TC4薄板群小孔活动掩模脉冲电解加工实验研究

郑鑫，李寒松

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

TC4薄板群小孔活动掩模脉冲电解加工实验研究

郑鑫，李寒松

(南京航空航天大学 机电学院，江苏 南京 210016)

摘要：针对航空发动机上大面积海量群孔薄板零件，提出了活动掩模脉冲电解加工方法。介绍了活动掩模脉冲电解加工的基本原理和工艺流程。研究了电解液温度、脉冲频率、电源电压占空比等参数对加工质量和加工效率的影响。研究表明，当活动掩模脉冲电解加工的电解液温度为45 ℃，电源脉冲频率为400 Hz，占空比为20%时，加工效率较高，且所加工的TC4薄板群小孔的表面质量及孔径均匀性良好。

关键词：活动掩模；脉冲电解；均匀性

Research on Moveable Cathod Mask Pulse Electrachemical

Machining of Mass Micro Holes of TC4 Sheet

ZHENG Xin, LI Hansong

(College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics & Astronautics, Nanjing 210016,China)

Abstract:This paper proposes pulse electrolytic machining with moveable cathode mask, which is used to machine mass micro holes of thin sheet workpiece. introduces its basic theory and machining process and explores the influence of some parameters on machining quality and efficiency, including parameters of the temperature of the electrolyte, pulse frequency and pulse duty cycle, etc. The result shows that TC4 sheet with high precision mass miero holes can be obtained in an electrolytic cell with 45 ℃, pulse duty cycle with 20%, pulse frequency with 400 Hz.

Keywords:movable cathode mask; pulse ECM; evenness

0引言

随着航空航天技术的发展，薄板群孔零件的应用日趋增多，群孔类零件在航空航天、仪器仪表等诸多领域广泛应用。比如航空发动机空气阻尼套、冷气导管等。在航空航天领域，钛合金材料应用广泛，但是由于钛合金材料的特殊性，在大面积钛合金材料薄板上加工海量群孔一直是个技术难题。因此，研究出一种可以高效率、高精度、低成本、稳定性好的钛合金薄板海量群孔工件的加工方法已迫在眉睫。各种加工方法都有各自的特点和适用性，加工方法的选择，要根据加工材料、加工形状、尺寸精度、生产批量等因素综合考虑。采用机械加工技术加工群孔零件加工效率高，加工品质好，但是在加工薄壁密集群孔零件时可能会产生累积变形。同时钻头过热易导致零件烧伤[1-2]。电火花加工技术和激光加工技术可以快速高品质地加工出薄壁群孔零件，但其加工出的零件存在热影响区，这限制了其在航空航天领域的发展。电液束加工技术可以加工出高精度的群孔零件，但该技术通常用于加工孔径小于1mm的群孔，不适用于加工孔径更大的群孔零件[3-7]。管电极电解加工技术可以加工出深径比较大的群孔零件，但该技术需要复杂的均流装置，成本较高，不适合大面积群孔零件的加工[8]。照相电解加工技术加工群孔零件时复制精度高，加工效果好，但是需要专业的光刻设备和专业人才，成本较高，同时长时间浸泡的光刻胶容易脱落，导致加工失败，不适合大面积群孔零件的加工[9-15]。活动掩模脉冲电解加工是基于电化学阳极溶解理论，利用模板的选区限制工件蚀除的区域，在工件上加工出与模板上的群孔区域相似结构的一种特种加工工艺。采用直流电源的活动掩模电解加工技术加工钛合金薄板群孔时产生的热量大，导致小孔表面品质及孔径均匀性较差[16-18]。文中主要研究活动掩模脉冲电解加工技术加工群小孔结构的方法。

1实验原理

活动掩模电解加工又称为双阴极掩模电解加工。其主要特征是电源负极同时连接金属板阴极和模板导电层阴极，使两个阴极同时作用于被加工表面产生电场，工件表面未被模板屏蔽的小孔部分被电化学蚀除，直到加工成所需形状和尺寸[19-24]。

