電極絲前置式射流電解加工仿真及初步實驗研究

李飄庭，荊 奇，張勇斌，李 建，傅 波

(1.中國工程物理研究院 機(jī)械制造工藝研究所，四川 綿陽 621900；2.四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，成都 610065；3.復(fù)旦大學(xué) 光科學(xué)與工程系，上海 200438)

射流電解加工(Electrochemical Jet Machining，EJM)是指利用噴射在金屬表面的帶電液束對材料進(jìn)行去除的加工方法，在國內(nèi)又被稱為電液束加工、電射流加工等[1-2]. 射流電解加工中，工件接直流或脈沖電源的正極，從噴嘴中高速射出的電解液接負(fù)極，在電解反應(yīng)和化學(xué)反應(yīng)的共同作用下，陽極工件表面逐漸溶解，以此實現(xiàn)小孔或溝槽等特征的加工[3]. 這種方法多應(yīng)用在大深徑比孔的加工中，采用高壓酸性電解液射流，配合幾百甚至上千伏高電壓，能夠?qū)崿F(xiàn)非常高效的材料去除；而在微細(xì)射流電解加工中，則一般采用相對較低的電壓和中性電解液，以減小雜散腐蝕，提高定域性. 相比于傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法，電解加工時工件不受切削力作用，加工區(qū)域不會產(chǎn)生變形，也不像電火花、激光等熱加工時表面會形成熱影響區(qū)和重鑄層. 一般來說，電解加工具有速度快、質(zhì)量高、無陰極損耗、適合加工硬質(zhì)或難加工材料等特點[4-5].

射流電解加工是電解加工的一種高定域性形式，工件表面的蝕除主要集中在射流正下方的區(qū)域，電場被約束在噴嘴和工件表面之間的加工間隙內(nèi)[6]. 在加工過程中，高速液流會帶走加工區(qū)域的電解產(chǎn)物并及時更新電解液，使得加工可以連續(xù)進(jìn)行[7].

自20世紀(jì)60年代，美國GE公司為解決航空發(fā)動機(jī)葉片氣膜冷卻孔高品質(zhì)加工而研發(fā)了電射流打孔技術(shù)以來，各個國家都相繼進(jìn)行了相關(guān)的理論探索和實驗研究. 特別是近些年，國內(nèi)外研究人員對這種加工方式的關(guān)注日益增多，傳統(tǒng)射流電解加工逐漸延伸出多種不同形式，大量學(xué)者和團(tuán)隊也都在尋求新的嘗試. 英國諾丁漢大學(xué)Mitchell-Smith等[8-10]從超聲復(fù)合、入射角度、噴嘴形狀等方面進(jìn)行實驗研究，以獲得更好的加工效果；比利時魯汶大學(xué)GUO Cheng等[11-12]提出一種電解液回流式加工方法來掃描銑削微槽. 國內(nèi)研究單位和學(xué)者近些年來也取得不少成果，南京航空航天大學(xué)LIU Zhuang等[13-14]通過在電解液中混合磨料來去除工件表面鈍化層；廣東工業(yè)大學(xué)CHEN Xiaolei等[15]在工件表面覆蓋一層導(dǎo)電掩膜，以提高加工定域性. 在射流電解加工中，電流密度、電流形式、電解液、液束直徑、加工間隙、加工時間等都對加工特征的精度和表面質(zhì)量有影響[16]，因此通過控制這些參數(shù)及噴嘴的運動，就可以在工件表面加工出預(yù)期的特征. 但射流電解加工仍然存在一些不足，例如加工表面有一定程度的雜散腐蝕，在孔、槽的加工過程中，入口處也會有明顯的過切現(xiàn)象，而且隨著深度的增加，孔的直徑逐漸縮小，壁面會呈一定錐度而非垂直[17-18]. 為此，提高射流電解加工效果和質(zhì)量是一個亟需解決的問題.

