馮瑞，劉洋，曲寧松

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

0 引言

在機(jī)械零件、汽車配件、化工、醫(yī)療器械、太陽(yáng)能電池基板[1]等工業(yè)領(lǐng)域以及近年來(lái)快速發(fā)展的航空航天、武器裝備等領(lǐng)域，不銹鋼都被廣泛使用。不銹鋼的材料特性主要是具有較強(qiáng)的耐腐蝕性、較強(qiáng)的硬度以及耐熱性等。不銹鋼包括鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼等，其中鉻鎳奧氏體不銹鋼的綜合性能最好，它有最多的牌號(hào)和最大的產(chǎn)量，使用范圍最廣[2]。316不銹鋼屬于鉻鎳奧氏體不銹鋼，因添加了Mo，其耐蝕性、耐大氣腐蝕性和高溫強(qiáng)度特別好，其制造的零部件可在海洋環(huán)境和侵蝕工業(yè)氣體中長(zhǎng)時(shí)間工作[3]。316不銹鋼屬于難加工材料，采用機(jī)械加工會(huì)存在加工效率低、刀具磨損嚴(yán)重、易變形等問(wèn)題；而電火花加工也有一些缺陷，例如：會(huì)形成熱影響區(qū)和重鑄層、表面有較大裂紋等，這些缺陷會(huì)影響工件疲勞壽命[4]，并且電火花加工過(guò)程中會(huì)對(duì)電極造成損耗，降低加工效率[5]。

電解加工是利用金屬的電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理將工件加工成形的一種特種加工技術(shù)，其具有加工生產(chǎn)率高、工件不損耗、被加工材料不受本身力學(xué)性能限制、加工表面無(wú)毛刺與殘余應(yīng)力等特點(diǎn)，已成為航空航天等領(lǐng)域難切削加工材料的一種重要制造技術(shù)[6]。但傳統(tǒng)拷貝式電解加工通常需要設(shè)計(jì)制造結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工具和工裝夾具，加工通用性較差。

電解銑削加工技術(shù)不同于傳統(tǒng)的電解加工，它采用簡(jiǎn)單形狀的工具陰極，由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)控制陰極運(yùn)動(dòng)，通過(guò)對(duì)指定區(qū)域的電化學(xué)溶解去除材料，最終形成加工表面。電解銑削加工特點(diǎn)主要是成本低，加工柔性高，可以解決不銹鋼、鈦合金等難加工材料機(jī)械加工中成本高、加工效率低等問(wèn)題。使用管電極射流電解銑削加工時(shí)，只有電解液射流液柱之下的區(qū)域電流密度高，加工定域性好。

WANG X D等[7]使用管電極電解銑削加工，研究了加工工藝參數(shù)、管電極加工面出液形狀和加工出的凹槽兩側(cè)雜散腐蝕之間的關(guān)系，通過(guò)優(yōu)化出液形狀，較為明顯地減弱了凹槽兩側(cè)的雜散腐蝕。RAJURKAR K P等[8]在16%硝酸鈉溶液中，使用管電極平動(dòng)的方式進(jìn)行電解加工研究，電極平動(dòng)可以讓電解液在間隙內(nèi)均勻流動(dòng)，通過(guò)轉(zhuǎn)移空穴區(qū)，從而使溝槽狀溶解消失，大大提高了加工的尺寸精度。

本文采用金屬管電極進(jìn)行電解加工，首先研究了工藝參數(shù)對(duì)加工溝槽的影響，得到溝槽加工形貌、材料去除率與工藝參數(shù)之間的關(guān)系。在此基礎(chǔ)上，研究不同運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)加工平面的影響，得到平面加工形貌、材料去除率與運(yùn)動(dòng)軌跡之間的關(guān)系。

1 實(shí)驗(yàn)原理

管電極射流電解銑削加工是采用中空金屬管作為工具陰極，利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理進(jìn)行材料蝕除，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使管電極在工件表面做掃描運(yùn)動(dòng)，從而在工件表面加工出一定形狀和尺寸特征的加工技術(shù)。管電極電解銑削加工原理如圖1所示。