图1为活动掩模双面加工的原理图。模板紧贴在工件的两侧，模板上的小孔需要对心，即在工件上、下两面同时加工，这样有效地提高了加工精度、加工效率并减小了孔的锥度：因此活动掩模电解加工技术常用来加工薄板群孔零件。

图1　活动模加工原理图

2试验研究

2.1加工工艺流程

活动掩模脉冲电解加工阵列群孔零件的工艺流程如图2所示。

图2　工艺流程图

1) 工件毛坯设计：在活动掩模电解加工中工件毛坯的设计主要是为了便于工件的装夹和定位使工件具有较高的位置精度。

2) 夹具设计制作：根据工件毛坯和工件最终加工成型时的尺寸设计夹具。夹具设计分为流道的设计和定位区的设计，夹具通常使用304不锈钢材料制作。

3) 模板设计制作：电解加工使用的模板通常是覆铜板。电解加工模板是按照电解加工专用夹具和工件毛坯的形状设计的，模板上群孔的加工精度直接影响加工品质。因此，模板上群孔的加工精度是模板制作好坏的评判标准。同时，加工时双面模板上的孔需要对心紧贴工件。所以在模板上钻孔前，需要将两张覆铜板的环氧树脂面一侧区域用AB胶粘牢。

4) 工件装夹：装夹时先将模板固定在下夹具上，再将工件放在两层覆铜板间固定好，最后夹紧夹具，并确认工件的接电块是否压紧。

5) 参数设定：工件装夹好之后，打开电解液泵并调节电解液压力，之后打开电源开关并调节电源参数。

6) 电解加工：参数设定好以后按下接通开关开始电解加工并最终加工出所需的群孔零件。

2.2群孔加工品质的评估方法

试验从群孔的表面品质、孔径尺寸均匀性以及群孔的锥度三个方面对模板电解加工后的群孔品质进行检验。加工后的小孔侧壁简化图见图3，群孔的锥度由式(1) 求得:

(1)

式中:θ——孔的锥度/°；

D1——孔的小径/mm；

D2——孔的大径/mm；

T——工件厚度/mm。

群孔孔径尺寸均匀性用群孔孔径标准差表示为:

(2)

式中:S——孔的标准差/mm；

Di——某一个孔的平均直径/mm；

N——群孔数量。

图3　小孔的显微形貌及其侧壁剖开简化示意图

3试验分析

3.1电解液温度对加工结果的影响

电解液是影响电解加工效果的重要因素，对电解加工精度、表面品质以及加工效率均有影响。其中，电解液温度对电解加工活性，加工效率和加工品质有重要影响。实验采用5% NaNO3和5% NaCl的混合电解液，对TC4材料工件进行电解打孔加工。电解加工需要在一定范围的温度下进行。在此，试验了5组不同的电解液温度下的加工效果，分别是： 30 ℃、35 ℃、40 ℃、45 ℃、50 ℃。加工的孔的形貌如图4。

图4　不同温度下加工出的群孔

从图5可以看出，电解液温度为45℃时，加工速度较快，加工均匀性较好。加工速度随电解液温度的提高而加快，在电解液温度为35℃～45℃，群孔孔径均匀性随电解液温度的提高而变好，群孔平均锥度随电解液温度的提高而变小。由于电解加工温度较高时，电解液挥发速度加快，致使无法完成长时间稳定加工。因此选用45℃的电解加工温度为宜。

图5　不同电解液温度下孔的锥度和均匀性

3.2电源脉冲频率对加工结果的影响

在活动掩模脉冲电解加工中，电源的脉冲频率影响着电解加工速度、加工品质以及对加工过程的控制。选用适当的脉冲频率可以有效提高加工表面品质和精度以及加工效率。

图6为加工电源脉冲频率分别为200Hz，400Hz，600Hz，800Hz和1000Hz下的群孔加工效果图。使用同一加工电压进行的群孔加工，加工电源脉冲频率的不同导致电解加工区域温度不同以及产物排出能力的不同，适当降低加工电源脉冲频率能带走加工产物，有利于提高加工品质并保证电解加工均匀性。

