楊濤，曾永彬，杭雨森，房曉龍

南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016

在航空發(fā)動(dòng)機(jī)中，分體式渦輪轉(zhuǎn)子是由渦輪盤與葉片通過榫槽、榫頭裝配而成的。榫槽與榫頭連接部位載荷極其復(fù)雜、工作條件尤為惡劣。因此，對(duì)其結(jié)構(gòu)尺寸精度、表面完整性要求苛刻。目前，現(xiàn)有加工工藝仍無(wú)法滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤榫槽的低成本、高效、高表面完整性加工要求。主要表現(xiàn)在：① 在航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段，榫槽結(jié)構(gòu)尺寸調(diào)整頻繁，現(xiàn)有加工工藝難以完成小批量榫槽結(jié)構(gòu)的低成本、高效、高質(zhì)量加工；② 在榫槽結(jié)構(gòu)定型批量生產(chǎn)階段，航空發(fā)動(dòng)機(jī)制造企業(yè)常采用的拉削工藝，其刀具設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、磨損嚴(yán)重，加工成本極高，且表面易形成冷作硬化層等缺陷，難以實(shí)現(xiàn)大批量榫槽結(jié)構(gòu)的低成本、高質(zhì)量加工。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者聚焦于線切割加工工藝，期望通過線電極與渦輪盤在水平面內(nèi)的相對(duì)進(jìn)給運(yùn)動(dòng)低成本地切割出榫槽結(jié)構(gòu)。相比于傳統(tǒng)機(jī)械加工方法，其加工靈活性較強(qiáng)，可以滿足航空發(fā)動(dòng)機(jī)研制階段渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)頻繁調(diào)整的需求?；诿}沖性火花放電蝕除工件局部材料的電火花線切割，突破了工件材料的強(qiáng)度、硬度限制，可加工材料種類廣泛。并且，在加工過程中，電極與工件之間始終保持一定的間隙，不會(huì)產(chǎn)生加工應(yīng)力。北京動(dòng)力機(jī)械研究所蘇云玲等研究了航空發(fā)動(dòng)機(jī)高溫合金渦輪盤榫槽電火花線切割工藝，可將榫槽表面重鑄層的最大厚度控制在5 μm以下。為了減少重鑄層厚度、提高加工表面的完整性，英國(guó)伯明翰大學(xué)Aspinwall等對(duì)航空用難加工材料鈦合金TC4和高溫合金GH4169進(jìn)行了多次電火花線切割加工，一次切割成形，二次切割提高精度，3次以上切割提高表面質(zhì)量。德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Klocke等采用直徑0.25 mm的電極絲經(jīng)過快速切割-低速修整-慢速拋光多次電火花線切割在40 mm厚的高溫合金GH4169工件上加工出航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪盤榫槽樣件。采用多次切割修整加工方法，使得加工表面上的重鑄層大大減少，但無(wú)法徹底去除。此外，多次切割修整也降低了整體加工效率。目前，電火花線切割加工還不能完成渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)的高效高質(zhì)量加工。

基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解的電解線切割加工，以離子形式對(duì)工件局部材料進(jìn)行溶解去除，加工精度高，同時(shí)也不受材料的強(qiáng)度、硬度限制；線電極無(wú)損耗、不產(chǎn)生加工應(yīng)力；此外，加工過程中不產(chǎn)生高溫，加工表面無(wú)重鑄層、熱影響層等缺陷。南京航空航天大學(xué)鄒祥和采用肋狀工具電極，結(jié)合其大幅往復(fù)振動(dòng)，在20 mm厚不銹鋼工件上電解切割出榫槽、榫頭樣件，其進(jìn)給速度為1 μm/s。Fang等開展了旋轉(zhuǎn)螺旋工具電極疊加高速軸向沖液電解切割研究，最終加工出20 mm厚不銹鋼榫槽、榫頭樣件。從上述技術(shù)特點(diǎn)和加工案例可以看出，電解線切割加工技術(shù)具有低成本、高質(zhì)量加工渦輪盤榫槽的潛能。然而，受加工間隙內(nèi)傳質(zhì)限制，電解線切割加工效率較低，還不能實(shí)現(xiàn)高效加工。

