掉落圖

圖17 不同絕緣方式下孔的入口形貌

2.2 加工參數(shù)試驗(yàn)

采用表6 所示的加工參數(shù)進(jìn)行本次試驗(yàn)，采用Hexagon 三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x作為孔輪廓數(shù)據(jù)采集儀器。

表6 加工參數(shù)

采用孔徑、孔深作為孔尺寸精度的量度，采用圓度誤差和錐度作為孔形狀精度的量度，具體計(jì)算方式如下：

（1）錐度：以離工件上表面距離2 mm 處孔的直徑為入口直徑D，以距離工件上表面14 mm 處孔的直徑為下端直徑d（圖18），孔錐度用θ 表示，則有：

圖18 孔的截面輪廓分析

（2）圓度誤差：采用最小二乘圓法評(píng)定圓度誤差處理三坐標(biāo)輪廓數(shù)據(jù)。

（3）孔徑孔深：由三坐標(biāo)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)簡(jiǎn)單計(jì)算即可獲得。

2.2.1 加工電壓與工具陰極轉(zhuǎn)速對(duì)加工的影響

觀察得到的工具陰極轉(zhuǎn)速和加工電壓對(duì)加工精度的影響見(jiàn)圖19。 由圖19a 可見(jiàn)，孔的深度受工具陰極轉(zhuǎn)速影響較小， 隨著加工電壓增大而增大；由圖19b 可見(jiàn)，孔入口直徑隨著加工電壓增大而增大，當(dāng)加工電壓一定時(shí)，工具陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)加工孔的入口直徑最小。 從孔徑和孔深角度來(lái)看，越大的加工電壓意味著越差的尺寸精度，故加工電壓越小越好。 而且，在該試驗(yàn)特定的加工條件下， 工具陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)加工孔的尺寸精度最好。

從圖19c 可見(jiàn)，當(dāng)工具陰極轉(zhuǎn)速一定時(shí)，圓度誤差隨著加工電壓的增大而減小，且在三種加工電壓條件下， 當(dāng)工具陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)的平均圓度誤差均最小。 從圖19d 可見(jiàn)，工具陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)，孔的錐度在加工電壓分別為22、30 V時(shí)均為最低，且此時(shí)平均錐度也最小。

所以，從圓度誤差和錐度來(lái)看，工具陰極轉(zhuǎn)速為500 r/min 時(shí)能有較好的形狀精度， 而加工電壓越大、圓度誤差越小。 但是，加工電壓越大，尺寸精度越難以保證。 因此，采用25 V 加工電壓可兼顧尺寸精度和形狀精度。

2.2.2 初始加工間隙和加工電壓對(duì)加工的影響

圖19 工具陰極轉(zhuǎn)速和加工電壓對(duì)加工精度的影響

觀察得到的初始加工間隙和加工電壓對(duì)加工精度的影響見(jiàn)圖20。 從圖20a 可見(jiàn)，相同初始加工間隙下， 孔的入口直徑均隨著加工電壓增大而增大， 而初始加工間隙為0.3 mm 時(shí)在不同加工電壓條件下孔的入口直徑都較小。 從圖20b 可見(jiàn)，初始加工間隙為0.4 mm 時(shí)， 孔深與加工電壓之間存在比較復(fù)雜的變化趨勢(shì)，當(dāng)初始加工間隙分別為0.3、0.5 mm 時(shí)， 孔深數(shù)值都較小。 故初始加工間隙為0.3 mm 時(shí)，加工出的孔有著更好的尺寸精度，且尺寸精度隨著加工電壓增大而逐漸減小。

由圖20c 可見(jiàn)，當(dāng)初始加工間隙相同時(shí)，孔的圓度誤差基本隨著加工電壓的增大而減小，且初始加工間隙為0.5 mm 時(shí)的圓度誤差最大， 初始加工間隙為0.4 mm 的圓度誤差最小， 初始加工間隙為0.3 mm 的圓度誤差值折中。 從圖20d 可見(jiàn)，初始加工間隙為0.3 mm 時(shí)在各加工電壓下均有最小錐度，故初始加工間隙為0.3 mm 時(shí)的尺寸精度最好，形狀精度也較好，因此后續(xù)試驗(yàn)的初始加工間隙均定為0.3 mm。 此外，初始加工間隙0.3 mm 條件下，就尺寸精度而言，加工電壓越小、尺寸精度越好；就形狀精度而言，加工電壓越大、形狀精度越好。

