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電火花放電輔助化（huà）學加（jiā）工間隙實驗研究（jiū）

2016-11-22 來源：清華（huá）大學機械工程係製造（zào）工程研究所作者：劉光佟浩（hào）何（hé）蘇欽李勇

摘要：麵向航空發動機渦輪葉片熱障塗層ZrO2陶瓷絕緣（yuán）材料的加（jiā）工，開展了不同加工間隙對加工穩定性及效率影響的實驗研究。采用（yòng）CCD 圖像在（zài）線觀測微觀接觸的對準電極方法，實現了加工間隙測量給定精度可控±1 μm，進而在特定工藝參數下實驗研究了（le）加（jiā）工間隙的評價和優（yōu）化，利用工件表麵離子濺射鍍膜和Matlab 圖像處理技術實現蝕除（chú）量分析，得出了穩（wěn）定（dìng）加工時材料最大蝕除量的最佳加工間隙範圍，為電火花放電輔助化學（xué）加工工藝優化提供了依據。

關鍵詞：放電輔助化學加工；氧化（huà）鋯陶（táo）瓷；加工間隙

氧化鋯（ZrO2）陶瓷材料在生（shēng）物醫療、航空航天、燃（rán）氣發電等領（lǐng）域（yù）具有（yǒu）廣泛（fàn）的應用，如陶瓷義齒、渦輪葉片熱（rè）障塗（tú）層（céng）等。但由於ZrO2陶瓷具有高硬、易脆等特性，使其在傳統機械加工中（zhōng）難以（yǐ）精密成形，且由於（yú）熱應力（lì）、切削力等因素，易產生微裂紋，降低了材料使用壽（shòu）命[1-2]。目前，氧化（huà）鋯絕緣陶瓷的非傳統加工方法主要有激光加工[3]、超聲加工[4]、磨料水力噴射[5]等。然而，激光加工會使材料表麵產生熱影（yǐng）響、應力集中等而出現微裂（liè）紋；超聲加工（gōng）存在工具磨損嚴重、加工效率低、易產生微（wēi）裂（liè）紋損傷等不足；磨料水力噴射加工用噴嘴需經常（cháng）更換（huàn），且加工精度較低（dī）[6-7]。

近年來，有（yǒu）學者采用電火花放電輔助化學加工（apark assisted chemical engraving，SACE）的方法對玻璃、石英等多種（zhǒng）絕緣材料進行加工[8-10]。SACE 的材料蝕除原理（lǐ）是在電（diàn）解液（yè）中利用電解原（yuán）理，在工具電極（jí）（陰極）上形成氫氣泡，工具電極端部被氣泡包裹，使（shǐ）工具電極與電解液分（fèn）離，在絕緣氣泡內瞬間火花放電（diàn）引導下的電（diàn）解液內進行蝕除加工，從而（ér）實（shí）現絕緣材料的加工。該方法無宏觀接觸力、電極損耗（hào）小，且電解液內腐蝕加工原理（lǐ）有望實現材料的無（wú）損傷加工（gōng）。國內外（wài）研究已驗證了ZrO2陶瓷（cí）SACE 加（jiā）工的可行（háng）性，劉（liú）永紅等（děng）研究了不同電解液對ZrO2陶瓷（cí）加工效率（lǜ）的影響[11]；張有等在鈦合金基體的氧化（huà）鋯陶瓷（cí）塗（tú）層材料上加工出了（le）直徑1.4 mm 的通孔[12]；Doloi 等進行了氧化鋯陶瓷等絕緣材料的（de）SACE 加工工藝研究，分析了電壓、電解液濃度及電極間距等因素對材料去除率（lǜ）的影響[13]。

若（ruò）要實現SACE 的連續加工，就需控製（zhì）工具電極的加工進給，其主要方（fāng）式有恒力進給和（hé）恒速進給兩種。恒力進給是通過控製工具電極與工（gōng）件的接觸力，實現工具電極的（de）不斷進給；但由於工具電極底部存在（zài）液（yè）膜，其實質是通過控製接觸力來實現微米級的加工間隙；而恒速進給速度過快，會（huì）發生（shēng）電極與工（gōng）件碰撞，過慢則（zé）嚴重影響加工效率。不（bú）論哪種控製方式，目（mù）前其合理或最佳加工間隙（xì）尚未被（bèi）闡述清楚，且本研究的（de）前期實（shí）驗發現，加工間隙對ZrO2陶瓷SACE 加工穩定（dìng）性和效率（lǜ）具有（yǒu）較大影響。因此，本研究（jiū）麵向航空發動（dòng）機ZrO2陶瓷熱障塗層材料加工，通過開展（zhǎn）熱障塗層SACE 工藝實驗，探索加工間隙（xì）對加工結果（guǒ）的影響，進而通過研究加工（gōng）間（jiān）隙的測量方法及合理加工間隙的評價（jià）方法，得出在特定參數（shù）下的SACE 最（zuì）優加工（gōng）間隙。

