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優化異形深孔電解加工工藝——埃馬克與南航聯合創（chuàng）新成果（guǒ）初顯

2019-12-17 來（lái）源：埃馬克作者：-

深孔加（jiā）工在（zài）機（jī）械加工領域有著非常重要的地位，約占孔加工量的40%。而隨著科學技術的進步，新型高強度（dù）、高（gāo）硬度和高價值（zhí）難加工異形深孔零件更廣泛的出現及應用於航空航天、換熱設備、醫療器械等領域，再加之加工深度、加（jiā）工精（jīng）度以及加（jiā）工效率要求的不斷提高，如（rú）孔徑需求在0.3mm~2mm且形狀不規則的渦輪葉片氣膜（mó）冷卻孔（kǒng）；采用進氣道格柵隱（yǐn）身技術的隱形戰機中，格柵（shān）零件（jiàn）上排（pái）布的大量鈦合（hé）金傾（qīng）斜（xié）方孔；都（dōu）使得異形深孔加工成為現代機（jī）械製造的關鍵工序和難點挑戰（zhàn）。

電解加工技術優勢顯著

對於深孔加工，使用傳統鑽削工藝存在著刀具剛性不足、鑽頭易折斷、切屑難（nán）以排出等工藝缺陷。使用電火花加（jiā）工工藝，雖然工件（jiàn）材料硬度不受限製，但隨著孔（kǒng）深（shēn）的增加，電（diàn）極損耗嚴重（chóng），加工效率大幅（fú）降低，製（zhì）造成（chéng）本顯著增加；孔壁還存（cún）有再鑄（zhù）層，需要（yào）使用磨粒（lì）流機械研磨加工，不僅精度低，還易存在去（qù）除不了的死角。

電解加工是利（lì）用金屬在電解液中產生（shēng）電化學陽極溶解的原理（lǐ）對工件進行加工的一種創新工藝。沒有宏觀“切削力”和“切削熱”的作用，因此工件表麵不會產生像切削加工中所形成的塑性變形層，也不會產生殘餘應力（lì），更不會像電火花在加工麵（miàn）上產生再鑄層，具（jù）有很低的表麵粗糙度值，對於難加工（gōng）材料、異形孔零件的加工具有顯著優勢，且批量越大，單件生產成本越低。

工藝穩定性探索

然而，電解加工異形（xíng）深孔零（líng）件時，加工間隙流場特性會極大影響電解液流速、壓力、溫度等分布情（qíng）況，進而（ér）影響加工部位各處溶解速率以及（jí）電解產物能否及時排出，最終決（jué）定了深（shēn）孔零件的（de）加工品質。因此（cǐ），合理優化電解加工流場（chǎng）不僅能保證加工過程的穩定性，還能在一定程度上提高（gāo）加工效率和表麵質量。不（bú）少國內外學者也曾就如何提高電（diàn）解（jiě）加工（gōng）過程穩定性開展大量研（yán）究（jiū），南京（jīng）航空航天大學（xué）浦口先（xiān）進製造（zào）研究（jiū）院作為南京市第一批備案的新型研發機構，在電解加工領域有著深入研究，與全（quán）球金屬加工解決方案領先企業、也是在精密電解加工領（lǐng）域擁有多項專（zhuān）利技術的埃馬克集團於2018年合作建立的“EMAG中德先進製造聯合（hé）研究中心”更是開創了國（guó）內（nèi）電解加工科研教育領域的校企合作先（xiān）河。

針對異形深孔電解加工工藝存在的（de）進出口流場（chǎng）突變、加工間隙流場分布不均、工藝穩定性相對較差等問題（tí），南京航空航天大學薛潤榮在趙建社老（lǎo）師的指導和幫助下以深徑比大於10:1的（de）異形孔零件為（wéi）研究對象，對（duì）其加工開始、加工穩定、加工穿（chuān）透的各個階段流場分布進（jìn）行仿真模擬與優（yōu）化研究，並配合埃馬克電解（jiě）加工機床進行加工（gōng）試驗，連續穩定地加工出高（gāo）精度的（de）異形深孔零件，以期（qī）為實際生產提供一定的借鑒與參考。

