趙思淳，李寒松，孫飛響，曲寧松

(南京航空航天大學 機電學院，江蘇 南京 210016)

0 引言

模板電解加工技術是特種加工技術中的一種，有著加工后無毛刺、不變形、工具無損耗和表面質(zhì)量好等優(yōu)點，特別適合群孔類結構的加工。模板電解加工時，利用機械外力將帶有特定圖形的模板緊貼于工件表面，電解液高速從模板與陰極之間流過帶走加工產(chǎn)物與焦耳熱，裸露于電解液中的工件即被電解去除。近年來，研究人員不斷進行研究改進，試圖進一步提高模板電解加工的質(zhì)量。李寒松等人通過對模板電解加工技術進行工藝參數(shù)優(yōu)化，成功地在鈦合金、鉬等材料上加工出了高質(zhì)量群孔結構，同時進行了模板電解加工中的壓緊圓柱繞流分析并創(chuàng)新設計了蛇形流道[1-3]。

超聲輔助近年來發(fā)展速度很快，在化學化工、機械制造、生物醫(yī)療等很多領域都有著廣泛的應用。對于電解加工，超聲輔助同樣有著良好的優(yōu)化效果，超聲空化作用可以促進電解產(chǎn)物的排出，清潔電極表面，同時也可以使溶液做持續(xù)運動，減少濃度極化，提高電流密度和電流效率。部分研究人員針對超聲輔助與電解加工的結合展開了試驗研究， A.Ruszaj 等學者將超聲振動引入到陰極工具之中，使表面粗糙度得到了大幅改善[4]。S. Skocyzypiec建立了電極超聲振動輔助電解加工的流場模型，進行了電解和振動參數(shù)對加工效果影響的實驗分析[5]。 MS Hewidy等人研究了低頻振動的電解加工，結果表明：應用低頻振動改變加工間隙的物理狀態(tài)，是提高加工精度的有效手段之一[6]。

超聲在液體中主要的工作機制是空化作用，即存在于液體中的微小氣泡核在經(jīng)歷超聲波不斷的正壓、負壓時，會產(chǎn)生膨脹、壓縮、崩潰、震動等一系列動力學過程，這個過程發(fā)生在約0.1μs內(nèi)，空化氣泡的這種急劇崩潰會瞬間產(chǎn)生局部高溫高壓(可達5000K，1800atm)進而對周圍組織產(chǎn)生影響。而根據(jù)相關理論，空化作用的強弱不僅受超聲本身頻率和功率的影響，也與反應體系的溫度、壓力等因素有密切的關系，所以有必要對引入超聲輔助后部分參數(shù)的影響規(guī)律進行重新優(yōu)化。

本文嘗試將模板電解與超聲輔助相結合，設計了超聲輔助模板電解加工專用夾具，并以鈦合金TC4為材料進行試驗，研究了超聲頻率、功率、電解液壓力、溫度等參數(shù)對試驗結果的影響規(guī)律，確定出最優(yōu)化加工參數(shù)，證明了超聲輔助模板電解加工這一方法的有效性。

1 空化泡運動方程分析

超聲空化作用下空化泡運動方程是研究超聲空化作用的重要手段。假設超聲聲場強度恒定，空化泡中的氣體和水蒸氣滿足理想氣體變化規(guī)律，液體不可壓縮且溫度恒定，氣泡壁的運動滿足球形對稱運動?？紤]液體黏度和表面張力對空化泡運動的影響，由能量守恒推導出多參數(shù)作用下空化泡運動方程[7]：

(1)

式中：R為空化氣泡瞬時半徑；R0為空化氣泡初始半徑；Pc為超聲聲壓；R0為作用在氣泡壁上的流體靜壓力；Pv為氣泡內(nèi)蒸汽壓；σ為反應體系表面張力系數(shù)；μ為液體的粘滯系數(shù)；ρ為反應體系密度；k為絕熱指數(shù)；t為反應時間。

由式(1)可知，超聲空化作用下氣泡運動狀態(tài)受超聲頻率、超聲功率、電解液壓力、反應體系溫度多種因素的影響，有必要通過試驗對這些關鍵加工參數(shù)的影響規(guī)律進行進一步的探究。

