張如東，胡孝昀，曾永彬

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

微細(xì)電解線切割技術(shù)是一種以微米級(jí)金屬絲作為陰極，基于電化學(xué)陽(yáng)極溶解原理，配合簡(jiǎn)單的數(shù)控運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極工件切割的特種加工技術(shù)[1]。在繼承了微細(xì)電解加工特點(diǎn)的同時(shí)，微細(xì)電解線切割技術(shù)還具有如下優(yōu)點(diǎn)：①用微細(xì)金屬絲代替成形陰極，節(jié)約了陰極制備時(shí)間，降低了加工成本；②配合復(fù)雜的數(shù)控運(yùn)動(dòng)，能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的二維形狀微小零件的加工；③可實(shí)現(xiàn)高深寬比微小零件的加工[2-5]。Shin等[6]采用直徑10μm鎢絲電極進(jìn)行電解線切割研究，在工件和工具電極之間用超短脈沖電壓來(lái)減小側(cè)面間隙，最后通過(guò)優(yōu)化的加工參數(shù)在不銹鋼板上加工出多種微結(jié)構(gòu)。王昆等[7-8]探究了納秒脈沖電流微細(xì)電解線切割的加工機(jī)理，建立了微細(xì)電解線切割加工的數(shù)學(xué)模型；同時(shí)搭建了加工試驗(yàn)系統(tǒng)，采用直徑10μm電極絲在30μm厚的鎳片上加工出具有90°直角的微結(jié)構(gòu)，縫寬控制在30μm左右。徐坤等[9]采用陰極往復(fù)運(yùn)絲與陽(yáng)極微幅振動(dòng)相結(jié)合的方法來(lái)減小工件的表面粗糙度值。Debnath等[10]通過(guò)建模分析了占空比和電壓對(duì)微細(xì)電解線切割的影響。Tayade等[11]使用微細(xì)電解線切割技術(shù)在鈦合金上成功加工出了微溝槽。Sharma等[12]采用微細(xì)電解線切割技術(shù)在圓柱旋轉(zhuǎn)軸上實(shí)現(xiàn)了螺紋結(jié)構(gòu)加工。童品周等[13]提出多層工件疊加微細(xì)電解線切割加工方法，進(jìn)行了電場(chǎng)仿真，建立了電路模型并采用線電極往復(fù)運(yùn)絲的方式增強(qiáng)傳質(zhì)，用高頻脈沖電源在3J53恒彈性合金工件上加工微懸臂梁結(jié)構(gòu)，總加工速度顯著提高。徐文浩等[14]提出多線電極多層工件疊加電解線切割加工方法，進(jìn)一步提高了微細(xì)電解線切割的加工效率。

當(dāng)前微細(xì)電解線切割普遍采用將電極絲裝在絲塊上進(jìn)行加工的方法，這樣就不可避免地產(chǎn)生了一個(gè)問(wèn)題：必須從工件的邊緣“切”進(jìn)去以進(jìn)行加工。如此，盡管可以滿足大多數(shù)零件的加工要求，但無(wú)法加工輪廓封閉的零件。與單向走絲機(jī)床用自動(dòng)穿絲機(jī)構(gòu)以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿絲不同，微細(xì)電解線切割加工平臺(tái)結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，線電極直徑小至幾微米，難以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穿絲，所以需探究一種操作方便的打孔穿絲方法來(lái)實(shí)現(xiàn)輪廓封閉零件的加工。本文采用高頻脈沖電源，使用直徑25μm的鎢絲在510μm厚的9Cr18Mo不銹鋼材料上進(jìn)行打孔試驗(yàn)，采用納秒脈沖電源進(jìn)行微細(xì)電解線切割試驗(yàn)。輔助線電極往復(fù)運(yùn)絲和橫向沖液，采用單因素試驗(yàn)研究電源電壓、頻率、占空比、電解液濃度和進(jìn)給速度對(duì)加工精度的影響，同時(shí)探討影響微縫截面倒圓大小的因素。

1 加工原理與試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 加工原理

本試驗(yàn)采用線電極往復(fù)運(yùn)動(dòng)和橫向沖液強(qiáng)化傳質(zhì)，其加工原理如圖1所示。工件浸沒(méi)在電解液中，線電極接納秒脈沖電源負(fù)極、工件接正極，陽(yáng)極工件材料失電子變?yōu)殡x子進(jìn)入電解液，溶液中的H+得電子變?yōu)闅錃庠陉帢O線電極上析出。線電極按照預(yù)先設(shè)好的路徑勻速進(jìn)給，加工出想要的輪廓結(jié)構(gòu)。線電極依靠表面粘性將加工產(chǎn)物帶離加工間隙，橫向沖液再將其沖離工件表面，將新鮮的電解液帶進(jìn)加工區(qū)，從而保證加工過(guò)程的穩(wěn)定。

圖1 加工原理示意圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)

