李 博，魏同學(xué) ，王 崗，楊 森

(1.西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710600；2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710021)

0 前 言

電化學(xué)加工(ECM)具有效率高、表面質(zhì)量好、無應(yīng)力、無陰極磨損等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空航天、軍事裝備、汽車工業(yè)等行業(yè)中復(fù)雜零件的最佳制造方法之一[1-3]。如何提高加工效率和精度，降低表面粗糙度，優(yōu)化加工參數(shù)，將電化學(xué)加工與其他技術(shù)相結(jié)合以提高加工性能，是目前國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。超聲振動(dòng)輔助電化學(xué)加工和磁場(chǎng)輔助電解加工均可提高加工精度和質(zhì)量[4]。采用電化學(xué)放電加工(ECDM)技術(shù)可加工難切削鋼[5]。采用電化學(xué)機(jī)械拋光法可對(duì)太陽(yáng)能電池材料進(jìn)行加工[6]。電化學(xué)鉆孔加工、脈沖電解加工、電化學(xué)微加工等都在制造業(yè)中得到了應(yīng)用[6，7]。Rajurkar等[8]發(fā)現(xiàn)，流場(chǎng)是電解加工的重要因素之一。采用有限元方法進(jìn)行電解加工可以降低成本[8]，縮短陰極設(shè)計(jì)周期，提高加工效率。由于電極間隙對(duì)于實(shí)現(xiàn)電化學(xué)加工的精密加工也十分重要，因此有學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了研究[9]。電化學(xué)加工鈦合金、鎳基材料、碳化鎢合金等高硬度材料、電解質(zhì)類型、電解質(zhì)流場(chǎng)和電解質(zhì)濃度是影響精度的重要因素。

關(guān)于鈦合金、高溫合金、碳鋼的電化學(xué)加工，文獻(xiàn)[10]給出了許多推薦的電解液配方，由于相關(guān)實(shí)驗(yàn)論證較少，若用上述電解液對(duì)特種不銹鋼進(jìn)行電化學(xué)加工時(shí)頻頻發(fā)生短路。本工作從材料的成分和組織分析了該材料難電解的原因，以NaNO3和NaClO3為基，加入某些活性成分，進(jìn)行了復(fù)合電解液配方的研制，探討了電壓、進(jìn)給速度對(duì)加工材料去除率、側(cè)向間隙的影響，給出了適宜于該種難加工材料的電解液配方和適宜的工藝參數(shù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

本試驗(yàn)設(shè)計(jì)以電解液的成分、電解液的濃度、電壓、速度以及電解液壓力為因素，實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖钦业剿俣刃首罡?、不出現(xiàn)短路的電解液和加工參數(shù)，每組試驗(yàn)重復(fù)2次。電化學(xué)加工實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

在整個(gè)過程中，工件是靜止的。陰極在主軸的帶動(dòng)下做上下運(yùn)動(dòng)。由于黃銅的導(dǎo)電性能要遠(yuǎn)好于不銹鋼，故所設(shè)計(jì)的電化學(xué)加工陰極的材料選用黃銅。根據(jù)電解加工一般工藝要求及試驗(yàn)的條件[9]，加工參數(shù)如表1所示。

表1 加工參數(shù)Table 1 Machining parameters

1.2 電解液及工藝參數(shù)的設(shè)計(jì)

1.2.1 電解液

從電解液成分考慮，特種不銹鋼材料中的鈦、鉬、鎳的電解需要Cl-，擬采用NaCl做電解液。NaCl電解液活性高，分散能力強(qiáng)，但是NaCl的腐蝕性很強(qiáng)，故選用NaClO3和NaNO3復(fù)合配方，通過對(duì)比試驗(yàn)，進(jìn)行成分篩選及其濃度的確定[10]。為保證電化學(xué)加工的成型精度和重復(fù)精度，還應(yīng)維持加工過程中電解液濃度不變。而電解液是循環(huán)使用的，隨著加工的進(jìn)行，電化學(xué)反應(yīng)的蝕除產(chǎn)物不斷地在電解液中積累，因此電解液槽要有足夠大的容積，并且需要及時(shí)地處理產(chǎn)物、定期添加溶質(zhì)和溶劑。