1.加工間隙（xì）對SACE 的（de）影響實驗

實驗係統見圖1，主要（yào）包（bāo）括主（zhǔ）軸（zhóu）機構（gòu）（定位精度為±0.5 μm）、脈衝電源、金屬鎢工具電極、大尺寸石墨輔助電極（電極浸入電解液的（de）表麵積至少為工具電極的100 倍以上[14]）。實驗采用正極性加工方式，即工具電極為陰極，輔助電極為陽（yáng）極。實驗主要參數見表1。

主軸采（cǎi）用恒（héng）速進給方式，對ZrO2陶瓷工件進行逐層掃描恒（héng）速進給加工實驗，SACE 掃描路徑見圖（tú）2。為了減少側壁放電的概率並提（tí）供氣膜形（xíng）成的氛圍，工具電極（jí）浸入電（diàn）解液液（yè）麵約2 mm。實驗過程監測及結果見圖3。實驗發現電極與工（gōng）件之間的間隙大小對（duì）加工穩定性、效率具有顯著（zhe）

表1 SACE 實驗工（gōng）藝參數

圖1 SACE 實驗係統示意圖（tú）

圖2 SACE 掃（sǎo）描路徑規劃

影響（xiǎng）。當工具電極與工件（jiàn）表麵的（de）間隙過大時，火花放電的瞬（shùn）間（jiān）作用在工（gōng）件表麵的爆炸力弱，不足以（yǐ）達到蝕除材料的目的（圖3a）；當工具電極與工件表麵的間隙過小甚至互相接觸時，對氣膜形態產生了影響，且易產生拉弧（hú）現象，這種因（yīn）電弧放（fàng）電產生的高溫高熱將使工（gōng）具電極與工件表麵均出現（xiàn）不同程度的燒傷破壞（圖3b）。因此，確定SACE 最佳加工間隙對ZrO2陶瓷穩定加工具有重（chóng）要意義。

2.加（jiā）工間隙測量方（fāng）法

為研究SACE 最佳加工間隙，首先要實現微米級加工間隙的測量和給定。本研究（jiū）前期借鑒電接觸測量原理，考慮到ZrO2陶瓷作為絕緣工件，故采用在工件表麵放置標準厚度金屬片作為輔助，以（yǐ）滿足電接（jiē）觸回路（lù）形成的條（tiáo）件（jiàn），從（cóng）而通過工具電極電接觸輔助（zhù）金（jīn）屬片來獲知工（gōng）具電極與工件（jiàn）之間的相（xiàng）對位（wèi）置，擬測（cè）量並（bìng）給定加（jiā）工間隙。

然（rán）而，應用中發現該方法的間隙測量精度無法（fǎ）達到（dào）要求，其誤差分析見圖4。分析可知，間隙測量誤差主要來源於標準片變（biàn）形Δ1和工件表（biǎo）麵微觀不平度Δ2。由於本（běn）研究采用等離子噴塗法製備ZrO2陶

圖3 不同間隙的SACE 放（fàng）電現象（xiàng）對比

瓷熱障塗層工件，該方法的工藝特點是工件材料（liào）表麵會呈現微觀（guān）不平形貌。實（shí）驗中，當（dāng）采用厚0.2 mm的輔（fǔ）助標準片時，位置誤差甚至達到（dào）100～200 μm，已超（chāo）出預設加工間隙（xì）所需的測量精度。因此，為了精確測定加工間隙，實驗采用分辨率為500 萬像素的工業數（shù）字攝像機（jī），並利用主軸裝置的（de）高運動分辨率（0.5 μm），通過在線觀測工具電極與工（gōng）件微觀瞬間接觸（chù）狀態，確（què）定工具電極（jí）與工件的（de）相（xiàng）對（duì）位置。

