陳玉宏，劉嘉，朱荻

(南京航空航天大學(xué) 機電學(xué)院，江蘇 南京 210016)

0 引言

電解拉削是將陰極尺寸由小至大緩變的截面輪廓逐步地通過加工面、基于陽極電化學(xué)溶解原理去除材料的制造技術(shù)，該技術(shù)具有無工具損耗、無加工應(yīng)力與加工與材料力學(xué)性能無關(guān)等特點[1-2]，已廣泛應(yīng)用于炮管膛線、深長孔擴孔等領(lǐng)域。研究人員對電解拉削做了大量的研究：美國Anocut工程部用片狀陰極，采用電解拉削的方式以5 mm/min的進給速度加工出7.62 mm和20 mm槍管膛線[3]。常州工學(xué)院的夏任波進行了電解拉削擴孔試驗研究，設(shè)計了圓錐形的陰極，在不同的加工參數(shù)下對外徑10 mm、內(nèi)徑4 mm、長90 mm的孔進行了電解拉削擴孔試驗，并研究了擴孔后輪廓與加工參數(shù)的關(guān)系[4]。國營一七七廠產(chǎn)品工藝研究所設(shè)計了雙向供液三錐組合式陰極結(jié)構(gòu)，第一錐承擔(dān)著有選擇地粗加工成型的任務(wù)，第二錐進入全面的半精加工成型，第三錐完成最后的精加工成型。同一陰極結(jié)構(gòu)可以同時完成粗加工、半精加工、精加工。利用該陰極結(jié)構(gòu)進行了電解拉削試驗，加工前的工件內(nèi)孔為直徑54 mm的圓孔，工件全長4150 mm，加工后工件內(nèi)孔為邊長59 mm的方孔。方孔各邊的平直性和互相垂直的兩個方向尺寸一致性較好，其差值均在0.03 mm范圍之內(nèi),在整個加工的長度上，方孔的尺寸均控制在(59±0.13)mm的范圍內(nèi)[5]。

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，對零件的加工精度提出了更高的要求，電解拉削技術(shù)也不例外[6-8]。為了進一步提高電解拉削技術(shù)的加工精度，本文針對電解拉削精密擴孔開展研究，提出了一種電解拉削精密擴孔加工方法，通過減小電解拉削工具陰極升角、大幅提高進給速度等措施，實現(xiàn)了加工間隙約0.1 mm的小間隙電解拉削狀態(tài)。開展了不同速度下快走絲線切割圓孔的電解拉削擴孔試驗，分析了進給速度、加工間隙對加工輪廓度和表面質(zhì)量的影響。

1 電解拉削擴孔原理

電解拉削擴孔系統(tǒng)示意圖如圖1所示。被加工工件連接電源正極，工具陰極連接電源負極，工具和工件之間存在一定的加工間隙，保證高壓高速的電解液可以快速地從加工間隙中通過。

圖1 電解拉削擴孔示意圖

電解拉削是靠主軸的快速進給使直徑由小至大緩變的截面輪廓逐步地通過加工面，通過工具陰極直徑的漸擴作用實現(xiàn)擴孔的加工方法。該加工模式下的加工間隙如圖2所示。陰極中間部分的錐面為加工面，陰極加工面最小直徑和最大直徑處分別為陰極小端和大端，陰極前后端分別與前導(dǎo)流段、后導(dǎo)流段連接，前、后導(dǎo)流段均為絕緣材料。Δ為加工間隙，vc是進給速度，vn是陽極法向溶解速度，α為陰極升角，Δs是最終側(cè)向間隙。

圖2 加工間隙示意圖

上述模型為電解拉削至平衡態(tài)的加工過程，因此陰極進給速度在側(cè)面的進給分量應(yīng)該和工件側(cè)壁的腐蝕速度相等。當(dāng)主軸的進給速度為vc時，此時的陽極法向溶解速度vn和主軸進給速度vc的數(shù)量關(guān)系為：

(1)

從上式可以看出，當(dāng)升角很小時，主軸的進給速度可以很快。在平衡狀態(tài)下，側(cè)面加工間隙Δ為：

(2)

其中：UR為加工間隙Δ方向上電解液的歐姆壓降；ηω為實際體積電化當(dāng)量；κ為電解液的電導(dǎo)率。若將上述加工間隙公式對加工時間取微分，分析各項加工參數(shù)隨時間的波動對加工間隙大小的影響，可得：

(3)

