超声电解复合加工（通用3篇）
超声电解复合加工 篇1
摘要：为解决电解加工深小孔中电解液难以进入加工区和电解产物难以排出的问题,构建了内喷式旋转超声电解复合加工装置,进行了电解加工、旋转电解加工和旋转超声电解复合加工小孔的对比试验。试验结果表明,阴极旋转能明显提高孔的圆度,旋转超声电解复合加工具有最大的平均加工电流,所加工孔的直径、深度都为三者中最大,表明其材料去除率是最大的。在此基础上,利用有限元ANSYS CFX软件,建立了气液两相流三维气穴模型,分析了阴极旋转和阴极高频振动对电解加工流场、电场的影响。仿真结果表明:阴极旋转使得气泡在阴极表面聚集,不利于气泡的排出,阴极振动加速了电解液的运动,有利于气泡的排出,因此具有最大的材料去除率。
关键词：旋转超声电解复合加工,小孔,有限元仿真,流场
0 引言
目前,国内外对小孔尚未有明确的定义,通常将直径范围在0.5~3.0mm的孔统称为小孔。现阶段小孔加工,特别是难加工材料的小孔加工,一直处于技术瓶颈[1]。激光、电火花等特种加工方法虽然能够实现小孔加工,但加工后表面留有再铸层,影响零件性能和使用寿命。电解加工的零件表面无应力、无再铸层影响,但对于管型小孔电解加工,因电解液压力过高,使得阴极振动,影响加工效果,且电解液难以进入加工区,采用高电流密度电解加工,势必使得加工尺寸和加工精度可控性差。因此,国内外开展了超声加工与电解加工的复合工艺研究,并取得一定的实用性进展。Ruszaj等[2]将工具阴极的超声振动引入到电解加工当中,大大提高了加工表面质量。Hewidy等[3]研究了低频振动的电解加工,结果表明:应用低频振动改变加工间隙内的物理状态,是提高加工精度和加工表面质量的有效手段之一。Bhat-tacharyya等[4]开发了微型工具振动系统用于微细电解加工,研究了振动频率、振幅、电解液浓度对小孔加工精度、材料去除率的影响。南京航天航空大学在超声电解复合加工技术领域开展了基础性研究,利用自行研制的变幅杆和不同截面的微细阴极工具进行了一系列超声电解复合微细加工基础试验,初步证实了这种复合技术的可行性和优点[5,6,7,8,9]。因而,针对以上小孔电解加工所存在的不足,结合超声振动有利于电解液的更新、电解产物的排除以及破坏钝化膜的特点,本文构建了内喷式旋转超声电解复合加工装置,并运用有限元ANSYS CFX软件分析了阴极旋转和阴极高频振动下加工间隙内的流场、电场变化情况。
1 试验装置
1.1 旋转超声电解复合加工装置
现阶段,小孔和深小孔的电解加工中,电解液不能充分进入加工区,使得加工不能正常进行,加工产物不能及时排出,极大地影响了加工速度和加工质量,电解液采用内喷方式可以解决电解液进入加工区的问题,而阴极超声高频振动能有效地排出加工产物[2,3,4,6,10],因此本文设计了实现电解液内喷的超声电解复合加工装置。该装置主要包括机械本体、旋转振动系统、电解液系统和控制系统等。其中,内喷式旋转超声振动系统是该装置设计的关键技术。其结构示意图见图1,换能器和变幅杆是旋转振动系统的核心部件,其结构直接影响到旋转振动系统的旋转速度和回转精度,而内喷式旋转超声电解复合加工中,换能器和变幅杆都处于高频振动中,因而,各部件之间的连接直接影响到超声振动系统的正常工作。
1.工件2.变幅杆3.轴承4.调心螺母5.旋转内腔6.电刷组件7.后端盖8.不锈钢导液管9.带轮10.外腔11.压电陶瓷12.电极片13.旋转基座14.前端盖15.阴极16.ER11夹具
超声振动系统工作原理如图1所示,不锈钢导液管一端连接旋转接头,另一端连接换能器,从而将电解液经旋转接头、不锈钢导液管、换能器、变幅杆、工具阴极进入到加工区,实现内喷,旋转内腔、旋转基座在变幅杆法兰处通过螺钉锁紧连接,形成旋转主轴。主轴的带轮与直流电机上的带轮连接,实现主轴旋转,其旋转精度可以通过调心螺母实现回转精度的调节,工具阴极采用高精度ER11螺母和弹性夹头夹持。超声电源和电解电源为不同类型的电源,相互不影响,因而,超声电源与电解电源通过电刷滑环组件连接在压电陶瓷的两个电极片上和变幅杆上,旋转振动系统与系统支架在连接处采用绝缘橡胶隔离,这样保证了旋转振动系统与机械本体、支架绝缘。所设计的超声振动系统体积小,质量轻,旋转阻尼小,其超声波频率为20±1kHz,振幅为40~80μm,转速为0~3000r/min连续可调,回转精度不大于0.02mm。
1.2 对比试验
