褚玉程，張明岐，劉 萌，張志金

（中國航空制造技術研究院，北京100024）

隨著航空航天技術的發(fā)展，航空航天領域的零件結構趨于復雜化，零件上的孔也由原來常見的圓形變得形式多樣，如三角形、矩形、菱形孔等特殊形狀的孔在先進航空器的格柵類零件上更為常見。除了航空航天，在船舶、兵器、醫(yī)療、電子、汽車、工程機械等軍民制造領域均有出現(xiàn)不規(guī)則的型孔結構。除了幾何形狀變化，孔的尺寸精度、形位精度、孔口表面質量等也面臨了越來越高的要求。

本文針對航空零件上的密集陣列的斜菱形方孔展開研究，該特殊類型的斜方孔均勻分布在呈一定角度的平面和曲面上，孔口朝向角度多變、孔的陣列方式密集、孔間筋板壁厚較薄，其材料去除比高達70%以上且所用材料多為高溫合金或鈦合金等難加工材料。

有研究人員[1-4]提出采用脈沖電源代替電解加工中常用的直流電源進行管電極加工孔，在脈沖電源輸出的間歇期，可及時將溶解的陽極產(chǎn)物排出，提高了在小間隙條件下加工精度和穩(wěn)定性。埃及學者[5]曾在低頻振動和直流電源條件下利用管電極加工圓形盲孔并對其加工間隙的流場展開過研究，得出結論：在電解過程中加入振動的擾動，能有效的降低電解過程中的流場不均勻性的問題。針對圓孔由盲孔加工至通孔的后階段，工件在管電極孔中心形成的型芯發(fā)生移動，會導致短路的問題，國內外先后有學者[6-8]提出采用電解加工過程中電極平動的方式解決中心孔型芯問題。

電解加工是一種非接觸式加工，不受被加工材料的強度、硬度、韌性的限制，加工后工件材料的微觀組織基本不發(fā)生變化，因此常用于加工硬質合金、高溫合金、淬火鋼、不銹鋼等難切削加工材料以及薄壁、易變形工件。而管電極電解加工技術可顯著提高被加工型孔的深徑比，具有加工效率高、加工表面質量好、工具電極無損耗和加工材料范圍廣等優(yōu)勢。

管電極電解加工型孔優(yōu)勢明顯，但不足之處也很明顯，限制了該技術的推廣應用。不足之處主要表現(xiàn)在兩個方面：一方面是孔的加工精度不高，由于陰極與工件之間加工間隙內的電力線發(fā)散，在管電極電解加工型孔過程中存在雜散腐蝕，集中腐蝕能力較差，降低了型孔的加工精度；另一方面是管電極加工斜方孔的加工過程穩(wěn)定性差，究其原因主要是：型孔由盲孔加工至通孔的后階段，工件在管電極孔中心形成的“型芯”發(fā)生移動，陰極與工件間的加工間隙發(fā)生變化，極易導致短路，阻礙加工過程的順利進行，使加工過程穩(wěn)定性變差，再有斜方孔的角度超大（約 60°），電解液受重力作用在加工流場區(qū)域的分布不均勻，加工區(qū)域陽極產(chǎn)物的溶解性不好，也降低管電極加工型孔的穩(wěn)定性。

1 管電極精密振動電解加工斜方孔基本原理

管電極精密振動電解加工斜方孔是以電化學陽極溶解相關理論為基礎，結合管電極小幅振動（陰極）進給和脈沖電源技術相關規(guī)律，構成基于振動電解管電極加工型孔的基本原理。電解加工技術結合陰極振動和高頻脈沖電源技術可實現(xiàn)微小間隙的進給，能得到高精度和高表面質量的工件。