本文在研究射流電解加工的基礎(chǔ)上，提出一種電極絲前置式射流電解加工技術(shù)(Wire-preposed electrochemical jet machining，WPEJM)，基于COMSOL軟件對加工過程進(jìn)行仿真，得到了加工區(qū)域的多物理場分布以及工件表面成型情況，并通過工藝實驗驗證了電極絲前置式射流電解加工的可行性，得到了一些初步的工藝規(guī)律.

1 加工原理及仿真分析

1.1 加工原理

電極絲前置式射流電解加工原理如圖1所示，具有一定壓力的電解液從噴嘴中射出形成穩(wěn)定液束，柔性電極絲固定在噴嘴內(nèi)部，并從噴嘴懸伸出一段長度，加工時，高速電解液射流包裹并約束住電極絲. 工件和電極絲分別接電源正負(fù)兩極，電流密度集中在液束正下方，因此陽極工件材料就可以通過電化學(xué)作用來進(jìn)行小范圍的蝕除[19].

圖1 電極絲前置式射流電解加工原理示意圖

所選用的電極絲直徑在100 μm以下，固定在噴嘴中的電極絲懸伸出噴嘴口，且端面與工件待加工表面始終保持一段微小的間隙，這段距離可以通過加工時兩極間的電信號來檢測和調(diào)整，以防止短路. 液束中的電極絲將電場約束在端面周圍的小范圍區(qū)域，電解液高速沖擊在工件表面，更新電解液并帶走電解產(chǎn)物，為加工的進(jìn)行提供穩(wěn)定持續(xù)的電解環(huán)境.

1.2 仿真模型及參數(shù)設(shè)置

COMSOL軟件在多物理場建模和仿真方面具有獨特的優(yōu)勢，因此基于COMSOL Multiphysics對射流電解加工過程進(jìn)行了仿真分析. 噴嘴為圓形孔口，形成的液束為規(guī)則圓柱形，實際加工時考慮電極絲在液束中心，因此選擇二維軸對稱建立了射流電解加工的簡化模型. 圖2為電極絲前置式射流電解加工幾何模型及網(wǎng)格劃分，圖3為傳統(tǒng)射流電解加工幾何模型及網(wǎng)格劃分. 域Ⅰ為金屬噴嘴，噴嘴內(nèi)徑D=0.5 mm，噴嘴中的電極絲直徑d=100 μm. 域Ⅱ為電解液初始相，域Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ為空氣初始相. 邊界1為模型軸對稱中心，邊界9為陰極電極絲，邊界2、6分別為電解液入口和工件表面. 噴嘴與工件表面之間的距離H=1 mm，電極絲端面到工件表面之間的距離h=0.2 mm. 所有模型均采用自由三角形網(wǎng)格劃分.

(a)模型

(b)網(wǎng)格

(a)模型

(b)網(wǎng)格

實際加工過程中，高速帶電射流沖擊在工件表面，主要通過電化學(xué)反應(yīng)蝕除工件材料. 隨著特征的形成，液束形狀會發(fā)生變化，液束中的電場分布也會隨之受到影響，電場和流場之間的關(guān)系是相互影響的. 因此在COMSOL中選用“兩相流-水平集”和“電流”兩個模塊分別描述流場和電場，用變形幾何模塊來描述工件表面的形貌改變. 表1為具體的流場邊界條件設(shè)置，表2為具體的電場邊界條件設(shè)置，表3為20 ℃下NaNO3電解液和空氣的材料屬性.