2 試驗系統(tǒng)

為了保證試驗效果，使超聲波高效地傳導至電解液中，本文針對超聲輔助模板電解加工設計了專用夾具。該夾具如圖1所示，采用雙面對心加工方式，上、下夾具兩側(cè)分別設有進液口與出液口，夾具內(nèi)設有嵌入式鋼板，鋼板一側(cè)固定有超聲振頭。裝夾時，先將活動模板固定于下夾具上，工件置于活動模板之中，再蓋上上夾具并緊密固定。通過夾具內(nèi)嵌入式鋼板，將超聲、電解有機結合在一起，使超聲高效直接地傳導至電解液流道內(nèi)，引起電解液內(nèi)“空化”現(xiàn)象，促進電解反應持續(xù)高效進行，嵌入的鋼板作為電解反應中的陰極，同時也是超聲傳導的介質(zhì)。

圖1 夾具示意圖

本試驗采用10%NaCl溶液作為電解液，每一組試驗同時加工5個小孔，加工時間3.5min，超聲頻率、功率作為自變量均可調(diào)，其余加工參數(shù)詳見表1。加工效果的主要衡量指標為小孔的平均圓度誤差以及直徑方差。試驗結束后立即超聲清洗工件表面并使用 Leica 顯微鏡(DVM5000，Germany)觀察檢測。

表1 電解加工部分參數(shù)表

3 試驗結果及分析

3.1 超聲參數(shù)的影響

在本組試驗中，電解液溫度、壓力分別為40℃、0.4MPa，選取超聲頻率20kHz、30kHz、40kHz以及無超聲作為頻率自變量，選取超聲功率50W、100W作為功率自變量進行試驗，測得各組小孔圓度誤差、直徑方差變化如圖2所示。由圖2(a)可知，引入超聲輔助后加工所得小孔的平均圓度誤差與直徑方差要明顯優(yōu)于無超聲時的加工結果，當超聲頻率為20kHz時，小孔的平均圓度誤差和直徑方差分別從無超聲時的18.0682μm、153.2336μm降低至8.8952μm、59.6856μm，優(yōu)化效果非常明顯。隨著超聲頻率的增加，雖然優(yōu)化效果開始逐漸減弱，但是相比于無超聲狀態(tài)，小孔精度的提升效果仍十分可觀。

圖2 不同超聲參數(shù)下圓度誤差與直徑方差

超聲功率恒定時，頻率越小，超聲波的空化作用越強，對電解的輔助促進作用越明顯。此外，低頻超聲波的穿透性也更強，在鋼板厚度不變的情況下，超聲波頻率越低，振動速度越慢，阻抗越??；在鋼板中消耗的能量也越小，在鋼板的另一側(cè)(電解液側(cè))能保持更高的聲壓，表現(xiàn)為穿透力強。因此在超聲輔助模板電解加工中，一般需要選擇較小的超聲頻率，以提高超聲輔助對加工質(zhì)量的優(yōu)化效果。

從圖2(b)可知超聲功率也是影響其優(yōu)化效果的重要因素，低超聲功率下超聲空化作用強度會減弱，加工質(zhì)量變差，圓度誤差及直徑方差均不及高超聲功率?？梢娫诩庸r，為保證超聲的優(yōu)化效果，應選擇較高的超聲功率。

3.2 電解液溫度的影響

在本組試驗中，電解液壓力以及超聲頻率、功率分別為0.4MPa、20kHz、100W。選取溫度35℃、40℃、45℃ 、50℃為試驗自變量，進行試驗研究。圖3為不同溫度下群孔平均直徑、直徑方差統(tǒng)計圖。從圖3中可以看出，小孔的平均直徑隨溫度提升而增大，而孔的直徑方差呈V字形變化，在45℃之前，孔的直徑方差隨溫度升高越來越小，即群孔孔徑一致性越來越好，在45℃時到達最小值，而后又呈上升態(tài)勢?？梢钥闯觯曒o助模板電解加工中溫度的升高有益提高加工速率，但過高的溫度降低了孔徑一致性，不利于提高加工質(zhì)量。