圖1 試驗所選取零件示意圖

試驗所選取的零件如圖1所示，深徑比為12:1，異（yì）形孔入口（kǒu）處為平麵，出口處為半通半盲孔。電解加工過程中，工具陰極接電源負極，工件接電源正極，工具（jù）陰極以一定速度向下進給，電解液高速流過工具陰極與工件形成的加工（gōng）間隙，帶走加工產物及焦耳熱，工件一側發生電化學溶解，實現工件加工成形，工具陰極外側塗覆絕緣層以（yǐ）防止加工過的孔壁發生二次（cì）電解。

圖2 異形孔（kǒng）電解加工示意圖

流場優化（huà）研究

加工穿透階（jiē）段。如圖3所示，異形孔出口處（chù）為半通半盲，加工穿透瞬間加工間（jiān）隙內電解液大量缺失，容易引發短路現象（xiàng）導致加工中（zhōng）斷，造成零件報廢與陰極損傷（shāng）。“針對以上問題，我們采取了優化陰極通液孔的方式來改善加工穿透時的流場分布。”趙老師介（jiè）紹說。

圖3：加工穿透間隙示意圖

依據通液孔流道（dào）截麵積之和大（dà）於等於加工間隙流道（dào）截麵積（jī）之和的原（yuán）則，試驗團隊設計了（le）如圖4所示的單孔與多孔兩種通液結構。並借助埃馬克PTS800電解機床，將它們置於相同條（tiáo）件下進行加工穿透階段（duàn）的對比（bǐ）。最終證（zhèng）實（shí），相比單孔通液結構（gòu），多孔通（tōng）液（yè）結構更能夠保證半通半盲孔加（jiā）工穿透時，工具陰極與工件表麵之間仍有一定流速的電解液通過，更有利於加工穿透間隙流場穩定性的（de）提高。

圖4 通液孔結構示意（yì）圖

加工開始階段：如圖（tú）5（a）所示，由於試（shì）驗異形孔入口處為平麵，加工（gōng）間隙流場呈發散狀態，工具陰極（jí）開始加工到穩定加工的過程中流場存在突變，易發生短路現象，同時會對工件（jiàn）表麵非加工部位產生雜散腐蝕（shí）。為解（jiě）決這一問題，試驗團隊提出了在工件表麵放置帶（dài）絕緣導流板的方式，如（rú）圖5（b）所（suǒ）示，來減（jiǎn）弱流場的發散程（chéng）度，同時保護工件表麵非加工（gōng）部位不發生雜散腐蝕。

圖（tú）5 異形孔加工開始階段示意圖

加工穩定（dìng）階段：進入加工穩定階段，加工間隙內電解液需要具有一定流速（sù），才能滿足排出電（diàn）解產物與控製溫升的要求。而要想滿足電解（jiě）液流（liú）速需求，設置合理的電解液進出口壓力是關鍵。“借助埃馬克PTS800電解機床可（kě）對加工電源參數、電解液參數（shù）等進行實時調節控製並及時取得加工反饋信息的優勢特點，我們可以輕鬆實現不同（tóng）進出口壓力的設置，並根據（jù）加工狀（zhuàng）況（kuàng）進（jìn）行探究、調整（zhěng），以獲取最合適的參數。”趙老師介紹說。

試驗團隊先取電（diàn）解液出口壓力為0MP，進口壓力為（wéi）逐漸遞增的不同數值（zhí）進行分析（xī）發現，隨著進口壓力的增加（jiā），雖然電解液流速不斷上升，但是相鄰通液孔周圍的負壓區域也在逐漸增加。負壓區域（yù）增加時，當間隙內壓力突降極易造（zào）成電解液氣化，氣泡積聚則會（huì）導致空穴現象，從而影響加工順（shùn）利進行。要（yào）想（xiǎng）消除負（fù）壓區（qū）域，隻有適當施（shī）加背壓。

在取不同出口背（bèi）壓與進口壓力（lì）值進行新一輪探究中，試（shì）驗（yàn）團隊在反複的對比分析（xī）後終於找到了既能滿足電解液流（liú）速設計要求，也（yě）能大大降低負壓區域的合理參數。