針對(duì)較厚工件電解線切割加工過程中傳質(zhì)困難問題，許多學(xué)者開展了電解液沖刷電解線切割加工研究。在電解線切割加工過程中，一定壓力的電解液快速?zèng)_進(jìn)加工間隙內(nèi)，及時(shí)沖刷出加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物，實(shí)現(xiàn)電解液的更新。南京航空航天大學(xué)曲寧松等開展了軸向沖液電解線切割加工研究，以0.6 mm/min的進(jìn)給速度切割了1.8 mm厚鈦合金。賀海東等在沖液壓力為1.5 MPa的條件下切割了10 mm厚TiAl工件，然而進(jìn)給速度降低到0.18 mm/min，這是因?yàn)殡娊庖涸讵M長(zhǎng)切縫中產(chǎn)生了較大的流程損失，電解液更新速率降低。為此，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)Klocke等采用兩根直徑為0.25 mm的金屬絲絞合在一起形成螺旋狀線電極，并結(jié)合其旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)來(lái)加速電解液在狹長(zhǎng)間隙內(nèi)的軸向流動(dòng)。通過一系列的仿真和試驗(yàn)研究，實(shí)現(xiàn)了40 mm厚鎳基高溫合金電解切割加工，其進(jìn)給速度可達(dá)0.5 mm/min。增大軸向沖液速度能夠明顯提高電解切割加工效率。但是，電解液束易發(fā)散，沿厚度方向切縫呈錐形分布。工件厚度越大，上述問題越顯著。

為了減少電解液在狹長(zhǎng)切縫中的流程損失及電解液束發(fā)散問題，南京航空航天大學(xué)楊濤等將常規(guī)線電極替換成側(cè)壁含有陣列射流孔的管電極、以內(nèi)噴液方式向加工間隙內(nèi)噴射電解液來(lái)實(shí)現(xiàn)狹長(zhǎng)間隙內(nèi)電解產(chǎn)物的快速排出，加工出20 mm厚高溫合金GH4169渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)，進(jìn)給速度為5 μm/s。電解液噴射到前端加工間隙后，從管電極與切縫側(cè)壁之間的間隙流到已加工出的切縫中，最終自上而下流出切縫。這些含有電解產(chǎn)物的廢舊電解液在已加工出的切縫中流動(dòng)時(shí)，切縫內(nèi)上部分電解液流量少且含有的電解產(chǎn)物少、下部分電解液流量多且含有的電解產(chǎn)物多，這種流場(chǎng)分布將會(huì)導(dǎo)致切縫側(cè)壁上下部分被腐蝕程度不同，切縫側(cè)壁表面粗糙度不均勻，整體加工質(zhì)量有待提高。

為了實(shí)現(xiàn)大厚度難加工材料的高效高質(zhì)量電解切割加工，提出了浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割方法。在電解切割加工過程中，高流速電解液通過管電極上的陣列射流孔快速?zèng)_進(jìn)加工間隙，沖刷出電解產(chǎn)物，保證了電解切割加工效率。同時(shí)，整個(gè)加工區(qū)域都浸泡在電解液中，相對(duì)穩(wěn)定、均勻的外部流場(chǎng)保證了電解切割加工質(zhì)量。通過試驗(yàn)證明，相比于管電極內(nèi)噴液電解切割加工，浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工時(shí)切縫中的流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定、均勻性好，加工出的切縫側(cè)壁表面粗糙度比較均勻，整體加工質(zhì)量較好。優(yōu)選出內(nèi)噴液壓力，以4.5 μm/s的進(jìn)給速度在20 mm厚的高溫合金GH4169工件上加工出表面粗糙度為Ra 1.247 μm的渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)。

