六邊形型孔電解加工試驗及工藝優化

尹飛鴻，蔣麗偉,2，肖華星，何亞峰,3，干為民,3

（1.常州工學院，常州 213032；2.常州大學，常州 213164；3.江蘇省特種加工重點實驗室，常州 213032）

0 引言

蜂窩結構具有比強度高、重量輕、隔音和隔熱等優良特性。因此被廣泛用作航天飛機、人造衛星和宇宙飛船等高科技領域的零件的內部上，如衛星的外殼幾乎全部采用蜂窩結構。蜂窩結構由六邊形孔組成，傳統機械加工方式如銑削、鉆削很難加工出六邊形孔。電解加工相比其他加工方法具有工具陰極無損耗、無切削力、加工不受材料切削性能影響和加工精度好、成型效率高等諸多優點，特別適合于難加工材料的異形孔、深孔和小孔的加工，為加工六邊形孔提供了一種低成本、高質量的加工方式。多年來國內外學者對異形孔的電解加工進行了大量的研究，取得了一定的成果。房曉龍等人為提高管電極電解加工鈦合金方孔的加工穩定性和精度，建立了方孔加工間隙內電解液流動模型，分析了電極內孔形狀及尺寸對加工區流場均勻性的影響規律，并進行了相關試驗，結果表明采用圓形內孔電極加工時加工區流場的分布比采用方形內孔電極加工時均勻，電極內孔橫截面積越大，加工區流場的分布越均勻，加工穩定性和精度均得到提高[1]；何亞峰等進行了鈦合金方孔電解加工研究，通過建立其多物理場耦合模型，顯著提高了鈦合金電解加工質量[2]；賈建利等人通過在方孔陰極四壁和芯部分別鑲貼永磁體與不疊加磁場對比，發現在相同參數下，四壁和芯部鑲貼永磁體顯著提高了方孔電解加工精度和表面質量[3]；賈明浩通過對大深徑比異形孔電解加工試驗研究，設計了全錐拉式陰極結構，使流場分布均勻、合理，解決了較小尺寸異形孔電解加工的技術關鍵問題[4]；馬曉宇提出對電極側壁涂環氧樹脂進行絕緣電解加工高質量微細孔，為提高微細型孔電解加工精度提供了可行的技術途徑[5]；L Tang等人采用優化工藝參數方法電解加工深徑比大的螺旋圓管，整個加工過程中穩定，材料去除效率高[6]；D Zhu等人提出以電解液萃取的方式實現反向電解質流動，采用楔形電極管，在加工具有傾斜角度的孔的同時使電解質更均勻地流動，從而提高了孔的加工質量和效率[7]；Li Zhao long等人研究了管狀電極脈沖電解處理變截面光圈，提出管狀電極脈沖電解處理間隙側電流的主要控制因素，解決了可變截面孔的復雜電解加工程序、形狀精度差和電極難處理等問題[8]；L Yong等人將電極側壁絕緣，提出一種用于燃料噴油嘴錐形孔電加工工藝，并通過實驗得到了各加工參數對精度的影響[9]；G Liu等人以倒錐孔為例，通過改變電壓、占空比和進給速度等參數，獲得微孔直徑與加工參數的定量關系[10]；Q M Fan等人建立方孔電解加工加工間隙流場數學模型，利用COMSOL和CFD仿真軟件，在相同入口流速和出口壓力的條件下，對三種不同形狀的陰極進行加工間隙通道的流場數值模擬，總結了電解液流速和壓力對流體分布的影響[11]。

然而異形孔電解加工過程中存在著流場分布均勻性難以保證、棱角處成型的一致性較差等問題，仍需要進一步深入研究。本文以六邊形型孔為研究對象，在六邊形型孔電場、流場分析基礎上開展試驗研究，研究電解加工工藝參數對成型精度的影響關系，其結果可為工藝參數優選提供一定的依據。

1 六邊形型孔電解加工幾何模型

六邊形型孔電解加工時，六邊形工具陰極連接電源負極，工件連接電源正極，電解液高速流過六邊形工具陰極與工件形成的加工間隙中，在外加直流穩壓穩流電源作用下發生電化學反應，工件材料溶解，如圖1所示，隨著電解液的流動，溶解的工件材料從加工側面間隙被帶出。

圖1 六邊形型孔電解加工幾何模型

2 六邊形型孔電解加工電場分析

2.1 六邊形型孔電解加工電場模型

為了研究六邊形型孔電解加工時電場分布規律，建立的電場模型如圖2所示，其電場封閉邊界主要由陽極邊界Γ1，陰極邊界Γ2、絕緣邊界Γ3構成。假設電解液在流動時呈現各向同性，則根據電場理論則有：

在加工間隙區域內：

在工件陽極 Γ1邊界面上：

在工具陰極Γ2邊界面上：

在絕緣邊界Γ3面上：

圖2 六邊形型孔電解加工電場模型

2.2 六邊形型孔電解加工電場分布

根據上述模型，取加工電壓18V、加工間隙0.2mm、電導率為8.7S/m進行數值分析，得到如圖3所示的六邊形加工面電流密度分布情況。從圖中可以看出通液槽處電流密度較小，加工面位置電流密度基本在7.2×105A/m2，六個棱角位置電流密度比加工面位置要小一個數量級，由此可見六個棱角處溶解速度慢，加工中很容易由尖角變為圓角。