1.2.2 加工電壓和電流密度

加工電壓須根據(jù)加工的對(duì)象的材料、形狀、面積選定。電化學(xué)加工的加工電壓是工件陽(yáng)極和工具陰極之間的電位差，電源電壓克服了極間歐姆壓降和電極的極化電阻后在極間形成電場(chǎng)，對(duì)陰陽(yáng)兩極提供電化學(xué)反應(yīng)所需要的能量。實(shí)驗(yàn)表明，電壓每升高1 V，型腔側(cè)面的加工尺寸要擴(kuò)大0.075～0.125 mm[11，12]。在電壓一定的條件下，要提高電流密度，必然需要通過提高進(jìn)給速度的方法來實(shí)現(xiàn)，則加工間隙隨之減小，同時(shí)，陽(yáng)極金屬溶解量和陰極析出的氫氣均會(huì)增多，間隙的電阻率增大，散蝕能力減小使電解液的臨界間隙減小，有利于提高加工的復(fù)制精度，一般情況下，電流密度愈大，加工間隙越小，表面粗糙度Ra值愈小。

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

表2為特種不銹鋼的化學(xué)成分。由表2可知，特種不銹鋼材料中含有Ti、Mo、Ni、Cr、Fe、Mn等元素，不同元素的溶解需要不同的電極電位。不同的加工對(duì)象在不同的工藝和設(shè)備條件下的電壓是不同的，一般加工對(duì)象為型孔的工件，加工電壓一般選范圍12～20 V，因此選擇合適的電解液是至關(guān)重要的。

表2 特種不銹鋼化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) %Table 2 Chemical composition of special stainless steel (mass fraction) %

NaNO3、NaClO3和NaCl用作電解質(zhì)溶液。NaCl電解液加工時(shí)，電流密度極化曲線隨著電極的電位增大而線性增大，電流效率一直接近100%，它是一種線性電解質(zhì)。NaClO3和 NaNO3電解液加工時(shí)，電流密度極化曲線具有活化-鈍化-超鈍化的非線性特性，它是鈍性非線性電解質(zhì)。NaClO3比 NaNO3和 NaCl 貴。依據(jù)文獻(xiàn)[10]里提出的電解加工鐵基合金、硬質(zhì)合金、鎳基合金、鈷基合金及鋁基合金電解液的配方，但在加工特種不銹鋼時(shí)頻頻出現(xiàn)短路現(xiàn)象，因此，考慮使用 NaCl 、NaNO3和NaClO3混合電解液配方，試驗(yàn)結(jié)果如表3所示，每種電解液配方，陰極的最大移動(dòng)速度都有限定值，否則加工過程會(huì)短路。

表3 電解液成分及陰極移動(dòng)速度Table 3 Electrolyte composition and cathode moving speed

整個(gè)電解加工試驗(yàn)核心設(shè)計(jì)如圖2所示。在加工過程中，夾具必須緊固試驗(yàn)工件，陰極隨數(shù)控機(jī)床主軸按照一定的程序?qū)α慵M(jìn)行蝕除，試驗(yàn)所選用的特種不銹鋼試件的厚度為15 mm，試驗(yàn)過程零件的加工深度以10 mm為參考值。

2 結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)一

選取濃度為10% NaCl+5% NaNO3的電解液，初始間隙為0.4 mm，溫度為15 ℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4。

表4 復(fù)合電解液部分實(shí)驗(yàn)記錄Table 4 Experimental records of composite electrolyte

(續(xù)表4)

2.2 試驗(yàn)二

選取濃度為16% NaNO3+1%NaClO3的復(fù)合電解液，初始間隙為0.4 mm，溫度為15 ℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5。

表5 復(fù)合電解液實(shí)驗(yàn)部分實(shí)驗(yàn)記錄表Table 5 Experimental records of composite electrolyte