1 加工原理

浸沒式多孔管電極內(nèi)噴液電解切割加工原理如圖1所示。其中，管電極結(jié)構(gòu)及參數(shù)與文獻(xiàn)[21]里相同?；w為底端封閉的不銹鋼管，其外徑和內(nèi)徑分別為0.7 mm和0.4 mm。側(cè)壁上開設(shè)3列螺旋分布的射流孔，每列射流孔數(shù)量為7個(gè)，孔徑為0.3 mm。在水平面內(nèi)每列射流孔沿管電極軸向中心間隔120°分布，在豎直方向上相鄰兩射流孔之間的中心距為1 mm，如圖2所示。工件接脈沖電源正極，管電極接脈沖電源負(fù)極，兩者同時(shí)浸泡在電解液中。在電解切割加工過程中，管電極沿其中心軸線做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，工件沿管電極軸向做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，新鮮電解液從管電極上部的入口注入，然后從側(cè)壁上的陣列射流孔噴射到加工間隙內(nèi)。隨著工件與管電極在水平面內(nèi)的相對(duì)進(jìn)給，工件局部材料被溶解去除，加工出直紋面結(jié)構(gòu)。

圖1 浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工示意圖Fig.1 Schematic diagram of inner-jet electrochemical cutting using tube electrode immersed in electrolyte

圖2 管電極結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of tube electrode

電解液噴射到加工間隙參與電解反應(yīng)后，從管電極與切縫側(cè)壁之間的間隙流到已加工出的切縫中。由于整個(gè)加工區(qū)域都浸沒在電解液中，沿工件厚度方向切縫內(nèi)的電解液流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定、分布均勻。穩(wěn)定、均勻的外部流場(chǎng)保證了電解切割加工質(zhì)量。高流速的電解液通過管電極上的陣列射流孔噴射到加工間隙內(nèi)，快速?zèng)_走電解加工產(chǎn)物，保證了電解切割加工效率。在較為穩(wěn)定、均勻的加工間隙外部流場(chǎng)和快速流動(dòng)的加工間隙內(nèi)部流場(chǎng)共同作用下，實(shí)現(xiàn)了大厚度工件的高效高質(zhì)量切割加工。

2 試驗(yàn)設(shè)備及步驟

為了開展浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工試驗(yàn)，搭建了試驗(yàn)系統(tǒng)，其示意圖和實(shí)物照片分別如圖3和圖4所示。工件安裝在陽(yáng)極夾具中，陽(yáng)極夾具安裝在機(jī)床運(yùn)動(dòng)平臺(tái)上。管電極豎直安裝在陰極夾具中，上端連接電解液管路，下端被導(dǎo)向器限位約束。加工過程中，電解液被泵1注入到管電極內(nèi)，然后從陣列射流孔噴射到加工間隙內(nèi)。同時(shí)，電解液被泵2注入到電解槽中，使得整個(gè)加工區(qū)域都被浸泡。過多的電解液從電解槽中溢出，流回電解液箱中。

圖3 浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.3 Schematic diagram of test system of inner-jet electrochemical cutting using tube electrode immersed in electrolyte

圖4 浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割試驗(yàn)系統(tǒng)Fig.4 Test system of inner-jet electrochemical cutting using tube electrode immersed in electrolyte

試驗(yàn)中，選用尺寸為60 mm×35 mm×20 mm的高溫合金GH4169作為被加工工件。試驗(yàn)前，采用1 000目砂紙對(duì)工件進(jìn)行打磨，并進(jìn)行超聲清洗。試驗(yàn)中加工參數(shù)如表1所示。