圖3 不同溫度下平均直徑與直徑方差

單從超聲空化作用的角度來看，反應體系溫度的增加會提高超聲空化作用的強度，有益于超聲輔助的優(yōu)化效果；同時隨著電解溫度的升高，電解液中離子活性增強，電流密度提高，有利于提高反應速度，表現(xiàn)為小孔平均直徑隨溫度提升而增大。但當溫度>45℃時，加之電解反應本身也會產(chǎn)生熱量，加工區(qū)熱量來不及排出，電解液可能沸騰、蒸發(fā)，大量氣泡來不及排除，影響小孔加工一致性，導致直徑方差變大。根據(jù)試驗得到的規(guī)律， 選擇45℃為超聲輔助模板電解加工的最佳溫度，此時群小孔一致性達到最佳，也保證了較高的加工速率。

3.3 電解液壓力的影響

在本組試驗中，電解液溫度以及超聲頻率、功率分別為40℃、20kHz、100W，選取電解液壓力0.2MPa、0.3MPa、0.4MPa、0.5MPa為自變量進行試驗。圖4為不同電解液壓力下群孔圓度誤差、直徑方差的統(tǒng)計。從圖4中可以看出，孔的圓度誤差、直徑方差均隨電解液壓力提升先減小，而后有增加趨勢，圓度誤差在0.3MPa達到最低，直徑方差在0.4MPa達到最低。

圖4 不同壓力下平均圓度誤差與直徑方差

3.4 最優(yōu)化參數(shù)試驗

在上文試驗中已經(jīng)找到了超聲頻率、功率、溫度、電解液壓力等因素對超聲輔助模板電解加工試驗的影響規(guī)律，本節(jié)將根據(jù)最優(yōu)化取值，在航空發(fā)動機常見難加工材料鈦合金TC4上進行群孔加工試驗，群孔數(shù)量為2×5，以期望探究超聲輔助對加工質(zhì)量的最大優(yōu)化效果。試驗中，超聲頻率取20kHz，超聲功率100W，溫度45℃，電解液壓力0.35MPa，各小孔測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計于表2中，使用Leica顯微鏡拍攝小孔照片如圖5所示，并選取了圖5中線條所指示的3個小孔進行了放大拍攝，后利用線切割機床將小孔剖開，對其橫截面進行了拍攝。發(fā)現(xiàn)各小孔形狀均清晰完好，圓度較佳，錐度可以穩(wěn)定控制在5°，圓度誤差控制在15μm內(nèi)，達到了理想的加工效果，證明了超聲輔助模板電解加工的實用價值。但電解液壓力過小時，電解反應產(chǎn)生的熱量、產(chǎn)物等無法被及時帶走，會在加工區(qū)積累，影響電解反應的順利進行；而過大的壓力會使電解液深入掩模板與工件貼合區(qū)，造成小孔周圍出現(xiàn)點蝕，影響加工精度。同時，根據(jù)超聲空化作用理論可知，過大的電解液壓力也不利于超聲輔助的效果，超聲空化作用的強弱是隨著電解液瞬態(tài)壓力的增強而減弱的。為使超聲輔助電解加工質(zhì)量達到最佳，電解液壓力應該在0.3MPa、0.4MPa之間，取0.35MPa較好。

圖5 最優(yōu)化參數(shù)試驗小孔照片

表2 小孔測量數(shù)據(jù)

4 結語

本文提出了超聲輔助模板電解加工這一新方法，設計并制造了超聲輔助模板電解加工專用夾具，并在以TC4材料的加工試驗中證明了這一方法的可行性，探索出部分關鍵參數(shù)的影響規(guī)律。試驗表明：超聲輔助對電解加工有著良好的優(yōu)化作用，超聲頻率越小、功率越大，則超聲空化作用越強；超聲輔助模板電解加工的最佳電解液溫度為45℃，最佳電解液壓力為0.35MPa。通過參數(shù)優(yōu)化后群小孔的錐度可以穩(wěn)定控制在5°左右，圓度誤差控制在15μm內(nèi)，加工質(zhì)量較好。