圖2是試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖，該試驗(yàn)平臺(tái)包括運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、觀察系統(tǒng)、電解槽及裝夾工具、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、脈沖電源和電解液循環(huán)系統(tǒng)。工控機(jī)1連接運(yùn)動(dòng)控制卡控制機(jī)床三個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)，三個(gè)PI軸進(jìn)行X、Y、Z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)給精度可達(dá)0.1μm，X、Y軸實(shí)現(xiàn)二維平面運(yùn)動(dòng)，Z軸往復(fù)運(yùn)動(dòng)加強(qiáng)傳質(zhì)效果。工控機(jī)2連接CCD相機(jī)用來(lái)實(shí)時(shí)觀察加工過(guò)程；納秒脈沖電源正極接工件、負(fù)極接線電極，示波器用來(lái)監(jiān)測(cè)加工時(shí)的電流或電壓變化情況。當(dāng)加工出現(xiàn)短路情況時(shí)，電流會(huì)突然增大，通過(guò)觀察示波器波形可以發(fā)現(xiàn)加工過(guò)程是否短路，以便及時(shí)做出調(diào)整。

圖2 試驗(yàn)系統(tǒng)示意圖

圖3是陰極夾具示意圖，可實(shí)現(xiàn)打孔穿絲工藝。首先將電極絲穿過(guò)兩根銅管，其中一根銅管與電極絲端部固結(jié)用于在工件上打孔，另一根銅管用作加工時(shí)的導(dǎo)絲器；打孔完成后，直接牽引固結(jié)的銅管穿過(guò)打好的孔，電極絲也就跟著穿過(guò)孔；之后在固結(jié)的銅管上懸掛重物，可保證電極絲在一個(gè)方向上保持豎直向下；最后固定電極絲的兩端并施加一定的預(yù)緊力，再通過(guò)CCD相機(jī)矯直電極絲的另一個(gè)方向使其豎直向下，以進(jìn)行后續(xù)切割。

圖3 陰極夾具示意圖

1.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

首先采用直徑200μm的銅管在厚度510μm的9Cr18Mo不銹鋼上進(jìn)行打孔試驗(yàn)，然后進(jìn)行穿絲，在NaNO3溶液中再以直徑25μm的鎢絲作為線電極進(jìn)行微細(xì)電解線切割加工試驗(yàn)。加工過(guò)程中，線電極以1.8 Hz的頻率、0.7 mm的振幅進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，同時(shí)采用橫向沖液的方法強(qiáng)化傳質(zhì)效果。

本文主要探究電解液濃度、電參數(shù)和進(jìn)給速度對(duì)微細(xì)電解線切割切縫質(zhì)量的影響，電參數(shù)主要包括電源電壓、頻率、占空比等，每個(gè)影響因素取4個(gè)水平進(jìn)行單因素試驗(yàn)。在每條切縫上取3個(gè)位置測(cè)縫寬值，取其平均值為切縫的平均縫寬，分析5個(gè)因素對(duì)切縫縫寬的影響；同時(shí)，初步探討其對(duì)截面倒圓大小的影響，綜合考慮后確定切割試驗(yàn)的最優(yōu)參數(shù)。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 電解打孔

圖4是采用不同條件對(duì)直徑200μm的黃銅管進(jìn)行電解打孔得到的孔形貌。起初采用納秒脈沖電源進(jìn)行加工，其功率較小、加工精度高，結(jié)果發(fā)現(xiàn)隨著銅管不斷向下進(jìn)給，電解產(chǎn)物排出愈發(fā)困難，最終導(dǎo)致短路（圖4a），故采用功率更大的高頻脈沖電源進(jìn)行試驗(yàn)，加工參數(shù)見(jiàn)表1，并且采用橫向沖液的方法促進(jìn)電解產(chǎn)物的排出，加工后的孔形貌見(jiàn)圖4b，可見(jiàn)加工的孔圓度較好、孔徑較小，可滿足下一步穿絲切割的要求。

表1 打孔參數(shù)

圖4 加工的孔形貌

由于加工的孔只是為了穿絲并進(jìn)行電解線切割加工，最終還會(huì)切掉，所以對(duì)孔的質(zhì)量要求不高，在保證能加工的基礎(chǔ)上應(yīng)盡可能提高進(jìn)給速度來(lái)提高射流片的加工效率。

2.2 微細(xì)電解線切割加工

為探究各因素對(duì)電解線切割加工的影響規(guī)律，采用單因素對(duì)比試驗(yàn)進(jìn)行研究，參數(shù)選取見(jiàn)表2。固定電源頻率1000 kHz、占空比30%、電解液質(zhì)量濃度2 g/L、進(jìn)給速度1μm/s，不同電壓下試驗(yàn)得到的縫寬見(jiàn)圖5?？梢?jiàn)，隨著電源電壓增加，工件切縫平均寬度增加，這是由于隨著電源電壓增大，加工間隙電流密度變大，使得加工區(qū)電解反應(yīng)速度變快，工件在單位時(shí)間內(nèi)的蝕除量變大，切縫的平均縫寬隨之變大。