圖4 輔助金（jīn）屬片對（duì）準電極方法（fǎ）的誤差示意圖

如圖5 所（suǒ）示，電極先接近工件表麵，並以每步0.5 μm 的進給量逐次進給，當接觸瞬間CCD 圖像觀測到接觸狀（zhuàng）態微觀變化，即認為電極與工件接觸（圖5b）；然（rán）後，電極回退（tuì），直（zhí）至微觀接觸變化恢（huī）複（圖5a），可保證h1和h2在±1 μm 之間，即（jí）實現可控的測（cè）量精度（dù）達±1 μm。這樣，就能精確確定工具電極與工件表麵的接觸點位置（zhì），再控製電極（jí）的回退量即可給（gěi）定加工間隙。由於工件表（biǎo）麵微觀不平，故每個位置的實驗將重複上述步驟（zhòu）。

圖5 CCD 圖像觀測對準（zhǔn）電極方（fāng）法示意（yì）圖

3.加工間隙（xì）優化實（shí）驗

給定不同的（de）加工間隙並保持一段時間，進行ZrO2陶瓷的SACE 加工實驗，通過評（píng）價材料去除率和加工過程的放電穩定性，可得（dé）出最佳（jiā）加工間隙（xì）範圍。由於白色（sè）ZrO2陶瓷工件表麵不便觀測材料去除效果，故對工件表麵采用離子濺射金靶的方式鍍膜，使工件（jiàn）表麵與基體材料呈現色差，加工後工件表層材料剝離，可與未加工部分形成明顯（xiǎn）對比。因納米級厚度鍍膜瞬間即可剝離，故忽略其對實驗效果的影響。

實驗沿用表1 所示的加工參（cān）數，通過設定不同加工間隙δ 進行分組實驗，每次實驗保持加工時間5 min。實驗結果見圖6，觀（guān）測發現：當（dāng）加工間隙δ 為150 μm 時，加工痕跡（jì）微小；隨（suí）著δ 逐漸減小，加（jiā）工痕（hén）跡越來越明顯；當δ 進一步減（jiǎn）小時，加工進入（rù）穩定階（jiē）段（duàn），加工痕跡增大；當（dāng）δ 小於某（mǒu）一間隙值時，開始出現明顯的電弧放電現（xiàn）象，工件表麵出現過熱燒蝕，使SACE 不能穩定進行。

圖（tú）6 不同加工間隙δ 對（duì）應SACE 加工結果

根據加工過程和實驗結果可認為，在正常穩定放電情況下，材料去除（chú）量最（zuì）大（dà）時的加工間隙為最佳（jiā）加工間隙。因為實驗（yàn）去除的工（gōng）件材料為（wéi）不規則（zé）形狀，為便於對比評價材料蝕除量（liàng）大小，通（tōng）過圖形處理方法對比加工位置的蝕除麵積（jī）大小（xiǎo）。本研究采用Matlab 軟件對各組實驗結果進行圖像分析處理，對比反顯圖像灰度（dù）值0～2 範圍內的像（xiàng）素（圖7），得出不同間隙時材料去除麵積的對比情況（圖8），即像值越高，材料去除（chú）麵積越大。從圖8 可看出，加工間隙（xì）δ 為20～25 μm 時，工件材料蝕除量最大，即為該加工條件下的SACE 最（zuì）佳加工間隙。利用該方法，可評價並得到（dào）給定工藝（yì）條件下的最（zuì）佳（jiā）加工間隙。

圖7 不同加工間隙的實（shí）驗結果灰度（dù）圖

圖8 各組SACE 加工點像素值對比

4.結論

為優（yōu）化ZrO2陶瓷的放電輔（fǔ）助（zhù）化學加工（SACE）工藝，探索了加工間隙（xì）對工藝過程的影響，開展了加工間隙測量評價及（jí）最佳間隙實驗（yàn）研究，得到如下結論（lùn）：

（1）當（dāng）加工間隙過大時，雖然（rán）可在電極端部氣泡內放（fàng）電，但作用於工件上的放電能量過小，難以（yǐ）去除工件材（cái）料；加工間隙過（guò）小時，易產（chǎn）生電弧（hú）放電現象（xiàng），損傷工具電極和工件。

（2）輔助標準片的電接（jiē）觸（chù）對準電極方法（fǎ）會產生較大的間隙測量誤差（達到100～200 μm），因此采用分辨率為500 萬像素的數（shù）字攝像機（jī）在線觀測工具電極與工件微觀瞬間接觸變形的對準電極方法，實現了加工間隙在線測量，且給定大小的精度可控達±1 μm。

（3）借助Matlab 圖像分析方法評價加工去除麵積，在本實驗（yàn）條件下優化得到了正（zhèng）常放電情況下（避免電弧放電（diàn））蝕除麵積最大時的最佳（jiā）加工間隙為20～25 μm。

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