圖20 初始加工間隙和加工電壓對(duì)加工效果的影響

2.2.3 工作圈高度對(duì)加工的影響

本文還考察了工作圈高度對(duì)加工效果的影響。圖21 是不同工作圈高度的工具陰極實(shí)物圖。由表7所示試驗(yàn)結(jié)果可知，工作圈高度越高，加工精度越差。

表7 不同工作圈高度對(duì)應(yīng)的加工精度

圖21 不同工作圈的工具陰極實(shí)物圖

結(jié)合圖22 所示孔的截面圖， 在工作圈高度分別為0.5、1 mm 時(shí)，孔側(cè)壁輪廓差別不大，側(cè)壁較為豎直， 而在工作圈高度為2 mm 時(shí)加工孔的入口處呈葫蘆口（圖22c）。 究其原因是，剛開(kāi)始切入時(shí)，工作圈未完全浸入電解液中，導(dǎo)電總面積較小，待切入到一定深度時(shí)， 高度為2 mm 的工作圈已完全浸入電解液，導(dǎo)電總面積增大，傳輸?shù)碾娏恐饾u變多，去除材料也變多，此時(shí)的工具陰極加工出“葫蘆口”形入口孔。 因此，在工作圈高度為0.5 mm 可獲取較好的加工精度。

3 盲孔樣件加工試驗(yàn)

經(jīng)過(guò)參數(shù)試驗(yàn)，本文選取了如表8 所示的加工參數(shù)進(jìn)行樣件加工試驗(yàn)。 由于加工設(shè)備條件限制，電解液壓力不能超過(guò)0.2 MPa。 表9 是樣件試驗(yàn)的最終加工結(jié)果，圖23 是所得工件實(shí)物。 結(jié)果表明，入口直徑相對(duì)于工具陰極直徑增加了1.43 mm。 受限于設(shè)備Z 軸的形程， 最終孔的深度為39.19 mm，比工具陰極實(shí)際進(jìn)給深度多出1.19 mm。圖24 是本部分試驗(yàn)實(shí)時(shí)采集的加工電流。 可見(jiàn)，剛開(kāi)始切入時(shí)的電流變化幅度較大， 從加工1 min 后一直到加工完成，電流均保持平穩(wěn)。

圖22 不同工作圈高度條件下 加工出的孔截面圖

表8 盲孔樣件加工試驗(yàn)參數(shù)表

表9 樣件加工試驗(yàn)結(jié)果

圖23 工件實(shí)物圖

圖24 電解鉆孔加工過(guò)程實(shí)時(shí)電流采集

4 結(jié)論

本文聚焦大直徑大余量電解鉆孔加工的研究，研究材料為典型難加工的TC4 復(fù)合材料，有益于擴(kuò)大電解加工技術(shù)在孔加工方面的應(yīng)用范圍，同時(shí)得到以下結(jié)論：

（1）采用20 mm 大直徑的內(nèi)噴液式工具陰極，對(duì)工具陰極圓柱表面進(jìn)行絕緣處理并留有工作圈，通過(guò)電場(chǎng)仿真分析了工作圈高度對(duì)加工效果的影響，結(jié)果表明：工作圈高度越大，孔的側(cè)面間隙越大，尺寸精度越差。

（2）通過(guò)流場(chǎng)仿真分析了電解鉆孔過(guò)程中的幾個(gè)不同狀態(tài)，分析仿真結(jié)果得出：在剛開(kāi)始切入時(shí)的流場(chǎng)不穩(wěn)定，因此實(shí)際加工過(guò)程中需設(shè)定切入速度，以適應(yīng)不穩(wěn)定的流場(chǎng)。

（3）分別考察了加工電壓和工具陰極轉(zhuǎn)速、初始加工間隙、加工電壓和工作圈高度對(duì)電解鉆孔加工效果的影響。 通過(guò)參數(shù)試驗(yàn)優(yōu)選出的加工參數(shù)為：工具陰極轉(zhuǎn)速500 r/min、加工電壓25 V、加工間隙0.3 mm、工作圈高度0.5 mm。

（4）根據(jù)參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，在初始間隙0.3 mm、加工電壓25 V、工具陰極轉(zhuǎn)速500 r/min、工作圈高度0.5 mm 等加工參數(shù)條件下， 加工得到入口直徑21.43 mm、孔深39.19 mm、圓度誤差0.028 mm 和錐度0.068°的盲孔。