複合進給對流場影響

通過增加背壓，雖然在一（yī）定程度上降（jiàng）低了負壓區域，但很難（nán）做到完全消除，無法絕對保障工藝的穩（wěn）定性，南航師生們又開始思索進一（yī）步的優化方案。“鑒於埃馬（mǎ）克電解機床具備振動進（jìn）給功能，經與老師反複討論後，我們最終找到了解決方案——複（fù）合進給（gěi）運動。”薛潤榮介紹道。

“埃馬克電解機床Z軸附帶振動裝置，可按照需求實現複合運動或直線運動，為（wéi）我們此（cǐ）次（cì）探究複合進給運動對流場分布規律的影響提供了非常好的硬件支持。”趙（zhào）老師補（bǔ）充道。試驗所設（shè）置的單個振（zhèn）動周期運動規律如圖6所示。

圖6 單個振動周（zhōu）期運動示意圖

在對（duì）單個振動（dòng）周期內（nèi）不同時刻（kè）對（duì）角線上電解液流速、電解（jiě）液壓力數據樣點（diǎn）進（jìn）行對（duì）比分析發（fā）現，在工具陰極直線進給過程（chéng）中輔（fǔ）以低幅周期性振動，可以避（bì）免電解產物（wù）堆積，減弱雜散電場對異形孔側壁（bì）的二次腐蝕，使（shǐ）流場（chǎng）分布更加均勻，改善異形孔加工精度，優化加工穿透時流場分布狀態，提高加工穩定性。

異形深孔（kǒng）電解加工試驗

在工藝方案、加工參數確定後，試驗團隊迎來了（le）最（zuì）後也是（shì）最關鍵的實機（jī）加工環（huán）節。試驗所用到的設備還是來自埃馬克PTS800電解機床。“包（bāo）含了機床本體、控製係統、電解液（yè）循環過濾係（xì）統和加工電源的集成控製係（xì）統，不（bú）僅可對數控軸、加工（gōng）電源參數、電解（jiě）液參數等進行實時控製，並依（yī）據反饋信息實時調節，實（shí）現精準定位、優質加工，帶圖文顯示、極富人性化的操作界麵讓加工過程更加真切直觀（guān），為對於電解加工技術還（hái）處於學習熟悉（xī）階段的學生們的試（shì）驗探究提供（gòng）了極大的便利。”趙老師對埃馬克的電解加工設備性能表示認可。

圖7 埃馬克PTS800電解機床

依據之前步驟探究的流場優化方案，將工件材（cái）料置於電解液中，設置好相應的參數，並讓Z軸以多種不同的進給速度及一定振動頻率做複合運動，進（jìn）行電解加工試（shì）驗。通（tōng）過測量比較不同進給（gěi）速度下加工樣品（pǐn）的實際（jì）尺寸（cùn）與理（lǐ）論尺寸相差值，選出（chū）誤差最小、精度最高的（de）進給速度，並在此速度下進行多次加工（gōng）試驗。

加工實物如（rú）圖8，工件尺寸穩定控製在2.050.03mm和（hé）3.050.03mm，不僅（jǐn）實現了高精度、穩定加工，還保（bǎo）障了極（jí）佳的表麵質量。

圖8 小批量樣件實物圖

“精密電解加工技術是當前應對難加工材料及複雜結構件（jiàn）的最優勢的方法之一，也是南航浦口先（xiān）進製造研究院（yuàn）關（guān）注和研究的重點。埃馬克是全球（qiú）精密電解加工（gōng）領域（yù）的先行者和領先者，其研發的專業設備更是應用（yòng）於眾多國際知名製造企業（yè）。在埃（āi）馬克的技術支持與設備助力下，目前（qián）我們南航浦口先進製造研究院已經開展了多個有關電解加工的方（fāng）案探（tàn）究和技術優化項目，相信今（jīn）後在我們的（de）緊密合作下，南航浦口（kǒu）先進製造研究院（yuàn）與埃馬克一定能為我國精密電解加工行業的進步發展帶來突破和貢獻。”趙老師說（shuō）道。

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