管電極小幅振動進給與脈沖電源脈沖頻率的精準配合，強化了電解加工陽極溶解的定域性；管電極的振動起到了局部攪動電解液、提高加工間隙流場分布均勻性的作用。加工結果表明：相較于常規(guī)電解加工，管電極精密振動電解加工大幅度提高了斜方孔的加工精度和穩(wěn)定性。如圖1所示，S（t）為管電極振動振幅與時間關系圖，K（t）為脈沖電源與時間關系圖。當管電極振動至最低位置時，脈沖電源輸出開通，管電極加工陽極，陽極發(fā)生溶解；當管電極振動至最高位置時，脈沖電源輸出關閉，管電極遠離工件陽極。陽極溶解產(chǎn)物在電解液的沖刷下，管電極振動頻率與脈沖電源精準配合，減小了電解加工的加工間隙，從而達到提高了加工方孔的精度的作用。

圖1 管電極精密振動電解加工型孔基本原理圖

1.1 管電極加工斜方孔預防短路控制

如圖2所示，Δf為管電極軸向進給的加工間隙；Δs為管電極垂直進給側面間隙，為電解加工型孔精度的決定因素。可見，管電極加工型孔是以中空的金屬管作為電解加工的陰極、以工件為陽極、以中性的鹽溶液作為電解液，其中金屬管的外形可以是圓形、方形或者其他異形形狀。電解液從管電極中孔高速流出，充滿加工間隙；管電極相對于陽極垂直進給，陽極工件在電場作用下逐漸溶解；陽極溶解形成的產(chǎn)物被高速流動的電解液沖出加工區(qū)域，最后在工件上形成與管電極外形相似的型孔。在加工過程中，管電極的中心會在加工區(qū)形成一個凸臺狀的“型芯”。該“型芯”過大，則會阻滯電解液的流動，同時會在孔加工通透的瞬間因“型芯”脫落而導致嚴重短路。因此，在設計加工電極時，需合理設計中間通道的尺寸，同時在參數(shù)的設置上也要考慮“型芯”的控制問題。

圖2 管電極加工型孔過程[3]

為了求解方便且不失準確性，可假設電解液中的電場為無源電場、電解液電導率為常數(shù)且各向同性，同時不計陰陽極表面的過電位。由于精密振動電解加工間隙一般在幾十微米之間，仿真過程中假設電力線與邊界垂直，均勻性較好。

由電場理論可知，在封閉區(qū)域Q內各點電勢滿足拉普拉斯方程：

將工具陰極和工件陽極視為不同電位的等勢面，施加邊界條件：

式中：φ1為施加在陰極表面的加工電壓；φ2為施加的工件陽極邊界條件。

將加工條件列為不變條件、陰極形狀列為變量，取不銹鋼件為工件、加工電壓U=15 V、電解液電導率90 mS/cm，基于COMSOL Multiphysics軟件平臺對加工區(qū)域進行電場分布仿真。

圖3是不同孔徑的管電極加工區(qū)域電場密度?？梢姡茈姌O中間的型孔精度越小，分布在工件陽極的電流密度越強，即工件陽極的材料溶解體積越來越多；隨著電解加工進行，孔中心的凸臺不斷溶解，使得管電極加工孔通透時不會因為凸臺的移動而導致最后短路并影響加工過程的順利進行。

時間=0 s；表面：電流密度范數(shù)/（A·m-2）；面箭頭：電流密度（材料框架）

圖3 不同孔徑的管電極加工區(qū)域的電場密度（×106）

綜合考慮孔中心臺影響與電解，確定了管電極加工的內腔（圖4）。其中，管電極內腔中空，便于電解液的通導；電極的端部，呈現(xiàn)中心大孔、周圍群小孔的分布狀態(tài)。

圖4 管電極內腔與端部

1.2 管電極加工斜方孔流場穩(wěn)定性

管電極加工斜方孔的過程中主要分電極正水預開孔和反水加工型孔兩個步驟。

圖5a是管電極正水加工預孔示意圖?？梢?，電極裝夾于機床Z軸且在Z軸的驅動下沿著豎直方向進給，并做振幅為0.3 mm的往復振動；電解液從管電極中空內腔流入，經(jīng)蜂窩狀電極端面正向流出至電極與工件間的加工間隙；同時，陰極接電源的負極，工件接電源的陽極。加工時，工件陽極在電場的作用下發(fā)生溶解，隨著電解液的流動而流走，電極端面形狀映刻至工件表面。隨著加工過程的不斷進行，電極在Z軸驅動下不斷深入，工件表面形成電極端面的形狀的盲孔，最后加工至通孔。