圖1 管電極電解銑削加工原理圖

2 管電極電解銑削加工實(shí)驗(yàn)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)所用電解液為20%NaCl溶液，旨在保證一定加工效率的前提下，研究不同進(jìn)給速度、加工電壓、初始間隙對(duì)加工溝槽的影響，以及不同電極跨距S、陰極走刀軌跡對(duì)加工平面的影響。采用單因素變量法，不考慮不同因素之間的交互作用，僅在其他參數(shù)一定的情況下研究單一變量對(duì)加工形貌以及表面質(zhì)量的影響。

加工開(kāi)始前，通過(guò)電子天平稱重工件并記錄。加工結(jié)束后，將工件清洗干凈烘干后再次稱重，計(jì)算材料去除質(zhì)量并測(cè)量表面形貌。表面形貌采用基恩士3D輪廓測(cè)量?jī)xVR-5000進(jìn)行測(cè)量。加工參數(shù)如表1、表2所示。

表1 管電極電解銑削加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

表2 加工平面實(shí)驗(yàn)參數(shù)

3種走刀軌跡如圖2所示。表2中電極跨距S為圖2(a)所示，方向是機(jī)床y方向。研究不同電極跨距S對(duì)加工平面影響時(shí)，x方向運(yùn)動(dòng)長(zhǎng)度為6mm，y方向均進(jìn)給7次,走刀軌跡如圖2(a)所示。

圖2 不同走刀軌跡路徑

3 結(jié)果分析

3.1 加工參數(shù)對(duì)加工溝槽的影響

圖3是不同加工參數(shù)下加工出的溝槽深度和寬度尺寸圖。圖4是不同加工參數(shù)下材料去除率圖。實(shí)驗(yàn)中還研究了不同加工參數(shù)下溝槽底部輪廓形貌圖，這里僅列出在初始間隙0.2mm、加工電壓為40V時(shí)不同掃描速度下的結(jié)果，如圖5所示。

圖3 20%NaCl溶液中不同加工參數(shù)下工件形貌尺寸

圖4 20%NaCl溶液中不同加工參數(shù)下工件材料去除率

圖5 20%NaCl溶液中不同進(jìn)給速度下溝槽底部輪廓圖

從圖3中可以看出，隨著電壓的增大，加工電流增大，電流密度增大，溝槽深度和寬度增大，材料去除率增大，且在加工電壓30V(電流密度為300A/cm2)～40V(電流密度為360A/cm2)時(shí)變化率最大，因此要高效加工，可從40V選起。

隨著初始加工間隙的增大，加工電流增大，溝槽深度和寬度減小，材料去除率減小。在初始間隙為0.1mm時(shí)，由于加工間隙較小，加工產(chǎn)物不能及時(shí)排除，容易出現(xiàn)短路、打火等現(xiàn)象；而在初始間隙為0.4mm時(shí)，由于加工間隙變大，加工電流減小，導(dǎo)致材料去除率減小，加工不均勻，表面點(diǎn)蝕現(xiàn)象嚴(yán)重。電解加工中采用小間隙加工效果更好，為保證材料去除率以及加工質(zhì)量，選取初始加工間隙為0.2mm。