本文分别进行了电解加工(ECM)、旋转电解加工(RECM )、旋转超声电解复合加工(RUECM)的对比试验,其试验材料及电解液参数如表1所示。分别对工件进行了2min、4min、6min和8min的加工试验。试验加工参数如下:加工电压12V,初始端面间隙0.4mm,进给速度0.6mm/min;电解液压力0.5 MPa;旋转速度1200r/min;振幅50μm。对加工过程中的电流进行采集,图2为加工8min时所采集的电流数据,其中,旋转超声电解复合加工过程中,加工电流值最大。表2分别为三种加工方法在不同加工时间段的加工孔入口直径和孔深度。从表2 可以看出,旋转超声电解复合加工在各时段入口直径和加工深度均为最大。试验过程中,仅有旋转超声电解复合加工过程中出现火花,其原因可能是在加工过程中阴极与孔中心的突起部分接触所致。图3为三种加工方法所加工的小孔在8倍体视显微镜下的放大图,从图中可以明显看出,电解加工出的孔的圆度极差,而阴极旋转提高了孔的圆度,阴极的高频振动使得加工电流增大,工件阳极溶解速度增大,表现为孔的直径和加工深度增大。
2 流场电场耦合分析
电解加工过程中,流场、电场相互影响,它们的参数分布又直接影响到电化学溶解速度场,并由此影响电解加工间隙的分布[11]。文献[12-14]电解加工流场研究中,流场分析应用于加工间隙的流场流线分布以及阴极的设计,未考虑阴极运动对流场的影响,本文基于气穴模型,建立了气液两相流模型,定性地分析了阴极旋转和阴极高频振动对流场、电场的影响。
2.1 阴极振动端面间隙分析
工具阴极做高频超声振动,如图4所示,其高频振动的位移方程为[15]
式中,Z为振动位移;a为振幅;ω 为超声圆周频率;f为振动频率;t为时间;φ为初相位。
工具在任意时刻的振动速度和加速度分别为
在电解加工中,阴极以恒定的速度vf向工件进给。在超声电解复合加工过程中,任意时刻工具的瞬时速度v(t)为
由式(4)可知,工具阴极的端面速度分别在cos(ωt+φ)=±1时取得最大值和最小值,分别为vmax=vf+aω,vmin=vf-aω。由此分析可知,速度正负交替变化比较大,从而产生压力交替变化,有利于电解液的更新和电解产物的排出。
在超声电解复合加工中,设初始端面加工间隙为Δ0,则任意时刻的端面加工间隙Δ(t)为
其中,va为工件溶解速度,依据法拉第定律[7]
式中,U为阴阳极之间的电压;δE为电解加工的阴阳极电极电位值总和;η为电流效率;κ 为电解液导电率;w为体积电化当量。
由式(5)、式(6)可知,端面间隙处于时刻变化当中,端面间隙随着振动一直处于大间隙—小间隙—大间隙周期更替当中。加工过程不会出现电解加工中的平衡状态。
2.2 流体仿真模型
电解加工过程中,阴极析出氢气,阳极发生电化学溶解,有时还有氧气、氯气或二氧化氮气体析出,因此,加工间隙内流场实际为气、液、固三相流。为了考察阴极旋转和阴极振动对流场参数以及气体体积分布的影响,同时考虑电解产物所占的体积比较小,将加工间隙内流场简化为气、液两相流。CFX流场分析中采用气穴模型,将电解液定义为纯电解液和水蒸汽所组成的混合物,定性分析阴极旋转、阴极超声高频振动对流场的影响,其中,电解液定义为连续流体,气体定义为离散流体,气穴模型中饱和压力为3574Pa。为提高网格质量,缩短计算时间,取1/4 流体模型进行分析,几何模型尺寸如图5所示,三维模型如图6所示,所选用的湍流模型为RNGk?ε模型,并作如下假设[12]:
(1)关于两相成分。 气泡在液相中分布均匀,各项同性,气相、液相为不可压缩;两相间无质量转换,气相状态变化服从理想气体状态方程,在同一截面上气相和液相的流速、温度、压力等参数分别相等,在分析过程中,不考虑氢气的生成速率,统一按照不溶于水的气体处理。
(2)关于平衡加工状态。加工的平衡状态下电解液与阴阳极间的交换热也处于平衡状态。旋转超声复合加工过程中,忽略阴极运动状态对电解液热能的影响,工具阴极和工件阳极尺寸比较小,忽略电解液、阴极和工件之间的热传递,各项参数不再是时间的函数而是位置的函数。
(3)仿真中不考虑重力、浮力的影响。电解液与水蒸气的混合物满足以下方程:
式中,αe为纯电解液体积分数;αg为水蒸气体积分数;ρm为混合电解液密度;ρe为纯电解液密度;ρg为饱和蒸气密度;μm为混合电解液动力黏度;μe为纯电解液动力黏度;μg为水蒸气动力黏度。
仿真过程是等温过程,认为电解液、水蒸气的动力黏度为一常数。