在加工斜方孔過程中，電極是豎直裝夾，而工件平板是傾斜安裝在夾具上，工件與實驗平臺的基面之間呈約60°的夾角。電解液在通導至工件表面時，由于受重力作用，會沿著工件斜面向下流動，導致管電極加工預孔時電解液分布不均。而現(xiàn)場實驗中，管電極在Z軸驅動下做往復振動，驅使管電極內腔電解液做往復振動運動。管電極振動過程中對電解液擾動，促使電解液在加工間隙中的均勻分布，保證加工過程的連續(xù)穩(wěn)定進行。

圖5b是管電極反水加工斜方孔示意圖。管電極與工件之間導通脈沖電源。當電極振動至低點，接近工件表面時，脈沖電源導通，工件發(fā)生溶解；管電極運動至高點時，脈沖電源關閉，電解液沖走陽極溶解物，及時帶走加工產(chǎn)生的熱量。同時加工過程中采用反水收斂流場，提高了型孔的加工精度。

圖5 管電極加工斜方孔示意圖

因此，實驗設計的電極見圖6。電極端面與加工表面平行與加工水平面呈一定角度（60°），端面出水口呈多孔的蜂窩狀，以防止在電解打孔的過程中出現(xiàn)“型芯”；電極中部為中空的管狀，通導電解液。電極的外形，分為預孔加工區(qū)、側面成型加工區(qū)和拋光區(qū)。其中，預孔加工區(qū)主要是在加工工件表面加工出通孔；側面成型加工區(qū)是沿著矢量方向展開的型面，保證加工面沿著電解加工振動加工矢量方向，提高型孔的加工精度。

在管電極加工型孔加工過中，引入電極振動，起到了電解液的局部擾動、促進加工間隙流場的分布均勻、提高加工過程穩(wěn)定性的作用。采用電解液從管電極中空部位流出、正水方式加工預孔、反水成型加工型孔的方式，提升了裝夾的對中度，提高了加工效率。反水振動加工型孔，電解液呈收斂流動，提高了加工型孔表面質量；電解振動進給與脈沖電源的匹配，提高電解加工的定域性，提高了型孔的加工精度。

圖6 管電極外形設計

2 實驗結果

將以上電極裝夾在機床的Z軸，采用質量分數(shù)為9%的NaNO3溶液，在電解液溫度為25℃的條件下，對不銹鋼金屬板施加15 V加工電壓，電極在Z軸驅動下以50 Hz的振動頻率運動；設定開通角為150°～195°，即當電極振動至 150°時打開脈沖電源、至195°時關閉；取脈沖電源的脈寬為0.36 ms、脈間為0.30 ms、脈沖頻率為1515.15 Hz；電極則以頻率50 Hz做周期振動，即20 ms為一個周期；在45°導通角內，脈沖電源的導通時間為一個周期的八分之一，2.5 ms內可容納4個脈寬和3個脈間，得到的加工過程中電壓與電流的示波器監(jiān)測圖見圖7、加工實物見圖8。工件表面粗糙度在Ra0.8 μm以下，型孔的孔口尺寸符合要求。

圖7 加工過程中的電壓與電流波形

圖8 斜方孔實物圖

3 結論

經(jīng)加工實驗結果驗證，在管電極加工斜方孔的過程中，復合管電極振動進給和脈沖電解技術加工密集斜方孔方法是有效的。

（1）通過管電極小幅振動進給與脈沖電解開關匹配，減少電解加工間隙，使分布在加工間隙的電場具有定域性和針對性，減少了雜散腐蝕，提高了型孔的加工精度。

（2）管電極小幅振動進給對流場擾動，促進了加工間隙流場分布的均勻性，提高了型孔加工的穩(wěn)定性。

（3）將加工預孔的電極與加工型孔的電極集成在一根電極上，同時運用電解加工中的正水加工與反水加工。該集成方案實施可行，減少了二次裝夾，提高了加工精度。