表1 加工參數(shù)Table 1 Machining parameters

為了評(píng)價(jià)不同加工條件下的加工性能，采用進(jìn)給速度來(lái)表征電解切割加工效率；采用切縫寬度及縫寬標(biāo)準(zhǔn)差來(lái)表征電解切割加工精度；采用加工表面粗糙度來(lái)表征電解切割加工表面質(zhì)量。電解切割過程中，工件與管電極之間的相對(duì)進(jìn)給是勻速的。試驗(yàn)時(shí)，以穩(wěn)定加工出10 mm長(zhǎng)的切縫為加工任務(wù)。如果可以穩(wěn)定加工10 mm長(zhǎng)的切縫，則將進(jìn)給速度提高0.5 μm/s后開始下一次加工任務(wù)。反之，如果加工過程中出現(xiàn)短路等問題，無(wú)法加工出10 mm長(zhǎng)的切縫，則將進(jìn)給速度降低0.5 μm/s后開始下一次加工任務(wù)。通過多次試驗(yàn)得出不同加工條件下的最大進(jìn)給速度。對(duì)加工出的工件進(jìn)行超聲清洗后，采用顯微鏡(Leica，DVM500，德國(guó))觀察切縫形貌，采用顯微鏡(Olympus，SMT7-SFA，日本)測(cè)量出切縫寬度，采用形貌輪廓測(cè)量?jī)x(Taylor，F(xiàn)TS-5，英國(guó))測(cè)量出切縫側(cè)壁表面形貌及粗糙度。多次測(cè)量后，計(jì)算出平均值。

3 結(jié)果與討論

3.1 浸沒式加工對(duì)管電極電解切割的影響

為了驗(yàn)證浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工的優(yōu)勢(shì)，與管電極內(nèi)噴液電解切割加工進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。為了直觀觀察到加工區(qū)域電解液的流動(dòng)狀態(tài)，在20 mm厚的有機(jī)玻璃材料加工出寬度為1.5 mm的切縫結(jié)構(gòu)樣件，如圖5所示。觀察時(shí)，將電解切割試驗(yàn)中的工件替換成透明的有機(jī)玻璃樣件，將電解液替換成黃顏色的水。采用相機(jī)記錄下加工區(qū)域中液體的流動(dòng)狀態(tài)。圖6為文獻(xiàn)[21]試驗(yàn)過程中某一時(shí)刻加工區(qū)域液體的流動(dòng)狀態(tài)。電解液從陣列射流孔噴射到加工間隙，然后從管電極與切縫側(cè)壁之間的間隙流到已加工出的切縫中，最終向下流出切縫。而在已經(jīng)加工出的切縫中，電解液流場(chǎng)并不均勻，在重力作用下電解液向下流動(dòng)，使得切縫中上部分處電解液較少、下部分處電解液較多。圖7為切縫側(cè)壁表面形貌，并選取4 mm×3 mm的局部表面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，得出切縫側(cè)壁上部分面粗糙度為Sa 2.08 μm，而切縫側(cè)壁下部分面粗糙度為Ra 4.18 μm。出現(xiàn)這種差異主要是因?yàn)閰⑴c反應(yīng)后的電解液從切縫下端流走，切縫上部分處的電解液量少、且含有的電解產(chǎn)物少；切縫下部分處的電解液量多、且含有的電解產(chǎn)物多。受電解產(chǎn)物影響，切縫側(cè)壁下部分處的二次電解腐蝕很不均勻，導(dǎo)致側(cè)壁下部分加工表面質(zhì)量較差、上下部分表面質(zhì)量存有差異。

圖5 有機(jī)玻璃材質(zhì)的切縫樣件Fig.5 Slit sample made of polymethyl methacrylate

圖6 內(nèi)噴液時(shí)加工區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)Fig.6 Flow state in machining area during inner-jet electrolyte

圖7 管電極內(nèi)噴液電解切割出的切縫側(cè)壁表面Fig.7 Sidewall surface of slit cut by inner-jet electrochemical cutting using tube electrode

圖8為浸沒式管電極內(nèi)噴液(內(nèi)噴液壓力為2.0 MPa)電解切割加工時(shí)加工區(qū)域內(nèi)液體的流動(dòng)狀態(tài)。當(dāng)整個(gè)加工區(qū)域都浸泡在電解液中時(shí)，從陣列射流孔噴射出的電解液經(jīng)過加工間隙然后流到已加工出的切縫中，最終混合在整個(gè)電解槽中的電解液中。對(duì)比圖6中的流場(chǎng)狀態(tài)可以看出，已加工出的切縫中始終充滿著電解液，消除了已加工出的切縫中上部分電解液少、下部分電解液多這種流場(chǎng)分布不均勻的現(xiàn)象。