圖3 六邊形型孔電解加工電場分布

3 六邊形型孔電解加工流場分析

根據六邊形幾何特點，通常情況下可設計成圓形通液槽，其具體參數為：電解液密度為1070kg/m3、動力學粘度為0.0014Pa.s、電解液進口壓力為0.5MPa、電解液出口壓力為0，利用軟件進行數值計算，得到的結果如圖4所示，從圖中可以看出，在加工間隙入口處電解液流速較大，在側面出口位置電解液流速較小，流場分布比較均勻，沒有出現空穴和缺液區，可以保證加工時流場的穩定性。

圖4 六邊形型孔電解加工流場分布

4 六邊形型孔電解加工試驗研究

4.1 試驗加工工裝設計

根據六邊形電解加工要求，設計的工裝如圖5所示，主要由陰極、夾具體、工件定位槽、密封腔、工作臺等組成，為了保證工具陰極與工件之間的位置精度，在工裝上設計了定位槽，密封腔保持電解液壓力穩定。

圖5 六邊形孔電解加工工裝設計

4.2 試驗加工平臺

按照工裝設計要求制作的六邊形電解加工試驗平臺如圖6所示，主要由工作臺、工件、工具陰極、密封玻璃型腔、電解液進出口、電源接線端等組成，為了保證加工中導電性能良好，電源接線端要牢固、接觸面無絕緣現象產生。

4.3 六邊形型孔加工試驗

4.3.1 試驗參數

采用質量分數為10%的NaNO3電解液，電導率為8.7S/m，六邊形陰極對邊距離為6mm，陰極電解液通液孔直徑為3mm，試驗前工具陰極側壁進行絕緣處理，工件材料為4Cr13不銹鋼，試驗之前用砂紙進行研磨拋光，電源采用可控硅整流超大功率直流穩壓穩流電源，電壓為20V，占空比為85%，進給速度為0.8mm/min，初始加工間隙為0.2mm，孔加工深度為3mm，電解液入口壓力為0.5MPa。

圖6 六邊形孔電解加工試驗平臺

4.3.2 六邊形型孔三維形貌

圖7是在4.3.1試驗參數下獲得的六邊形不銹鋼型孔試樣測量，從圖7(a)中可以看出，加工的六邊形成形精度較好，加工深度為3.26mm，從圖7(b)可以得到，加工的六邊形錐度較小，中間形成比較明顯的倒圓錐形凸起。

圖7 六邊形型孔電解加工試樣

4.4 改變工藝參數對六邊形型孔成形精度的影響

4.4.1 加工電壓對六邊形型孔成形的影響

圖8是在其他條件不變情況下，改變加工電壓得到的六邊形成形關系，從圖中可以看出，加工電壓升高時，六邊形的加工錐度增加，入口側面間隙也增加，這是由于相同條件下，加工電壓升高，在加工面上分布的電流密度增加，不銹鋼材料溶解速度加快，雜散電場影響更為顯著，加工錐度和入口側面間隙將變大。

圖8 加工電壓對六邊形型孔成形的影響

4.4.2 初始加工間隙對六邊形型孔成形的影響

圖9是在其他條件不變情況下，改變初始加工間隙得到的六邊形成形關系，從圖中可以看出，隨著初始加工間隙的增大，加工錐度和入口側面間隙均增大，這是由于初始加工間隙越大，分布在加工面上的電流密度就越小，不銹鋼初始溶解速度越慢，達到加工平衡狀態的時間就越長，加工成形精度就越差。

圖9 初始加工間隙對六邊形型孔成形的影響

4.4.3 進給速度對六邊形型孔成形的影響

圖10是在其他條件不變情況下，改變進給速度得到的六邊形成形關系，從圖中可以看出，隨著進給速度的增加，加工錐度與入口側隙將變小，成形精度更好。

圖10 進給速度對六邊形成形精度的關系

綜合加工電壓、初始加工間隙、進給速度對六邊形型孔成形規律來看，為了提高成形精度，優選較低的加工電壓、較小的初始加工間隙、較高的進給速度有利于減小加工間隙和入口側面間隙，從而提高六角形型孔的成形質量。

4.5 優選工藝參數電解加工六邊形型孔的結果

4.5.1 六邊形型孔二維形貌

圖11是在單因素試驗基礎上，優選工藝參數得到的六邊形型孔試樣二維形貌，可以看出在加工電壓18V、初始加工間隙0.15mm、進給速度為1.0mm/min的條件下，六邊形成形精度好，加工的底面質量均勻。

圖11 六邊形型孔二維形貌

4.5.2 六邊形型孔棱角的一致性

將優化的六角形加工試樣提取加工輪廓線，測量各加工棱角的圓角半徑，其結果如圖12所示。由于電解加工時棱角處電流密度相對于其他加工處比較小，加工中容易形成圓角，從圖中可以看出，六個棱角處的圓角半徑基本都在0.63mm左右，六個棱角的一致性較好。

5 結論

1）電解加工為六邊形異形孔加工提供了一種有效的加工手段，從而提高加工的質量。

圖12 六個棱角一致性測量

2）采用軟件對六邊形型孔電解加工的電場和流場進行數值計算，其結果可為試驗提供一定的理論依據，其圓形通液槽可以滿足電解加工要求。

3）自行設計制作加工工裝，開展了六邊形型孔電解加工單因素試驗，得到了加工電壓、初始加工間隙、進給速度對六邊形成形的影響關系。

4）優選工藝參數后加工的六角形型孔加工成形精度較高，六個棱角一致性好。

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