牛 屾，曲寧松，2，李寒松，2

（1. 南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，南京 210016；2. 江蘇省精密與微細(xì)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，南京 210016）

為滿足航空航天產(chǎn)品“高可靠、低能耗、長(zhǎng)航程”等性能要求，現(xiàn)代飛機(jī)、航天器中的一些大型復(fù)雜零件，特別是主承力結(jié)構(gòu)零件普遍采用了整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[1–2]。這些整體結(jié)構(gòu)件大多采用鎳基高溫合金、鈦合金等難加工材料，并且尺寸大、特征復(fù)雜、結(jié)構(gòu)輕薄，通常需要在整塊毛坯上加工而成，因此材料去除量大，機(jī)械加工易變形、刀具成本高、生產(chǎn)周期長(zhǎng)，給航空航天制造業(yè)帶來了諸多挑戰(zhàn)[3–4]。

電解銑磨加工采用棒狀磨料工具作為陰極，以立銑加工的方式執(zhí)行多軸運(yùn)動(dòng)控制，基于電化學(xué)溶解和機(jī)械磨削的復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)材料去除過程，具有加工柔性高、加工效率高、表面質(zhì)量好、工具損耗低等特點(diǎn)[5–6]。電解銑磨加工可采用管狀工具側(cè)壁出液的方式，從工件側(cè)壁處直接以較大的切深進(jìn)入切入式加工，在難加工材料的大余量去除制造領(lǐng)域展現(xiàn)出廣泛的應(yīng)用前景[7–8]。Li等[9]探討了工藝參數(shù)對(duì)加工效率的影響，通過優(yōu)選工藝參數(shù)，在切深3mm、工具基體外徑6mm時(shí)獲得了44.44mm3/min的材料去除率，并加工出GH4169凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。Niu等[10]將切深及工具基體外徑均增大至10mm，研究了工具側(cè)壁噴液孔布局對(duì)工件側(cè)面加工效果的影響，發(fā)現(xiàn)采用螺旋形布局能夠有效提高工件側(cè)面的平整程度，并獲得了234.6mm3/min的材料去除率。此外，他們還通過在切深與外徑均為10mm的工具基體端部設(shè)計(jì)噴液孔布局方案，進(jìn)一步提高了工件底面的平整程度和表面質(zhì)量[11]。

在電解銑磨加工中，由于電解液會(huì)從底面極間間隙流出工件，使得工具端面與工件底面之間也構(gòu)成導(dǎo)電回路，導(dǎo)致工件底面的幾何形狀受電化學(xué)溶解作用的控制，最終形成一個(gè)中部下凹的底面輪廓[9–10]。Niu等[12]通過在切深3mm、外徑6mm的工具基體端部設(shè)計(jì)絕緣方案，有效約束了底面極間間隙內(nèi)電場(chǎng)分布，從而使工件底面的平整程度改善了58%。然而，目前對(duì)該方法的研究報(bào)道僅此一例，對(duì)于更大外徑及切深的工具，該方法的有效性尚未得到進(jìn)一步驗(yàn)證。此外，該方法對(duì)工件底面表面質(zhì)量的影響也未見后續(xù)研究報(bào)道。本文以外徑和切深均為10mm的工具基體為例，進(jìn)一步研究工具端部絕緣層對(duì)電解銑磨加工工件底面的平整程度及表面質(zhì)量的影響。

1 工具端部絕緣設(shè)計(jì)

圖1 工具基體端部絕緣層的設(shè)計(jì)方案Fig.1 Design scheme of insulation layer at bottom of tool substrate

圖1所示為工具基體端部絕緣層的設(shè)計(jì)方案。工具基體的外徑為10mm，內(nèi)徑為8mm，管壁厚度為1mm，圓角半徑為0.5mm。工具基體側(cè)壁上噴液孔的直徑為1mm，其布局方案與文獻(xiàn)[10]一致。與工具基體A不同，在工具基體B的端部設(shè)計(jì)有一個(gè)直徑為9mm、深度為0.5mm的圓形凹槽，可用于將絕緣層嵌入工具端部。