圖9為浸泡在電解液中管電極內(nèi)噴液電解切割加工出的切縫側(cè)壁，發(fā)現(xiàn)切縫側(cè)壁上部分和下部分的表面形貌一致，表面粗糙度基本相同。相對(duì)于管電極內(nèi)噴液電解切割加工，浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工出的切縫表面整體質(zhì)量較好。

圖8 浸沒式內(nèi)噴液時(shí)加工區(qū)域流動(dòng)狀態(tài)Fig.8 Flow state in machining area during inner-jet electrolyte immersed in electrolyte

圖9 浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割出的切縫側(cè)壁表面Fig.9 Sidewall surface of slit cut by inner-jet electrochemical cutting using tube electrode immersed in electrolyte

3.2 內(nèi)噴液壓力對(duì)流場(chǎng)的影響

為了探究浸液環(huán)境中內(nèi)噴液壓力對(duì)加工區(qū)域流場(chǎng)的影響，開展了電解液流場(chǎng)仿真研究。根據(jù)表2所示的仿真參數(shù)建立出圖10所示的加工區(qū)域電解液流場(chǎng)仿真模型。為了明晰加工間隙內(nèi)電解液的流速分布，選擇了截面(=0 mm)、直線(=0.425 mm,=0 mm)和點(diǎn)(=0.425 mm,=0 mm,=13 mm)作為參考進(jìn)行分析。采用Fluent 17.0軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算。

表2 仿真參數(shù)Table 2 Simulation parameters

圖10 電解液流場(chǎng)域仿真模型Fig.10 Simulation model of electrolyte flow domain

圖11為當(dāng)內(nèi)噴液壓力分別為0.5 MPa和2.0 MPa時(shí)截面內(nèi)電解液流速分布云圖，通過對(duì)線上電解液流速進(jìn)行提取、擬合得到圖12?？梢钥闯?，加工間隙內(nèi)電解液的流動(dòng)速度分布存在較大差異，加工間隙內(nèi)射流孔區(qū)域處電解液的流動(dòng)速度較高，兩射流孔之間區(qū)域處電解液的流動(dòng)速度較低。本研究中，管電極上的射流孔呈螺旋分布，且加工過程中管電極做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)、工件做上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，使得從射流孔噴射出的高流速電解液可以直接噴射到整個(gè)加工區(qū)域，整體流動(dòng)均勻性提高。

圖13為不同內(nèi)噴液壓力下點(diǎn)上電解液流速值。當(dāng)內(nèi)噴液壓力為0.5 MPa時(shí)，點(diǎn)上電解液流速為6.358 m/s。而內(nèi)噴液壓力增加到2.5 MPa時(shí)，點(diǎn)上電解液流速增加到18.902 m/s。結(jié)合圖11～圖13可以得出，內(nèi)噴液壓力越大，電解液流動(dòng)速度越高，越有利于加工間隙內(nèi)電解液的更新、電解產(chǎn)物的去除。

3.3 內(nèi)噴液壓力對(duì)加工結(jié)果的影響

在流場(chǎng)仿真的基礎(chǔ)上，試驗(yàn)探究了內(nèi)噴液壓力對(duì)管電極電解切割加工的影響，結(jié)果如圖14所示，加工出的切縫如圖15所示。從圖14(a)可以看出，當(dāng)內(nèi)噴液壓力不大于2.0 MPa時(shí)，隨著內(nèi)噴液壓力的增加最大進(jìn)給速度逐漸增大，這是由于內(nèi)噴液壓力的增加提高了加工間隙內(nèi)電解液的流量和流動(dòng)速度，加快了電解產(chǎn)物的排出，這使得加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物的體積比減小。根據(jù)式(1)可知，電解液電導(dǎo)率將會(huì)增加。根據(jù)式(2)可知，電解反應(yīng)速度加快，進(jìn)給速度提高。而當(dāng)內(nèi)噴液壓力從2.0 MPa提高到2.5 MPa、以5 μm/s的進(jìn)給速度進(jìn)行切割時(shí)，加工失敗。這是因?yàn)楫?dāng)內(nèi)噴液壓力增加到一定值后，加工間隙內(nèi)的氣泡和不溶性電解產(chǎn)物可以得到高效排出，加工間隙內(nèi)的電解液電導(dǎo)率不再顯著增大。在其他加工參數(shù)不變的情況下，電解反應(yīng)速度基本保持不變。因此，當(dāng)內(nèi)噴液壓力為2.5 MPa時(shí)，最大進(jìn)給速度未能提高到5 μm/s，仍為4.5 μm/s。