表2 試驗(yàn)參數(shù)選取

圖5 電源電壓對(duì)縫寬的影響

固定電壓14 V、占空比30%、電解液質(zhì)量濃度2 g/L、進(jìn)給速度1μm/s，不同電源頻率下試驗(yàn)得到的縫寬見(jiàn)圖6?？梢?jiàn)，隨著電源頻率增加，工件切縫平均寬度減小，這是由于在占空比一定的條件下，脈沖寬度越小，單位脈沖周期內(nèi)工件的蝕除量減小，工件切縫平均寬度隨之減小。

圖6 電源頻率對(duì)縫寬的影響

固定電壓14 V、電源頻率500 Hz、電解液質(zhì)量濃度2 g/L、進(jìn)給速度1μm/s，不同占空比下試驗(yàn)得到的縫寬見(jiàn)圖7?？梢?jiàn)，隨著電源占空比增加，工件切縫平均寬度增大，這是由于占空比越大，脈沖寬度越大，脈沖電流在一個(gè)脈沖周期中的導(dǎo)通時(shí)間越長(zhǎng)，工件在單位時(shí)間內(nèi)的電解蝕除量變大，切縫的平均縫寬隨之變大。當(dāng)占空比為20%時(shí)，頻繁發(fā)生短路，導(dǎo)致無(wú)法加工。

圖7 占空比對(duì)縫寬的影響

固定電壓14 V、電源頻率500 Hz、占空比50%、進(jìn)給速度1μm/s，不同電解液質(zhì)量濃度下試驗(yàn)得到的縫寬見(jiàn)圖8?？梢?jiàn)，隨著溶液濃度增加，工件切縫平均寬度增大，這是由于隨著溶液濃度增加，電解液電導(dǎo)率變大，電解反應(yīng)速度增加，單位時(shí)間內(nèi)的工件材料蝕除量變大，切縫的平均縫寬隨之增加。

圖8 電解液質(zhì)量濃度對(duì)縫寬的影響

固定電壓14 V、電源頻率500 Hz、占空比50%、電解液質(zhì)量濃度4 g/L，不同進(jìn)給速度下試驗(yàn)得到的縫寬見(jiàn)圖9?？梢?jiàn)，隨著進(jìn)給速度增加，切縫平均縫寬逐漸減小，這是由于線電極在加工軌跡上單位距離的電解反應(yīng)時(shí)間變短，工件材料蝕除量減小，切縫平均縫寬隨之減小。

圖9 進(jìn)給速度對(duì)縫寬的影響

2.3 切縫質(zhì)量

判斷切縫加工質(zhì)量好壞的依據(jù)除了縫寬、標(biāo)準(zhǔn)差外，還有一個(gè)關(guān)鍵因素就是截面倒圓的大小，其關(guān)乎到切縫的形狀精度，因此要將截面倒圓控制在一個(gè)合適的范圍內(nèi)。表4是探究切縫倒圓大小的加工參數(shù)，采用納秒脈沖電源，電解液為NaNO3溶液。

表4 切縫參數(shù)

圖10 是不同參數(shù)條件下得到的切縫截面，可見(jiàn)經(jīng)參數(shù)優(yōu)化后，切縫截面的倒圓大小有了明顯減小，截面倒圓半徑由23.59μm減小到11.45μm，有了很大改善。

圖10 不同參數(shù)條件下的切縫截面

經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)，倒圓過(guò)大的主要原因是溶液電導(dǎo)率過(guò)大，工件上下表面尖邊腐蝕現(xiàn)象嚴(yán)重，故需降低溶液的電導(dǎo)率，即通過(guò)降低溶液濃度來(lái)減小尖邊腐蝕，從而減小截面倒圓的大小。圖11是采用第4組參數(shù)加工的切縫，可看出切縫加工均勻，經(jīng)測(cè)量縫寬為60.7μm。

圖11 切縫形貌

3 封閉輪廓圖形的加工

由于加工整個(gè)圖形需要較長(zhǎng)時(shí)間，這對(duì)加工參數(shù)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。根據(jù)上述參數(shù)優(yōu)化結(jié)果，采用電壓17 V、頻率1000 kHz、占空比30%、進(jìn)給速度1.2μm/s的條件進(jìn)行加工，加工過(guò)程穩(wěn)定，無(wú)短路現(xiàn)象，加工得到的各封閉輪廓圖形如圖12所示，可見(jiàn)加工質(zhì)量較好，切縫一致性較高。

圖12 封閉輪廓圖形

4 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)封閉輪廓圖形的電解線切割加工，提出一種打孔穿絲一體化的電解線切割方法，設(shè)計(jì)了打孔穿絲方法的陰極裝夾夾具，通過(guò)單因素參數(shù)試驗(yàn)，分析電源電壓、電源頻率、占空比、電解液濃度和進(jìn)給速度對(duì)切縫縫寬的影響，確定在電解液質(zhì)量濃度2 g/L、電壓17 V、電源頻率1000 kHz、占空比30%、進(jìn)給速度1.2μm/s時(shí)加工切縫的截面倒圓最小，切縫質(zhì)量較好，在此最優(yōu)參數(shù)組合下加工的封閉輪廓圖形質(zhì)量較好，切縫一致性較高。