采用E–51環(huán)氧樹脂、5506固化劑和KH–550硅烷偶聯(lián)劑配制絕緣層，3種成分的比例為100：50：1，并添加少量的色漿（黑色）進(jìn)行著色。圖2展示了電鍍金剛石磨料后的工具A與工具B，磨料的粒度號(hào)為170/200目，工具外徑約為10.2mm，其中工具B端部的黑色區(qū)域即為絕緣層。

2 溝槽加工試驗(yàn)安排

圖2 工具A與工具B實(shí)物照片F(xiàn)ig.2 Photographs of tool A and tool B

圖3 電解銑磨加工裝置示意圖Fig.3 Schematic diagram of electrochemical mill-grinding equipment

圖3展示了電解銑磨加工試驗(yàn)裝置，該裝置主要由機(jī)床、電源、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等組成。機(jī)床采用同步帶傳動(dòng)，工具裝夾在主軸的末端，主軸具有通孔結(jié)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)接頭和導(dǎo)電滑環(huán)分別用于實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)時(shí)工具側(cè)壁出液與電流傳輸。工件安裝在一個(gè)特制的工作臺(tái)上，工作臺(tái)內(nèi)嵌有導(dǎo)電銅排，銅排一端露出與工件接觸，而另一端伸出工作槽外與電源正極相連。工作槽蓋板上設(shè)計(jì)有通風(fēng)裝置，可將加工區(qū)產(chǎn)生的氫氣及時(shí)排出，避免發(fā)生氫爆。在運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，工具可沿順時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)以及沿Z方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，工件可沿X方向和Y方向做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)起到輸送純凈電解液的作用，并可調(diào)節(jié)、監(jiān)測(cè)電解液流量，以及保持電解液溫度恒定。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)用于對(duì)加工過程中的電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以此來判斷加工穩(wěn)定性。

在上述電解銑磨加工裝置上，利用工具A與工具B開展溝槽加工試驗(yàn)。工件材料為鍛制鎳基高溫合金Inconel 718，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液。表1給出了溝槽加工試驗(yàn)的主要工藝參數(shù)。對(duì)于每一組試驗(yàn)，先以較低的進(jìn)給速度從工件側(cè)壁切入5.2mm，再采用最大進(jìn)給速度穩(wěn)定加工19.8mm。根據(jù)文獻(xiàn)[10–11]可知，對(duì)于工具A，當(dāng)電壓取15V、20V、25V、30V時(shí)，電解銑磨加工的最大進(jìn)給速度分別為1.7mm/min、2mm/min、2.4mm/min、2.7mm/min。為確保結(jié)果的可靠性，每組試驗(yàn)均重復(fù)3次。試驗(yàn)結(jié)束后，利用線切割將溝槽從距離其入口10mm處切開，以獲得已加工表面的剖面輪廓。

3 結(jié)果與討論

在上述4種電壓下采用工具A加工溝槽的剖面輪廓，如圖4所示[11]，可以看出，當(dāng)采用工具A時(shí)，溝槽底面輪廓呈凹陷狀，即中間低，周圍高，并且電壓越高，溝槽底面中間區(qū)域的下凹越明顯。這說明，在工具端部未絕緣時(shí)，溝槽底面中間區(qū)域的材料去除量大于兩側(cè)，造成溝槽底面在成形過程中產(chǎn)生嚴(yán)重的凹陷現(xiàn)象。

圖5給出了在相同工藝參數(shù)下采用工具B加工溝槽的剖面輪廓，可以看出，當(dāng)采用工具B時(shí)，溝槽底面輪廓?jiǎng)t均為中間凸起的“駝峰”形狀，即兩側(cè)深，中間淺，而且電壓的升高對(duì)底面輪廓幾何形狀的影響并不明顯。這說明，在工具端部絕緣后，溝槽底面中間區(qū)域的電化學(xué)溶解速度得到了很好的抑制，使得中間區(qū)域的材料去除量低于兩側(cè)，導(dǎo)致底面輪廓的幾何形狀發(fā)生了明顯改變。