表1 流場邊界條件設(shè)置

表2 電場邊界條件設(shè)置

表3 20 ℃下NaNO3電解液和空氣的材料屬性

1.3 仿真結(jié)果

通過數(shù)值求解，得到了上述兩個模型的幾何變形及耦合場的分布情況. 圖4為初始狀態(tài)下，兩種加工方法的電流密度分布. 從WPEJM結(jié)果中看，電極絲底部端面及側(cè)壁周圍的區(qū)域電場較為集中，電流密度高. 尤其是電極絲端面，距離工件表面最近，電流密度也最高，而隨著側(cè)壁往上，電極絲與工件的距離增大，電流密度逐漸減小，整體呈水滴形分布. 而從EJM結(jié)果中看，電流密度最高處是在液束內(nèi)部以及金屬噴嘴出口的邊沿處. 根據(jù)法拉第定律，在電化學(xué)加工中，材料的去除量與反應(yīng)體系中通過的總電荷量有關(guān)，因此電流密度越高，單位時間內(nèi)材料的去除量也就越高. 由此可見，無論是哪種方式，最終得到的加工結(jié)果很大程度上都取決于反應(yīng)面上的電流密度分布情況. 圖5為初始狀態(tài)下，邊界6上的電流密度，可以看出，兩種方法工件表面的電流密度值都呈高斯分布，而WPEJM電流密度值明顯要高于EJM，最大值達(dá)到了EJM的兩倍.

(a)WPEJM

(b)EJM

圖5 加工表面電流密度曲線

圖6為加工時間t=5 s時，WPEJM仿真的兩相流體的體積分?jǐn)?shù)及流速分布. 體積分?jǐn)?shù)圖中，紅色區(qū)域代表電解液，藍(lán)色區(qū)域代表外圍空氣，中間界面即為液-氣混合區(qū)域. 電解液從噴嘴口射出后，形成一段圓柱形液束，然后噴射在工件表面，形成一層分布均勻的液膜. 可以看出，電解液從入口邊界進(jìn)入后，一直到噴嘴流出這段時間內(nèi)，速度逐漸增大，等到噴射在工件表面形成液膜后，速度逐漸降低，直至達(dá)到形成水躍現(xiàn)象的臨界點，由于建立模型的尺寸限制，水躍現(xiàn)象并沒有在結(jié)果中表現(xiàn)出來. 而從流速分布圖中可以看到，電極絲對電解液流速的影響也較為明顯. 靠近電極絲底部的區(qū)域，電解液內(nèi)層流速明顯比外層流速低，在電極絲的正下方區(qū)域，電解液流速達(dá)到最低. 流速低的負(fù)面影響是導(dǎo)致電解質(zhì)更新緩慢，電解產(chǎn)物不容易及時排出. 圖7為加工時間t=5 s時，EJM仿真的兩相流體的體積分?jǐn)?shù)及流速分布.

(a)體積分?jǐn)?shù)

(b)流速

(a)體積分?jǐn)?shù)

(b)流速

在兩種加工方式中，流場和電場都是相互作用和影響的. 流體作為導(dǎo)電介質(zhì)，其幾何形狀和屬性參數(shù)都決定著電場的分布，而反過來在電場的作用下，工件材料被蝕除，工作面發(fā)生變形，又會使得流體的運動受到影響. 在仿真中，工件加工結(jié)果是通過邊界6的位移情況表現(xiàn)出來，圖8為兩種加工方式在加工時間t=5 s時，工件表面的位移曲線. 從仿真結(jié)果中來看：兩種方法得到的凹坑直徑都在1 mm左右，但WPEJM的凹坑深度和材料去除率都要明顯大于EJM.

圖8 工件表面的位移

2 裝置及試驗研究

2.1 實驗裝置

為了驗證電極絲前置式射流電解加工的可行性，建立的實驗平臺如圖9所示，該系統(tǒng)包括噴嘴、電極絲、電源、過濾裝置、流量泵和傳感器等. 射流電解噴嘴整體安裝在工作平臺上，可以進(jìn)行水平或豎直方向的移動或掃描. 柔性電極絲固定在噴嘴中心，待加工的工件放置在噴嘴正下方工作水槽中. 工作時，工件和電極絲分別接電源正負(fù)兩極，在射流束中進(jìn)行電解加工. 電解液在泵的作用下，從電解液池中流向過濾裝置和壓力傳感器，經(jīng)過過濾和增壓后進(jìn)入射流電解噴頭內(nèi)，形成高壓液束噴射在工件表面. 整個循環(huán)系統(tǒng)保證了電解液的及時更新、電解產(chǎn)物的排除以及加工區(qū)域的熱量傳導(dǎo). 最終，電解液由工作水槽底部回流至電解液池中，使整體加工過程維持穩(wěn)定連續(xù).