其中Δb是速度vn對應(yīng)的端面平衡間隙。由上述電解拉削加工間隙公式(2)可以看出，加工間隙不斷地減小，工件的輪廓和工具陰極的輪廓差異就逐漸減小，這有助于提升電解加工的復(fù)制精度，使工件形狀得到有效控制[9]。同時，從加工間隙的微分公式(3)可以看出，加工間隙位于電流效率、體積電化學(xué)當(dāng)量、電解液電導(dǎo)率、加工電壓、進給速度等參數(shù)波動量總和的系數(shù)位置，隨著加工間隙的減小，加工間隙隨加工參數(shù)波動而導(dǎo)致的隨機波動量還會大幅減小。由此可見，減小電解拉削電解加工中的加工間隙，對提升電解拉削加工精度十分重要。而且當(dāng)α很小時，可以近似地認為電解拉削后的側(cè)面間隙Δs≈Δ，這也可以為后期工具陰極設(shè)計提供支撐。

綜上所述，通過對電解拉削模型進行的深入分析，明晰了減小加工間隙是提升電解拉削加工精度的主要措施，同時小升角、高速進給速度是實現(xiàn)小間隙精密電解拉削加工的關(guān)鍵措施。

2 試驗裝置與試驗參數(shù)

在電解拉削加工中，為了保證電解液順利進入加工間隙，同時保證工件和工具的精準定位，設(shè)計了如圖3所示的工裝夾具。

圖3 加工夾具示意圖

陰極前端與前導(dǎo)流段通過過盈配合連接在一起，陰極后端套上后導(dǎo)流段，前導(dǎo)流段和后導(dǎo)流段均采用絕緣材料制造而成，通過前導(dǎo)流段和定位圓柱的軸孔緊密配合來實現(xiàn)陰極的準確定位。電解液從前導(dǎo)流段上的槽中流過，電解液的流動方向如圖3所示。

陰極加工部分為一個圓錐面的一部分，大端直徑d1為10.2 mm，小端直徑d2為9.8 mm，陰極加工段長度為10 mm，升角α滿足tanα=0.02。

對陰極和工件進行測量，測量方法如圖4所示。對于工件，在起始測量點做好標(biāo)記，測量方向從上方看為逆時針方向，分別選擇深度為5 mm、10 mm、15 mm的測量平面進行測量。陰極的測量方法和工件的測量方法一致，選擇陰極直徑最大和最小處進行測量，加工完成后對工件再次進行測量，測量的起始點和方法不變。通過測量發(fā)現(xiàn)，陰極最大直徑處的圓度誤差為0.012 mm，加工前工件的平均圓度誤差約為0.05 mm。

圖4 三坐標(biāo)測量示意圖

本文所選用的被加工工件材料為304不銹鋼，電解液使用質(zhì)量分數(shù)為20%的NaNO3溶液，電解液的進口壓力為0.8 MPa,溫度維持在(30±0.5)℃，加工電壓為直流20 V。

3 精密電解拉削擴孔試驗及其分析

進行精密電解拉削擴孔的試驗工件為外徑30 mm，內(nèi)孔直徑10 mm，工件長度為10 mm，進給速度分別選取20 mm/min、30 mm/min、40 mm/min、50 mm/min、60 mm/min、70 mm/min、80 mm/min、90 mm/min、100 mm/min、110 mm/min和120 mm/min進行精密電解拉削擴孔試驗。試驗完成后，對加工完成的工件進行測量，測量完成后將工件切開，切開后的工件如圖5所示。

圖5 不同速度下加工的工件

在加工過程中，利用信號采集儀記錄試驗過程的電流變化，電流變化曲線如圖6所示。當(dāng)速度為20 mm/min時，最大加工電流為174 A，此時電流密度約為55.4 A/cm2；速度增加到120 mm/min時，最大加工電流也增加到590 A，電流密度約為187.9 A/cm2，整個加工過程電流變化呈梯形狀，與實際的加工情況相吻合。

加工間隙對電解加工的加工精度起到了決定性作用，初始加工間隙和最終加工間隙變化曲線如圖7所示。當(dāng)速度為20 mm/min時，最終加工間隙遠大于初始加工間隙，隨著加工速度的逐漸增大，最終加工間隙逐漸縮小,加工速度為120 mm/min時，實現(xiàn)了約0.1 mm的加工間隙。

圖6 電解拉削擴孔電流

圖7 初始和最終加工間隙

分別測量加工前后工件的圓度誤差，如圖8所示。加工前工件的圓度誤差約為0.05 mm，加工后偏差大幅度減小。隨著加工速度的增加，加工后工件的圓度誤差也減小，當(dāng)速度增加到最大進給速度時，加工后工件的圓度誤差為0.0152 mm，工件的圓度得到了很大程度的提高。