2.3 試驗(yàn)三

選取濃度為10%NaCl+6% NaNO3+2% NaClO3的復(fù)合電解液，初始間隙為0.4 mm，溫度為15 ℃，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6所示。

表6 復(fù)合電解液實(shí)驗(yàn)記錄表Table 6 Experimental records of composite electrolyte

2.4 零件表面分析

圖3為3組不同電解液配方試驗(yàn)加工后的零件實(shí)物圖，基于電化學(xué)加工的主要工藝指標(biāo)為加工精度和表面質(zhì)量，由圖可知試驗(yàn)一零件加工表面燒傷嚴(yán)重，且整體加工凹槽形狀輪廓不規(guī)整，渦道中心凸起較大；試驗(yàn)二零件加工過程中時(shí)有短路情況發(fā)生，凹槽形狀輪廓相對(duì)清晰，渦道中心凸起相對(duì)較小，短路后零件不能被繼續(xù)加工，試驗(yàn)三零件凹槽輪廓清晰，中心渦道凸起最小，加工表面質(zhì)量好。

圖4為3種不同濃度電解液配方加工后的工件表面形貌，通過設(shè)備儀器觀察零件表面的形貌，可以清楚地觀察到，試驗(yàn)一加工的零件(圖4a)表面質(zhì)量最差，工件表面呈樹皮狀，燒蝕嚴(yán)重，試驗(yàn)二加工的零件(圖4b)表面質(zhì)量次之，零件表面存在點(diǎn)狀腐蝕現(xiàn)象，試驗(yàn)三加工的零件(圖4c)相對(duì)于前兩者，表面質(zhì)量最好，零件表面無麻點(diǎn)，表面粗糙度值Ra達(dá)0.38 μm。

2.5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

試驗(yàn)一為10% NaCl+5% NaNO3的復(fù)合電解液，加工過程中在電壓為16 V，進(jìn)給速度為0.2～0.4 mm/min，在電解液壓力為0.5 MPa的參數(shù)下，試件正常加工，但特種不銹鋼材料經(jīng)過加工后表面腐蝕嚴(yán)重，其余工藝參數(shù)下加工中心渦道形狀被燒蝕，表面質(zhì)量極差，加工極不穩(wěn)定，因此不能適用于生產(chǎn)加工。

試驗(yàn)二為16% NaNO3+1%NaClO3的復(fù)合電解液，在電壓為20 V，進(jìn)給速度為0.4～1.0 mm/min，在電解液壓力為0.5 MPa參數(shù)下，或在電壓為24 V，進(jìn)給速度為0.6～1.2 mm/min，電解液壓力為0.5 MPa的參數(shù)下，試件正常加工，工件經(jīng)過加工后表面質(zhì)量較好，雜散腐蝕相對(duì)第一組試驗(yàn)中的較少，整個(gè)加工試驗(yàn)過程中陰極短路情況有所減少，材料表面燒蝕現(xiàn)象也有所減少，但加工效率仍舊達(dá)不到要求，實(shí)際批量零件加工不可行。

試驗(yàn)三為10%NaCl+6% NaNO3+2%NaClO3的復(fù)合電解液，在電壓為14 V，進(jìn)給速度為0.8～3.0 mm/min，電解液壓力為0.5～0.6 MPa的參數(shù)下，工件經(jīng)過加工后的表面相對(duì)第一組和第二組的比較光滑，加工后圓凸臺(tái)渦道高度差最小，加工穩(wěn)定且加工效率較前兩組有明顯提高。

3 結(jié) 論

結(jié)合表3～表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，從加工穩(wěn)定性、加工效率、加工后零件的表面質(zhì)量等方面綜合考慮，采用10%NaCl+6%NaNO3+2% NaClO3的復(fù)合電解液，在工況試驗(yàn)電壓14 V，進(jìn)給速度3.0 mm/min，電解液壓力0.6 MPa的工藝參數(shù)下，加工效率高，特種不銹鋼電化學(xué)加工工件材料蝕除速度最快，表面質(zhì)量好，加工精度高，滿足實(shí)際批量生產(chǎn)加工。