隨著進(jìn)給速度的增大，溝槽深度和寬度減小，材料去除率先增大后減小。進(jìn)給速度為1mm/min時(shí)，由于進(jìn)給速度很慢，電極在工件表面停留時(shí)間長(zhǎng)，電解液會(huì)再次覆蓋工件表面已經(jīng)加工過(guò)的區(qū)域，再次受到雜散腐蝕的影響，其表面形貌較差，可在圖5中看出。而在進(jìn)給速度為15mm/min時(shí)，由于進(jìn)給速度過(guò)快，電極在工件表面停留時(shí)間過(guò)短，造成工間腐蝕不均勻的效果，并且雖然加工時(shí)間減小，但工件腐蝕效果小，導(dǎo)致進(jìn)給速度由12mm/min到15mm/min時(shí)，材料去除率減小。觀察溝槽底部的平整度，在3mm/min～12mm/min之內(nèi)較好，其最高點(diǎn)和最低點(diǎn)垂直距離分別為0.028mm、0.043mm、0.026mm、0.026mm。圖5中列出進(jìn)給速度為3mm/min時(shí)的加工結(jié)果圖。綜合材料去除率以及希望一次性加工出較深的溝槽，選擇3mm/min進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，進(jìn)給速度對(duì)溝槽寬度和深度、材料去除率影響最大；其次是加工電壓；再次是初始間隙。

3.2 不同電極跨距S對(duì)加工平面的影響

圖6為不同電極跨距S對(duì)應(yīng)的平面寬度和深度以及材料去除率變化圖。不同電極跨距S對(duì)應(yīng)平面輪廓圖如圖7所示。

圖6 20%NaCl溶液中不同橫向跨距S下平面寬深和材料去除率圖

圖7 20%NaCl溶液中不同橫向跨距S下平面輪廓圖

從圖7中可以看出，S為0.2mm和0.4mm時(shí)，加工出的平面寬度較小，且其呈現(xiàn)出類似凹槽的形狀，材料去除率低，加工較寬平面速度慢。

S為1.2mm時(shí)，可以清晰地看出每道溝槽的形狀，這是由于y方向間距過(guò)大，相鄰加工區(qū)域重合度較小，測(cè)量其最高點(diǎn)和最低點(diǎn)高度差為0.189mm，平面度較差。

S為0.6mm、0.8mm和1.0mm時(shí)加工出的平面平整度較好，且寬度較大。輪廓線上最高點(diǎn)和最低點(diǎn)垂直距離分別為0.161mm、0.146mm、0.167mm。故后續(xù)研究選擇S為0.8mm進(jìn)行不同走刀軌跡實(shí)驗(yàn)研究。

3.3 不同走刀軌跡對(duì)加工平面的影響

3種走刀軌跡相比，由外向內(nèi)環(huán)切平面平整度相對(duì)較差，輪廓圖如圖8所示。由內(nèi)向外環(huán)切輪廓線上最高點(diǎn)與最低點(diǎn)垂直距離為0.147mm，由外向內(nèi)環(huán)切為0.166mm，往復(fù)行切走刀為0.146mm。往復(fù)行切走刀時(shí)會(huì)在平面邊緣形成波浪狀輪廓，外環(huán)切和內(nèi)環(huán)切均可以起到優(yōu)化邊緣的作用，如圖9所示。

圖8 20%NaCl溶液中不同走刀軌跡下平面輪廓圖

圖9 20%NaCl溶液中不同走刀軌跡加工平面

4 結(jié)語(yǔ)

本文使用20%NaCl溶液對(duì)不銹鋼316工件進(jìn)行了管電極射流電解銑削加工研究。得到以下結(jié)論：

1)不同電壓、初始間隙、進(jìn)給速度3種工藝參數(shù)對(duì)管電極射流電解銑削加工316不銹鋼溝槽的寬度和深度以及材料去除率曲線。在本實(shí)驗(yàn)研究范圍內(nèi)，進(jìn)給速度的變化對(duì)溝槽寬度和深度、材料去除率影響最大，其次是加工電壓，再次是初始間隙。

2)在加工電壓40V、初始間隙0.2mm、進(jìn)給速度3mm/min時(shí)，電極跨距S為0.6mm、0.8mm、1.0mm時(shí)，平面平整度較好。

3)通過(guò)由內(nèi)向外環(huán)切和由外向內(nèi)環(huán)切走刀可以改進(jìn)往復(fù)行切走刀平面邊緣的波浪狀輪廓形貌。