振動輔助電解車削加工技術研究*

房汝建　干為民　王祥志　褚輝生　黃　亮

(常州工學院江蘇省數字化電化學加工重點建設實驗室，江蘇 常州 213002)

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振動輔助電解車削加工技術研究*

房汝建干為民王祥志褚輝生黃亮

(常州工學院江蘇省數字化電化學加工重點建設實驗室，江蘇 常州 213002)

為提高電解車削材料去除率和改善加工表面質量，提出了振動輔助電解車削加工方法。采用陰極機械振動的方式使得加工間隙呈周期性變化狀態，改善電解車削加工性能。進行了添加振動輔助前后的對比驗證試驗，研究了相關參數對振動輔助電解車削加工影響。結果表明: 振動輔助電解加工能明顯改善極間狀態，提高材料去除率以及減小加工表面粗糙度值；材料去除率和表面粗糙度隨著振動頻率、加工電壓、占空比、加工間隙和電解液溫度呈規律性變化。

電解加工；車削；振動輔助；材料去除率；表面粗糙度

隨著工業技術的發展，新材料和復雜結構層出不窮，其加工技術就成了制造領域不可回避的問題[1]。機械加工多采用接觸式機械力去除材料，對于常用金屬材料具有較高的材料去除率和較好的表面質量。然而，針對不銹鋼、鈦合金等難加工材料以及復雜工件，機械加工方式存在刀具損耗大，加工易發生變形等缺點，嚴重制約了新材料和高端裝備的應用推廣[2]。

電解加工為采用金屬在電解液中的陽極溶解作用蝕除材料的，屬非接觸加工方式，無宏觀接觸力[3]。電解加工為代表的電加工方法是非接觸加工方法，因此加工不受制于材料的力學性能，非常適合難切削材料和復雜零件的加工。電解車削加工是電解加工的一種拓展形式，適合于回轉體零件的加工，已用于航空發動機的環形件等的加工[4-6]。但是，電解車削的材料去除率和表面質量有待進一步的提高，并可用于光整加工[7-8]。

為提高電解車削材料去除率以及改善加工表面質量，本文提出了機械振動輔助電解車削加工的加工方法，為改善電解車削加工性能提供了一種新的思路。

1　振動輔助電解車削加工技術

振動輔助電解車削加工所用的試驗裝置如圖1所示。利用電動機帶動凸輪實現工具電極以一定的頻率振動。采用中空管狀電極做工具電極并與電源負極相連，在振動裝置和限位裝置的共同作用下，向工件勻速靠近，并沿工件軸向做往復運動。工件采用夾持裝置實現可調轉速旋轉并與脈沖電源正極相連。電解液經中空工具電極送入極間實現振動輔助電解車削加工。

振動輔助電解車削加工原理如圖2所示。工具電極和工件靠近至指定加工間隙后，將電解液通入極間，并接通脈沖電源。在脈沖電源的作用下，進行電化學腐蝕去除材料。工具電極在振動裝置的作用下，產生周期性的上下運動，在靠近工件表面端進行精密電解腐蝕蝕除，在遠離工件表面端借助振動沖擊波產生的攪動作用及時排出電解加工產物，提高電解車削材料去除率以及改善表面質量。

2　驗證試驗

2.1試驗條件

試驗在自行研制的電解磨削加工機床上進行，所采用的加工條件如表1所示。

表1加工條件

項目內容工件?8mm304不銹鋼陰極黃銅管電解液30%硝酸鈉溶液供液內沖液加工電壓/V12占空比/(%)60濃度/(%)20溫度/℃20加工時間/min10間隙/mm0.2振動電動機電壓/V10

2.2波形驗證

考慮極間加工間隙對極間耦合電容的影響，電解車削加工極間電容C的大小可以用平面電容C計算公式表示：

C=εε0S/d

(1)

式中：ε為電解液的介電常數；ε0為真空的介電常數；S為加工區域面積；d為極間距離。

可見，隨著極間距離的變化，極間電容也會發生相應的改變。對應的不同加工方式下的電流波形如圖3。

2.3對比試驗

進行了普通電解車削加工與振動輔助電解車削材料去除率和加工表面質量的對比試驗，試驗結果如圖4所示。從圖中可以看出，在振動輔助可以提高電解車削材料去除率，減小表面粗糙度值。

3　工藝試驗

3.1振動頻率對電解加工的影響

試驗裝置的振動是依靠電動機帶動凸輪實現的，電動機轉速決定了振動頻率的大小，而電動機電壓決定了電動機轉速的大小，因此可以通過調整輸入振動電動機的電壓來改變裝置的振動頻率。圖5為改變振動頻率對電解加工的影響規律。從圖中可以看出，隨著振動頻率的增加，材料去除率逐漸提高，表面質量明顯改善。這是因為隨著振動頻率的增大，電解液更新速度加快，電解產物的排出速度增加，材料蝕除率明顯增加。

