超聲輔助模板電解加工夾具設計及參數優化

趙思淳，李寒松，孫飛響，曲寧松

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

模板電解加工技術是特種加工技術中的一種，有著加工后無毛刺、不變形、工具無損耗和表面質量好等優點，特別適合群孔類結構的加工。模板電解加工時，利用機械外力將帶有特定圖形的模板緊貼于工件表面，電解液高速從模板與陰極之間流過帶走加工產物與焦耳熱，裸露于電解液中的工件即被電解去除。近年來，研究人員不斷進行研究改進，試圖進一步提高模板電解加工的質量。李寒松等人通過對模板電解加工技術進行工藝參數優化，成功地在鈦合金、鉬等材料上加工出了高質量群孔結構，同時進行了模板電解加工中的壓緊圓柱繞流分析并創新設計了蛇形流道[1-3]。

超聲輔助近年來發展速度很快，在化學化工、機械制造、生物醫療等很多領域都有著廣泛的應用。對于電解加工，超聲輔助同樣有著良好的優化效果，超聲空化作用可以促進電解產物的排出，清潔電極表面，同時也可以使溶液做持續運動，減少濃度極化，提高電流密度和電流效率。部分研究人員針對超聲輔助與電解加工的結合展開了試驗研究， A.Ruszaj 等學者將超聲振動引入到陰極工具之中，使表面粗糙度得到了大幅改善[4]。S. Skocyzypiec建立了電極超聲振動輔助電解加工的流場模型，進行了電解和振動參數對加工效果影響的實驗分析[5]。 MS Hewidy等人研究了低頻振動的電解加工，結果表明：應用低頻振動改變加工間隙的物理狀態，是提高加工精度的有效手段之一[6]。

超聲在液體中主要的工作機制是空化作用，即存在于液體中的微小氣泡核在經歷超聲波不斷的正壓、負壓時，會產生膨脹、壓縮、崩潰、震動等一系列動力學過程，這個過程發生在約0.1μs內，空化氣泡的這種急劇崩潰會瞬間產生局部高溫高壓(可達5000K，1800atm)進而對周圍組織產生影響。而根據相關理論，空化作用的強弱不僅受超聲本身頻率和功率的影響，也與反應體系的溫度、壓力等因素有密切的關系，所以有必要對引入超聲輔助后部分參數的影響規律進行重新優化。

本文嘗試將模板電解與超聲輔助相結合，設計了超聲輔助模板電解加工專用夾具，并以鈦合金TC4為材料進行試驗，研究了超聲頻率、功率、電解液壓力、溫度等參數對試驗結果的影響規律，確定出最優化加工參數，證明了超聲輔助模板電解加工這一方法的有效性。

1 空化泡運動方程分析

超聲空化作用下空化泡運動方程是研究超聲空化作用的重要手段。假設超聲聲場強度恒定，空化泡中的氣體和水蒸氣滿足理想氣體變化規律，液體不可壓縮且溫度恒定，氣泡壁的運動滿足球形對稱運動。考慮液體黏度和表面張力對空化泡運動的影響，由能量守恒推導出多參數作用下空化泡運動方程[7]：

(1)

式中：R為空化氣泡瞬時半徑；R0為空化氣泡初始半徑；Pc為超聲聲壓；R0為作用在氣泡壁上的流體靜壓力；Pv為氣泡內蒸汽壓；σ為反應體系表面張力系數；μ為液體的粘滯系數；ρ為反應體系密度；k為絕熱指數；t為反應時間。

由式(1)可知，超聲空化作用下氣泡運動狀態受超聲頻率、超聲功率、電解液壓力、反應體系溫度多種因素的影響，有必要通過試驗對這些關鍵加工參數的影響規律進行進一步的探究。

2 試驗系統

為了保證試驗效果，使超聲波高效地傳導至電解液中，本文針對超聲輔助模板電解加工設計了專用夾具。該夾具如圖1所示，采用雙面對心加工方式，上、下夾具兩側分別設有進液口與出液口，夾具內設有嵌入式鋼板，鋼板一側固定有超聲振頭。裝夾時，先將活動模板固定于下夾具上，工件置于活動模板之中，再蓋上上夾具并緊密固定。通過夾具內嵌入式鋼板，將超聲、電解有機結合在一起，使超聲高效直接地傳導至電解液流道內，引起電解液內“空化”現象，促進電解反應持續高效進行，嵌入的鋼板作為電解反應中的陰極，同時也是超聲傳導的介質。

圖1 夾具示意圖

本試驗采用10%NaCl溶液作為電解液，每一組試驗同時加工5個小孔，加工時間3.5min，超聲頻率、功率作為自變量均可調，其余加工參數詳見表1。加工效果的主要衡量指標為小孔的平均圓度誤差以及直徑方差。試驗結束后立即超聲清洗工件表面并使用 Leica 顯微鏡(DVM5000，Germany)觀察檢測。

表1 電解加工部分參數表

3 試驗結果及分析

3.1 超聲參數的影響

在本組試驗中，電解液溫度、壓力分別為40℃、0.4MPa，選取超聲頻率20kHz、30kHz、40kHz以及無超聲作為頻率自變量，選取超聲功率50W、100W作為功率自變量進行試驗，測得各組小孔圓度誤差、直徑方差變化如圖2所示。由圖2(a)可知，引入超聲輔助后加工所得小孔的平均圓度誤差與直徑方差要明顯優于無超聲時的加工結果，當超聲頻率為20kHz時，小孔的平均圓度誤差和直徑方差分別從無超聲時的18.0682μm、153.2336μm降低至8.8952μm、59.6856μm，優化效果非常明顯。隨著超聲頻率的增加，雖然優化效果開始逐漸減弱，但是相比于無超聲狀態，小孔精度的提升效果仍十分可觀。