圖11 不同內(nèi)噴液壓力下截面P內(nèi)電解液流速分布云圖Fig.11 Distribution contours of electrolyte flow velocity on Plane P under different inner-jet electrolyte pressures

圖12 不同內(nèi)噴液壓力下線L上電解液流速分布曲線Fig.12 Electrolyte flow velocity curve on Line L under different inner-jet electrolyte pressures

圖13 不同內(nèi)噴液壓力下A點(diǎn)處電解液流速Fig.13 Average flow velocity on Point A under different inner-jet electrolyte pressures

(1)

(2)

式中：為加工過程中電解液的電導(dǎo)率；為電解加工開始前電解液的初始電導(dǎo)率；為加工間隙內(nèi)電解液中電解產(chǎn)物的體積比；為進(jìn)給速度；為電流效率；為工件材料的體積電化學(xué)當(dāng)量；為電解加工過程中作用于工件與管電極之間的歐姆壓降；為工件與管電極之間的端面加工間隙。

圖14 內(nèi)噴液壓力對(duì)加工結(jié)果的影響Fig.14 Effect of inner-jet electrolyte pressure on machining result immersed in electrolyte

圖15 不同內(nèi)噴液壓力下加工出的切縫Fig.15 Slit machined under different inner-jet electrolyte pressures

在管電極電解切割加工中，加工間隙分布如圖16所示，側(cè)面加工間隙與端面加工間隙的關(guān)系可表示為

(3)

因此，加工出的切縫寬度為

=+2

(4)

式中：為管電極與切縫側(cè)壁之間的側(cè)面加工間隙；為管電極外徑；為加工出的切縫寬度。

圖16 加工間隙分布示意圖Fig.16 Schematic diagram of machining gap distribution

根據(jù)式(2)可知，進(jìn)給速度越快，則端面加工間隙越小。結(jié)合式(3)和式(4)可知，端面加工間隙越小，加工出的切縫寬度越窄。此外，進(jìn)給速度的提高，也縮短了單位長(zhǎng)度內(nèi)的電解反應(yīng)時(shí)間，減少了切縫側(cè)壁的材料去除量，導(dǎo)致切縫寬度減小。因此當(dāng)內(nèi)噴液壓力不大于2.0 MPa時(shí)，隨著內(nèi)噴液壓力的增加，最大進(jìn)給速度時(shí)的切縫寬度逐漸減小。當(dāng)內(nèi)噴液壓力從2.0 MPa提高到2.5 MPa時(shí)，切縫寬度增大。這是因?yàn)樵诮涵h(huán)境中進(jìn)行管電極內(nèi)噴液電解切割加工時(shí)，由于已加工出的切縫中含有電解液，管電極與切縫側(cè)壁之間發(fā)生著二次電解反應(yīng)。當(dāng)內(nèi)噴液的壓力增大時(shí)，則內(nèi)噴液的電解液流量增大，即噴射到加工間隙內(nèi)的新鮮電解液越多，從加工間隙流到已加工出切縫中的新鮮電解液也越多，使得切縫中電解液的電導(dǎo)率相對(duì)較高。管電極與切縫側(cè)壁之間的二次電解反應(yīng)速度提高，切縫側(cè)壁的材料去除量增大。所以，當(dāng)進(jìn)給速度相同時(shí)，內(nèi)噴液壓力越高，加工出的切縫越寬。