3.2加工電壓的影響

采用表1參數研究了加工電壓對振動輔助電解車削加工的影響規律，如圖6所示。從圖中可以看出，隨著加工電壓的升高，材料去除率逐漸增加。這是因為，隨著電壓的升高，電流密度逐漸增大，在振動的作用下，電解產物順利排除加工區域，材料蝕除率增加。然而，隨著電流密度增加，雜散腐蝕情況加大，因此加工表面粗糙度值增大。

3.3占空比的影響

占空比對振動電解車削加工的影響如圖7所示。從圖中可以看出，隨著占空比的增大，材料去除率增加，表面粗糙度值變大。這是由于占空比增加后，電導率增加，電流密度增加的緣故。

3.4加工間隙的影響

加工間隙對振動電解車削加工的影響如圖8所示。從圖中可以看出，隨著加工間隙的增大，材料去除率降低，表面粗糙度值變小。由式(2)可以看出[9]，在其他條件不變的情況下，隨著加工間隙Δ的增大，電解液的電阻變大，電流密度降低，材料溶解速度va降低，材料去除率逐漸下降。隨著加工間隙的增大，極間雜散腐蝕加劇，易產生選擇腐蝕和麻點等，使得加工表面受到影響，進而表面粗糙度值變大。

A=va·Δ

(2)

式中：A為加工常數；va為溶解速度；Δ為加工間隙。

3.5電解液溫度的影響

電解液溫度對振動電解車削加工的影響如圖9所示。從圖中可以看出，隨著電解液溫度的增加，材料去除率逐漸增大，表面粗糙度值先增大后減小。這是因為溫度越高，電解液中離子的活躍度越高，電導率增加，化學反應加劇，因此材料去除率增加。電解液溫度將直接影響鈍化膜的形成過程及組織性能，溫度增加初期，由于鈍化膜逐漸形成，對加工表面形成保護作用，并在電解蝕除作用下，逐漸達到平衡。隨著電解液溫度的升高，電導率進一步提高，鈍化膜粘附力將下降，鈍化膜較為疏松，加工表面粗糙度值也會減小。

3.6工件轉速的影響

工件轉速對振動電解車削加工的影響如圖10所示。從圖中可以看出，隨著轉速的提高，振動輔助電解車削加工的材料去除率和表面粗糙度值均呈現減小的趨勢。由于工件轉速的增加，工件上同一點的電解加工時間變短，因此去除量也隨著減少；同一點的去除量變小，有利于利用鈍化膜的作用，對加工表面進行電解光整，因此加工表面粗糙度值減小。

3.7優化參數加工

選取工作電壓18 V、占空比80%、工件轉速500 r/min、加工間隙0.2 mm、電解液溫度35 ℃、濃度30%，振動電動機電壓為10 V時，在兼顧材料去除率的前提下，加工精度與表面加工質量達到較好的狀態，表面粗糙度可達0.28 μm。加工后的工件如圖11所示。

4　結語

(1) 振動影響電解車削極間加工間隙，進而影響極間電容。

(2) 振動輔助電解車削加工的材料去除率隨著振動頻率、占空比、濃度的增加而增大，隨著加工間隙、工件轉速的增加而降低。

(3) 振動輔助電解車削加工的表面粗糙度值隨著加工電壓、占空比、加工間隙的增大而增大，隨著振動頻率、工件轉速的增加而減小，隨著電解液溫度升高呈現先增大后減小的趨勢。

(4) 在優選的參數下，在兼顧材料去除率的前提下，可以振動輔助電解車削可加工出較好的加工表面。

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(編輯汪藝)

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Research on the technology of vibration assisted electrochemical turning

FANG Rujian, GAN Weimin, WANG Xiangzhi, CHU Huisheng, HUANG Liang

(Jiangsu Key Lab of Numeric Electrochemical Machining,Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, CHN)

To improve the material removal rate and surface quality of electrochemical turning, vibration assisted electrochemical turning is proposed. The machining gap is changed periodically by the way of cathode mechanical vibration, which improves the performance of electrolytic turning. A comparative test is carried out to test the influence of the parameters on the vibration assisted electrochemical turning. The results show that: vibration assisted electrochemical machining (ECM) can significantly improve the state, material removal rate and reduce the roughness of the machined surface; machining efficiency and the surface roughness regular changes with the degree of the vibration frequency, machining voltage, duty ratio, machining gap,and electrolyte temperature.

electrochemical machining; turning; vibration assisted; material removal rate; surface roughness

TG662

B

房汝建，男，1963年生，副教授，從事機械設計與制造研究。

2015-12-28)

160425

* 江蘇省自然科學基金青年基金項目( BK20150255) ; 江蘇省科技支撐計劃( 工業) 項目( BE2014051) ; 江蘇省高校自然科學研究重大項目(15KJA460002) ; 常州市科技項目( CJ20159041、CE20135037) ; 常州工學院校級科研基金項目( YN1406、YN1307)