圖8 不同加工速度下的圓度誤差

通過之前的試驗和分析結(jié)果可知，進給速度越快，精密電解拉削的加工質(zhì)量越好。所以在120 mm/min的速度下加工多個工件，試驗保證其他的加工參數(shù)與之前的試驗一致。在加工前后分別對工件的圓周偏差分布進行測量，加工前后的測量起點和測量方法保持一致，分析工件加工前后的圓周誤差分布規(guī)律(圖9)。從圖9中可以看出(本刊黑白印刷，如有疑問可咨詢作者)，加工前工件的圓周偏差約為0.05 mm，且分布是無規(guī)律的，加工后工件在圓周方向上的偏差大幅減小，工件的偏差約為0.0152 mm,陰極的偏差為0.012 mm，且工件在圓周方向上的偏差走勢與陰極保持一致。將加工后工件的偏差與陰極的偏差進行比較，發(fā)現(xiàn)最大正偏差為0.01 mm，最大負偏差為-0.007 mm，精密電解拉削的復(fù)制精度很高。

圖9 加工前后工件圓周偏差分布

加工后分別測量深度為5 mm處直徑Φ1和15 mm處的直徑Φ2，用深度5 mm處的直徑減去深度15 mm處的直徑，測量情況如表1所示。從表中可以看出，加工后深度5 mm處直徑總大于深度15 mm處的直徑，這是因為深度5 mm處的截面先加工完成，受到邊緣電場的作用時間長，所以直徑更大。隨著速度的增加，直徑的差值逐漸減小。速度為20 mm/min時，直徑差值為0.0063 mm,速度為120 mm/min時，直徑差值為0.0029 mm。所以精密電解拉削加工的工件截面一致性好，可以獲得更高精度的輪廓度。

表1 截面一致性分析表

表面粗糙度是衡量加工零件表面質(zhì)量的重要參數(shù)之一。為了研究精密電解拉削擴孔后的表面粗糙度，對加工后的工件表面粗糙度進行了測量，每個工件取3個不同位置進行測量，然后取平均值，得到不同加工速度與表面粗糙度的關(guān)系。不同加工速度加工的工件表面粗糙度值如圖10所示。隨著加工速度的加快，表面粗糙度值由0.77 μm逐漸降至0.37 μm，加工速度越快，表面質(zhì)量越好。

圖10 加工速度和表面粗糙度關(guān)系

利用工具顯微鏡觀察下加工前后工件的表面情況，工件加工前后的表面情況如圖11所示。

圖11 加工前后工件表面形貌

為了探究精密電解拉削加工尺寸的可重復(fù)性，在相同的加工參數(shù)下進行了5組重復(fù)性實驗，對加工后的工件尺寸進行測量，進行比較分析后獲得精密電解拉削擴孔的尺寸可重復(fù)性，試驗的加工速度為120 mm/min，其他加工參數(shù)與之前的試驗保持一致。對相同加工參數(shù)下加工出來的零件進行了測量，測量結(jié)果如表2所示。

表2 加工后的工件內(nèi)孔直徑單位：mm

由表2可知加工前5 mm處最大直徑為10.4305 mm，最小直徑為10.4248 mm，直徑的尺寸偏差為0.0057 mm，約為6 μm；加工后15 mm處最大尺寸為10.4298 mm，最小尺寸為10.4236 mm，直徑的尺寸偏差為0.0062 mm，約為6 μm，所以精密電解拉削這一加工工藝的尺寸可重復(fù)性很高。

4 結(jié)語

1)小升角和高速使得電解拉削可以實現(xiàn)小間隙高速加工，在120 mm/min加工速度下實現(xiàn)了電解拉削加工間隙約為0.1 mm的穩(wěn)定加工狀態(tài)。

2)不同速度下的精密電解拉削擴孔試驗，驗證了在高速、小間隙的加工狀態(tài)下，精密電解拉削具有較強的整平能力，加工完成的工件表面粗糙度、圓度誤差都得到了顯著改善，且加工速度越快，電解加工的質(zhì)量也越好。

3)小間隙高速精密電解拉削可以獲得較高的重復(fù)精度，在相同的加工條件下擴內(nèi)徑為10 mm的孔，材料為304不銹鋼，加工后的輪廓重復(fù)誤差僅為6 μm。