圖2 不同超聲參數下圓度誤差與直徑方差

超聲功率恒定時，頻率越小，超聲波的空化作用越強，對電解的輔助促進作用越明顯。此外，低頻超聲波的穿透性也更強，在鋼板厚度不變的情況下，超聲波頻率越低，振動速度越慢，阻抗越小；在鋼板中消耗的能量也越小，在鋼板的另一側(電解液側)能保持更高的聲壓，表現為穿透力強。因此在超聲輔助模板電解加工中，一般需要選擇較小的超聲頻率，以提高超聲輔助對加工質量的優化效果。

從圖2(b)可知超聲功率也是影響其優化效果的重要因素，低超聲功率下超聲空化作用強度會減弱，加工質量變差，圓度誤差及直徑方差均不及高超聲功率。可見在加工時，為保證超聲的優化效果，應選擇較高的超聲功率。

3.2 電解液溫度的影響

在本組試驗中，電解液壓力以及超聲頻率、功率分別為0.4MPa、20kHz、100W。選取溫度35℃、40℃、45℃ 、50℃為試驗自變量，進行試驗研究。圖3為不同溫度下群孔平均直徑、直徑方差統計圖。從圖3中可以看出，小孔的平均直徑隨溫度提升而增大，而孔的直徑方差呈V字形變化，在45℃之前，孔的直徑方差隨溫度升高越來越小，即群孔孔徑一致性越來越好，在45℃時到達最小值，而后又呈上升態勢。可以看出，超聲輔助模板電解加工中溫度的升高有益提高加工速率，但過高的溫度降低了孔徑一致性，不利于提高加工質量。

圖3 不同溫度下平均直徑與直徑方差

單從超聲空化作用的角度來看，反應體系溫度的增加會提高超聲空化作用的強度，有益于超聲輔助的優化效果；同時隨著電解溫度的升高，電解液中離子活性增強，電流密度提高，有利于提高反應速度，表現為小孔平均直徑隨溫度提升而增大。但當溫度>45℃時，加之電解反應本身也會產生熱量，加工區熱量來不及排出，電解液可能沸騰、蒸發，大量氣泡來不及排除，影響小孔加工一致性，導致直徑方差變大。根據試驗得到的規律， 選擇45℃為超聲輔助模板電解加工的最佳溫度，此時群小孔一致性達到最佳，也保證了較高的加工速率。

3.3 電解液壓力的影響

在本組試驗中，電解液溫度以及超聲頻率、功率分別為40℃、20kHz、100W，選取電解液壓力0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa為自變量進行試驗。圖4為不同電解液壓力下群孔圓度誤差、直徑方差的統計。從圖4中可以看出，孔的圓度誤差、直徑方差均隨電解液壓力提升先減小，而后有增加趨勢，圓度誤差在0.3MPa達到最低，直徑方差在0.4MPa達到最低。

圖4 不同壓力下平均圓度誤差與直徑方差

3.4 最優化參數試驗

在上文試驗中已經找到了超聲頻率、功率、溫度、電解液壓力等因素對超聲輔助模板電解加工試驗的影響規律，本節將根據最優化取值，在航空發動機常見難加工材料鈦合金TC4上進行群孔加工試驗，群孔數量為2×5，以期望探究超聲輔助對加工質量的最大優化效果。試驗中，超聲頻率取20kHz，超聲功率100W，溫度45℃，電解液壓力0.35MPa，各小孔測量數據統計于表2中，使用Leica顯微鏡拍攝小孔照片如圖5所示，并選取了圖5中線條所指示的3個小孔進行了放大拍攝，后利用線切割機床將小孔剖開，對其橫截面進行了拍攝。發現各小孔形狀均清晰完好，圓度較佳，錐度可以穩定控制在5°，圓度誤差控制在15μm內，達到了理想的加工效果，證明了超聲輔助模板電解加工的實用價值。但電解液壓力過小時，電解反應產生的熱量、產物等無法被及時帶走，會在加工區積累，影響電解反應的順利進行；而過大的壓力會使電解液深入掩模板與工件貼合區，造成小孔周圍出現點蝕，影響加工精度。同時，根據超聲空化作用理論可知，過大的電解液壓力也不利于超聲輔助的效果，超聲空化作用的強弱是隨著電解液瞬態壓力的增強而減弱的。為使超聲輔助電解加工質量達到最佳，電解液壓力應該在0.3MPa、0.4MPa之間，取0.35MPa較好。

圖5 最優化參數試驗小孔照片

表2 小孔測量數據

4 結語

本文提出了超聲輔助模板電解加工這一新方法，設計并制造了超聲輔助模板電解加工專用夾具，并在以TC4材料的加工試驗中證明了這一方法的可行性，探索出部分關鍵參數的影響規律。試驗表明：超聲輔助對電解加工有著良好的優化作用，超聲頻率越小、功率越大，則超聲空化作用越強；超聲輔助模板電解加工的最佳電解液溫度為45℃，最佳電解液壓力為0.35MPa。通過參數優化后群小孔的錐度可以穩定控制在5°左右，圓度誤差控制在15μm內，加工質量較好。