图6　不同脉冲频率下加工出的孔的形貌

由图7可以看出，在脉冲频率超过400Hz后，群孔的孔径标准差和平均锥度随着脉冲频率的增加而增大。在其他参数一定的情况下，加工电源脉冲频率增加，致使电解加工区域的电解液不能有效排出加工产物，电解加工区域的温度过高，从而使加工品质较差，加工均匀性较差。由于在满足电解液冲刷时间的情况下，加工电源脉冲频率的提高可适当提高加工品质，因此选用400Hz的脉冲频率。

图7　不同脉冲频率下孔的锥度和均匀性

3.3电源占空比对加工结果的影响

在大功率的电解加工中，加工电源的占空比对加工品质和加工效率有着重要的影响。采用较小的占空比可以使电解液在脉冲间隙期间有效地排出电解加工产物并降低加工区域的温度；但另一方面，采用较高的占空比可以提高加工效率。为此，需要研究脉冲电源的占空比对加工效果的影响。图8分别为占空比为15%，20%，25%，30%加工出的小孔图。

图8　不同占空比下加工出的小孔形貌

从图9可见，当占空比为15%时，由于阳极工件刚刚被击穿，在加工时间内不足以加工出规定孔径范围的孔，因此其锥度以及孔径均匀性较差。当占空比继续提高，其加工速度也随之线性提高，较大的加工电源占空比加工速度较快，但加工品质较差，加工均匀性不好；选择较小的加工电源占空比，电解液能很好的更新，加工产物及时得到排出，加工的气泡和反应热也能被电解液带走，加工区域的流场和电场比较稳定，从而使加工后的群孔孔径均匀性以及群孔平均锥度均有较大改善，但加工速度较低。为得到较好的加工品质和较快的加工效率，选用20%加工电源占空比。

图9　不同占空比下孔的锥度和均匀性

3.4加工参数的优化

选取适当的参数对实验的加工结果有重要影响。经过以上分析，进行参数优化。选用电解液温度45℃，电源脉冲频率400Hz，脉冲占空比20%，每次能加工3排孔，经过多次分步加工，在TC4薄板上加工出如图10所示的大面积群孔。

图10　优化参数后加工出的大面积群孔

4结语

介绍了用活动掩模脉冲电解加工技术加工钛合金大面积阵列群孔的方法，研究了电解液温度、电源脉冲频率及电源占空比对群孔的锥度和尺寸均匀性的影响，得到如下结论：

1) 加工速度随电解液温度的提高而加快，在一定温度范围内加工均匀性随电解液温度的提高而变好。当温度过高时，电解加工的电流增大，易导致加工状态不稳定，加工孔径均匀性无法保证。因此，选用45℃的电解加工温度能达到较好的加工表面品质和精度。

2) 在纯钛薄板上加工海量群小孔时，电源脉冲频率影响加工速度，降低脉冲频率可以提高加工效率，但是过低的脉冲频率易使小孔各区域加工均匀性变差，过高的脉冲频率影响电解液对加工产物和气泡的冲刷，不易保持一定的加工温度以至于加工品质较差：因此，加工时选用适中的脉冲频率。

3) 在大面积钛合金薄板上加工群孔零件时，选择的占空比要比在小面积板上加工时要小，用小占空比加工出的群孔品质较好，但是考虑到大面积板加工效率，占空比的选择不宜过小。

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收稿日期：2014-01-08

中图分类号：TG662

文献标志码：B

文章编号：1671-5276(2015)04-0033-05

作者简介：郑鑫(1987-)，男，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生，从事特种加工、电解加工方面的研究。

基金项目：国家自然科学基金(51275233)，航空科学基金(2012ZE52068)