表1 溝槽加工試驗(yàn)主要工藝參數(shù)Table 1 Main processing parameters of machining experiments for slot

為了直觀反映工具端部絕緣層對(duì)溝槽底面平整程度的改善效果，使用橋式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)（ZEISS CONTURA，Germany）測(cè)量出溝槽的剖面輪廓，并定義平均槽深與底面輪廓坐標(biāo)最大差值如下：

（1）平均槽深。如圖6所示，對(duì)底面輪廓上位于虛線2下方的測(cè)量點(diǎn)至虛線1的距離取平均值，即通過式（1）得到溝槽的平均槽深Ds。平均槽深越小，溝槽底面的平均過切越小。

圖4 不同電壓下采用工具A加工溝槽的剖面輪廓Fig.4 Profile of slot machined by tool A at different applied voltages

圖5 不同電壓下采用工具B加工溝槽的剖面輪廓Fig.5 Profile of slots machined by tool B at different applied voltages

（2）底面輪廓坐標(biāo)最大差值。如圖6所示，對(duì)底面輪廓上位于虛線3與虛線4之間的測(cè)量點(diǎn)至虛線1的最大距離和最小距離求差，即通過式（2）得到溝槽的底面輪廓坐標(biāo)最大差值Fb。底面輪廓坐標(biāo)最大差值越小，溝槽底面的平整程度就越好。

圖7給出了不同電壓下采用工具A和工具B加工溝槽的平均槽深，可以看出，隨著電壓增大，這兩種工具獲得的平均槽深均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這是因?yàn)殡妷荷吣軌蛟鰪?qiáng)電化學(xué)溶解作用，導(dǎo)致溝槽底面的材料去除量增多，造成底面的平均過切變大。此外，在相同電壓下，與工具A相比，采用工具B所獲溝槽的平均槽深明顯更低。對(duì)于這4組試驗(yàn)，在工具端面絕緣后，平均槽深的數(shù)值分別減少了2.71%、2.94%、3.06%和2.98%。這說明工具端部絕緣層有效抑制了溝槽底面上材料的電化學(xué)溶解，使得底面的平均過切也隨之變小。

圖6 溝槽剖面輪廓的測(cè)量Fig.6 Measurement of slot profile profile

圖7 不同電壓下采用工具A和工具B加工溝槽的平均槽深Fig.7 Average slot depth of slots machined by tool A and tool B at different applied voltages

圖8給出了不同電壓下采用工具A和工具B加工溝槽的底面輪廓坐標(biāo)最大差值，可以看出，在相同電壓下，與工具A相比，采用工具B后，底面輪廓坐標(biāo)最大差值明顯下降。這表明工具端部絕緣層可有效縮小溝槽底面兩側(cè)與中間區(qū)域的材料去除量差值，使得底面平整程度也大幅改善。然而，隨著電壓增大，這兩種工具所獲底面輪廓坐標(biāo)最大差值均表現(xiàn)出上升趨勢(shì)。這說明電壓升高能夠引起溝槽底面兩側(cè)與中間區(qū)域的材料去除量差值增大，導(dǎo)致底面平整程度變差。值得注意的是，與工具A相比，采用工具B后，底面輪廓坐標(biāo)最大差值的增長(zhǎng)率明顯更低。對(duì)于這4組試驗(yàn)，在工具端面絕緣后，底面輪廓坐標(biāo)最大差值分別減少了39.2%、47.4%、51%和 55.1%。由此得出，電壓越高，工具端部絕緣層提高工件底面平整程度的效果就越好。