圖9 電極絲前置式射流電解加工實驗系統(tǒng)示意圖

Fig.9 Schematic diagram of the experimental system for WPEJM

圖10為實驗時使用高速相機(jī)拍攝的射流和電極絲照片，電極絲包裹在高速射流中. 為了使電極絲在液束中盡量保持穩(wěn)定和對中，電極絲被固定在噴嘴流道中，固定點穩(wěn)定不產(chǎn)生滑移和偏斜，且盡量靠近噴嘴出口，以減小電極絲的懸伸長度. 實驗時泵的運轉(zhuǎn)使得噴嘴形成的液束會有周期性的脈動，導(dǎo)致電極絲在液束中仍然有輕微的抖動. 但經(jīng)過高速相機(jī)拍攝觀察，發(fā)現(xiàn)抖動情況在可接受范圍內(nèi)，因此最終基于上述裝置進(jìn)行了后續(xù)工藝對比實驗.

2.2 主要實驗參數(shù)

為驗證兩種方式的實際加工效果，設(shè)置了兩組對比實驗，表4為主要實驗參數(shù). 實驗過程中，泵保持恒定流量，壓力傳感器對循環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行實時監(jiān)控，以保證噴嘴形成的液束流速穩(wěn)定、形狀規(guī)則. 工件表面與噴嘴保持垂直，且工件表面在實驗前經(jīng)過打磨預(yù)處理，保證加工區(qū)域平整光滑. 兩組實驗均在無豎直方向進(jìn)給和水平方向掃描的靜止?fàn)顟B(tài)下進(jìn)行，加工時間t為5 s、10 s、15 s和20 s，共計在工件表面打出8個凹坑.

圖10 射流和電極絲

表4 實驗參數(shù)

2.3 實驗結(jié)果與分析

圖11為兩種方式在不同時間下加工出的凹坑的光學(xué)顯微鏡照片，放大倍數(shù)為200倍，其中，A、B兩組分別為WPEJM加工和EJM加工. 在光學(xué)顯微鏡下可以明顯看出A組的尺寸稍大于B組，凹坑的形狀較為圓整，且內(nèi)表面明亮光滑. 隨著加工時間的增加，A組凹坑內(nèi)表面的光亮程度逐漸降低. B組凹坑的尺寸小于A組，且入口邊緣和內(nèi)部形貌都比較粗糙. 圖12和圖13分別為不同時間下，兩種方法加工出凹坑的輪廓圖.

在射流電解加工中，工件上形成凹坑的直徑通常都為液束直徑的兩倍左右，本次實驗中的結(jié)果也基本符合這個規(guī)律. 圖14為兩組凹坑的入口直徑對比，可以看出，隨著加工時間的延長，兩組凹坑的直徑都呈緩慢增長的趨勢，但A組凹坑的直徑整體都要比B組大250 μm左右. 在深度方面，如圖15所示，A組凹坑的深度都在B組的3倍以上，且隨著加工時間的增加，深度的增長量也要大于 B組. 綜合直徑和深度兩個參數(shù)可以看出，相同條件下，WPEJM加工凹坑的整體尺寸都要大于EJM，也就是總的材料去除量更多、去除效率更高. 圖16為兩組凹坑的深徑比對比，明顯可以看出，A組凹坑的深徑比整體都要高于B組. 而且和深度變化曲線類似，隨著加工時間的增加，如果采用WPEJM方法加工，凹坑的深徑比增長量也會較高.