當(dāng)內(nèi)噴液壓力不大于2.0 MPa時(shí)，最大進(jìn)給速度時(shí)的縫寬標(biāo)準(zhǔn)差隨內(nèi)噴液壓力的增加而減小。內(nèi)噴液壓力越大，噴射出的新鮮電解液流量越大，加工間隙內(nèi)以及已切割出的切縫中的電解液更新速度越快，電解液的電導(dǎo)率一致性更好，加工出的切縫寬度更加均勻。同理，加工間隙內(nèi)電場(chǎng)分布均勻性提高，切縫側(cè)壁表面質(zhì)量更好。因此，切縫側(cè)壁表面粗糙度逐漸減小。然而，相比內(nèi)噴液壓力為2.0 MPa時(shí)，當(dāng)內(nèi)噴液壓力為2.5 MPa時(shí)，切縫寬度標(biāo)準(zhǔn)差和切縫側(cè)壁表面粗糙度均較大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度相同，當(dāng)內(nèi)噴液壓力為2.5 MPa時(shí)加工出的切縫較寬，切縫側(cè)壁的材料去除量增加，產(chǎn)生的氣泡和不溶性電解產(chǎn)物也增加。這些氣泡和不溶性產(chǎn)物會(huì)惡化已加工出的切縫中的電場(chǎng)分布，使得縫寬一致性和側(cè)壁表面質(zhì)量降低。

3.4 渦輪盤榫槽結(jié)構(gòu)電解切割加工

根據(jù)上述研究，采用沉浸在電解液中內(nèi)噴液電解切割加工方法開展了渦輪盤冷杉樹型榫槽加工，加工軌跡如圖17所示。設(shè)定內(nèi)噴液壓力為2.0 MPa，進(jìn)給速度為4.5 μm/s。整個(gè)加工過程無(wú)短路現(xiàn)象發(fā)生，加工回路平均電流為5.2 A，加工出的榫槽結(jié)構(gòu)如圖18所示。采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)對(duì)加工后的榫槽形狀輪廓進(jìn)行掃描測(cè)量，結(jié)果如圖19所示，其上下偏差分別為0.41 mm和-0.38 mm。采用粗糙度儀對(duì)局部加工表面進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果如圖20所示，面粗糙度為Sa 2.12 μm，通過線性掃描，得出粗糙度為Ra 1.247 μm。

圖17 榫槽結(jié)構(gòu)切割加工軌跡Fig.17 Cutting trajectory of mortise structure

圖18 浸沒式內(nèi)噴液電解切割加工出的榫槽結(jié)構(gòu)Fig.18 Mortise structure processed by inner-jet electrochemical cutting immersed in electrolyte

圖19 榫槽結(jié)構(gòu)輪廓測(cè)量結(jié)果Fig.19 Measurement result of profile of mortise structure

圖20 加工表面局部表面形貌Fig.20 Local surface morphology of machining surface

4 結(jié) 論

1) 浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工時(shí)，整個(gè)加工區(qū)域都沉浸在電解液中，已加工出切縫中的電解液流場(chǎng)相對(duì)穩(wěn)定、均勻，消除了管電極內(nèi)噴液電解切割時(shí)已加工出切縫中上部分電解液少、下部分電解液多這種流場(chǎng)分布不均勻現(xiàn)象。

2) 相比于管電極內(nèi)噴液電解切割加工，浸沒式管電極內(nèi)噴液電解切割加工出的切縫側(cè)壁表面粗糙度比較均勻，整體加工質(zhì)量較好。

3) 適當(dāng)提高內(nèi)噴液壓力可以加快電解產(chǎn)物的排出，提高流場(chǎng)、電場(chǎng)分布均勻性，從而提高電解切割加工效率、加工精度及表面質(zhì)量。

4) 在浸液環(huán)境中以4.5 μm/s的進(jìn)給速度、2.0 MPa的內(nèi)噴液壓力在20 mm厚的高溫合金GH4169工件上加工出表面粗糙度為Ra 1.247 μm的渦輪盤榫槽樣件。