圖9所示為在30V電壓下采用工具A和工具B加工出的溝槽及測(cè)量輪廓，從圖9（a）可以看出，當(dāng)工具端面未絕緣時(shí)，溝槽底面中間部位出現(xiàn)了一條明顯的深溝。當(dāng)工具端面絕緣時(shí)，溝槽底面中間部位的深溝消失，說明工具端部絕緣層對(duì)溝槽底面上材料的電化學(xué)溶解具有較好的抑制效果。從圖9（b）可知，在工具端面絕緣后，溝槽的平均槽深從10.61mm減少至10.32mm，底面輪廓坐標(biāo)最大差值也由783.9μm下降至352.5μm。所以，在電解銑磨加工中，采用工具B加工出的溝槽底面對(duì)后續(xù)精加工更友好，能夠顯著降低后續(xù)精加工的余量。

圖8 不同電壓下采用工具A和工具B加工溝槽的底面輪廓坐標(biāo)最大差值Fig.8 Maximum difference at bottom profile coordinates of slots machined by tool A and tool B at different applied voltages

為量化工具端部絕緣層對(duì)表面質(zhì)量的影響，使用激光共焦顯微鏡（OLS4100，Olympus，Japan）掃描溝槽已加工底面的三維形貌，并計(jì)算其表面粗糙度Ra。文獻(xiàn)[11]展示了在30V電壓下采用工具A所獲溝槽底面的三維形貌及表面粗糙度，如圖10所示，可以看出，由于加工過程中存在雜散腐蝕，造成溝槽已加工底面發(fā)生了不均勻的選擇性溶解，形成了密集分布的蝕坑狀結(jié)構(gòu)，表面波峰、波谷起伏明顯，表面粗糙度Ra為1.705μm。圖11給出了電壓為30V時(shí)采用工具B所獲溝槽底面的三維形貌及表面粗糙度，可以看出，相比于工具A，在采用工具B后，溝槽底面產(chǎn)生的蝕坑更小、更淺，從而使表面輪廓坑洼不平的程度明顯好轉(zhuǎn)，結(jié)果表面粗糙度Ra也從1.705μm降低至0.811μm，即減少了52.4%。這說明工具端部絕緣層對(duì)溝槽底面雜散腐蝕具有較好的抑制效果，能夠顯著改善電解銑磨加工溝槽底面的表面質(zhì)量。

圖9 電壓為30V時(shí)工具A和工具B獲得的溝槽及其輪廓測(cè)量Fig.9 Slot and its profile measurement obtained by tool A and tool B at an applied voltage of 30V

圖10 電壓為30V時(shí)采用工具A所獲溝槽底面的三維形貌及表面粗糙度Fig.10 3D topography and surface roughness of slot bottom obtained by tool A at an applied voltage of 30V

圖11 電壓為30V時(shí)采用工具B所獲溝槽底面的三維形貌及表面粗糙度Fig.11 3D topography and surface roughness of slot bottom obtained by tool B at an applied voltage of 30V

綜上所述，即使顯著增大切深及工具外徑，工具端部絕緣層也能大幅提高工件底面的平整程度，并可有效改善工件底面的表面質(zhì)量。此外，根據(jù)文獻(xiàn)[11]可知，對(duì)于外徑與切深均為10mm的工具基體，當(dāng)采用工具端部噴液方法時(shí)，底面輪廓坐標(biāo)最大差值由783.9μm降低至470.8μm，底面粗糙度Ra從1.705μm下降至1.09μm。相比之下，采用工具端部絕緣方法獲得的工件底面更為平整，而且表面質(zhì)量也更好，所以更適合于電解銑磨加工的大余量去除過程。

4 結(jié)論

（1）工具端部絕緣層能夠有效抑制溝槽底面材料的電化學(xué)溶解，使得溝槽底面的平均過切變小，平均槽深從10.61mm降低至10.32mm。

（2）工具端部絕緣層可以大幅提高溝槽底面的平整程度，使得底面輪廓坐標(biāo)最大差值也由783.9μm下降至352.5μm，從而顯著縮短了后續(xù)精加工的時(shí)間。

（3）工具端部絕緣層能夠有效減弱溝槽底面的雜散腐蝕，使得表面質(zhì)量明顯好轉(zhuǎn)，表面粗糙度Ra從1.705μm減小至0.811μm。