圖11 WPEJM和EJM得到的凹坑照片

圖12 WPEJM得到的凹坑輪廓圖

圖13 EJM得到的凹坑輪廓圖

圖14 凹坑的直徑對比

圖15 凹坑的深度對比

圖16 凹坑的深徑比對比

對于電解加工來說，電流密度是最為重要的一個參數(shù)，對最后加工出的特征精度和質(zhì)量起著決定性作用. WPEJM加工過程中，由于液束中的電極絲導(dǎo)電能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于電解液，因此電場主要都集中于電極絲端部，離工件表面越近的區(qū)域電流密度越高. 電極絲與帶電射流共同作為陰極，與工件陽極構(gòu)成電解體系蝕除金屬材料，同時反應(yīng)生成的電解產(chǎn)物和熱量都隨著高速射流被快速帶走. 影響電流密度的另一個重要因素是加工間隙，加工間隙越小，電流密度越高. 在EJM加工中，加工間隙一般指的是陰陽極之間，也就是噴嘴到工件之間的距離；而在WPEJM加工中，加工間隙實際上變成了電極絲底部端面到工件之間的距離. 因此，不同于EJM加工受液束穩(wěn)定性影響而加工間隙無法做到非常小的問題，只要滿足電極絲不接觸到工件形成短路，WPEJM的加工間隙就可以減小到一個非常小的值. WPEJM加工中，工件表面的電流密度明顯要高很多，這就導(dǎo)致了材料蝕除量變大，形成凹坑的尺寸也相應(yīng)增加，實驗結(jié)果也基本符合仿真規(guī)律. 另外隨著加工時間的增長，實驗中噴嘴和電極絲并沒有垂直方向的進(jìn)給運動，因此實際的加工間隙會隨著凹坑深度的增加而增加. 這就導(dǎo)致了加工區(qū)域電流密度會隨著時間逐漸降低，體現(xiàn)在實驗結(jié)果上就是蝕除速度越來越慢.

圖17為加工時間t=20 s時凹坑的掃描電鏡照片. 宏觀上可以看出，用EJM得到的凹坑很不平整，形狀波動起伏，表面質(zhì)量很差. 而用WPEJM得到的凹坑則更為光滑，內(nèi)表面也沒有明顯凸起. 放大1500倍后，觀察到A組底面更為緊密細(xì)致，沒有空隙. 由于B組凹坑表面質(zhì)量過于差，最終只測得A組凹坑的底面粗糙度：隨著加工時間由5 s增加到20 s，Ra分別為7.9、10.36、18.57和38.74 nm. 在WPEJM與EJM表面質(zhì)量的橫向?qū)Ρ戎?，前者明顯優(yōu)于后者；而在不同加工時間的縱向?qū)Ρ戎校伎拥谋砻娲植诙戎狄搽S著時間增加而增加. 由此可以看出：與尺寸變化類似，表面質(zhì)量變化的因素主要也是電流密度.

圖17 t =20 s時凹坑的SEM照片

3 結(jié) 論

1)在相同實驗條件下，相比于傳統(tǒng)射流電解加工，電極絲前置式射流電解加工的效率更高，深度和深徑比更大，且表面質(zhì)量更優(yōu)，最小表面粗糙度值Ra為7.9 nm.

2)隨著加工時間的增加，電極絲前置式射流電解加工得到的凹坑的深徑比逐漸增大，但增長量逐漸減少. 同時加工時間越長，表面粗糙度值越高. 主要原因在于凹坑的深度隨時間增加而增加，在沒有進(jìn)給的情況下，相當(dāng)于加工間隙變大，導(dǎo)致表面電流密度降低.

3)實驗中電極絲前置式射流電解加工時，個別凹坑的入口處會有部分缺口、不規(guī)則的現(xiàn)象. 分析可能是加工初始階段液束不穩(wěn)定，導(dǎo)致電極絲輕微抖動，偏離液束中心，因此凹坑的入口會在偏離方向被多蝕除一部分.