(4)加工过程中,忽略除气泡外的其他电解产物对电解液电导率的影响,不考虑电极极化、双电层等因素,阴极、阳极均为等势面,而统一将电压设为U1、U2,忽略边界效应,认为极间电场为近似的稳恒电场[13,14],则模型内电势分布满足三维Laplace方程:
式中,φ为电势;x、y、z为模型内点的坐标。
流场仿真采用欧拉-欧拉多相流模型来求解,其混合电解液采用以下方程来描述[16,17,18]。
(1)混合模型连续性方程:
式中,vm为电解液的平均速度;为由于气穴现象导致的电解液和水蒸气之间的转化质量。
(2)混合模型的动量方程:
式中,F为体积力;p为电解液压力。
(3)气相体积分数方程:
2.3 边界条件设置
有限元模型包括流体域和两个实体域。流体域主要施加流体入口、出口等边界条件,而工具模型、工件模型为实体模型,主要用于施加阴极旋转、振动、加工电压等边界条件。流体域和实体域增加Electromagnetic Model模型,并设置电压边界条件。各模型之间存在重合面,需对这些面进行域交界面设置。阴极旋转的方向采用右手法则来判定,阴极振动采用动网格技术[19],壁面的运动方程为式(1),为了简化模型,设相位角为零,其他材料参数及边界条件如表3所示[20]。
2.4 流体仿真结果分析
根据试验结果,分别进行了阴极转速和振幅分别为0、0(条件1),1200r/min、0(条件2)和0、50μm(条件3)的流场电场仿真。 仿真结果如图7~图9 所示。电解加工过程中,电解液电导率与气泡体积分数的关系为[21]
式中,κ(x,y,z)为流场内点(x,y,z)的电导率;κ0为初始电导率;β(x,y,z)为流场内点(x,y,z)的气体体积分数;n为气体体积分数对电导率的影响指数,通常取n =1.5[11]。
但CFX后处理中不具备对每个节点位置提取仿真结果的信息处理函数,只能对每个节点的气体体积分数以CSV格式文件(类似于Excel文件)输出,仿真结果以气体体积分数为研究对象,利用式(12)来表达电解液电导率的变化情况。
图7为孔截面气体体积分数分布云图,从图中可以看出,阴极旋转不仅没能加速电解液内气泡的排出,反而使气泡在阴极表面聚集,结合式(12)可以得出气泡聚集使电解液电导率下降,加工速度降低,而阴极高频振动迫使电解液随阴极上下波动,加速了气泡的排出,使得电解液内气泡含量大大减少,提高了阳极溶解速度。在加工间隙点(0.8mm,0mm,0mm)沿Z轴的正方向取一垂直线,与阴极端面相交于点(0.8mm,0mm,0.2mm),提取该直线上气体体积分数,如图8所示。从图8可以看出,气泡随阴极旋转、高频振动离开工件表面,使得在端面间隙内的气泡含量增多。图9为阴极处于平衡位置时孔截面电流密度分布云图。阴极旋转使得孔壁面的电流密度减小,而阴极振动使得孔壁面电流密度增大,结合气体体积分数的分布云图和试验结果,得出以下结论:阴极旋转使得气泡在孔底部聚集,使得电解液电导率下降,加工电流值变小,阳极溶解速度变小,而阴极振动有利于电解液排出,使得电解液内气泡含量减小,电解液电导率增大,加工电流值增大,阳极溶解速度增大,因此,在相同加工参数条件下,旋转电解复合加工的小孔入口直径要大于旋转电解加工的小孔的入口直径。
3 结语
本文针对小孔电解加工所存在的问题,构建了内喷式旋转超声电解复合加工装置,对内喷式旋转超声电解复合加工原理进行了介绍。在此基础上,开展了电解加工、旋转电解加工和旋转超声电解复合加工对比试验。试验结果表明,三种加工方法中,旋转超声电解复合加工具有最大的平均加工电流,所加工的孔的入口直径、深度也是最大的,故可以推断,三种加工方法中,旋转超声电解复合加工具有最大的材料去除率。为分析旋转超声电解复合加工的加工机理,建立了气液两相流气穴模型,分别进行了阴极静止、阴极旋转和阴极高频振动的流场、电场仿真。仿真结果表明,阴极旋转和阴极高频振动都有利于气泡离开阳极表面,但阴极旋转使得气泡在阴极表面附近聚集,电解液电导率下降、加工电流值变小、阳极溶解速度变小,而阴极振动有利于电解液排出,使得电解液内气泡含量减小、电解液电导率增大、加工电流值增大、阳极溶解速度增大,因而,旋转超声电解复合加工具有更高的材料去除率。
超声电解复合加工 篇2
当今制造业正面临着来自难加工材料 (如不锈钢、硬质合金、高温合金、钛合金等) 的挑战, 利用单一传统的加工方法已经不能有效地加工它们, 这就促成了两种或两种以上加工方法的复合。面对材料的高硬度、成形零件的复杂性, 特种加工技术已成为加工领域的研究热点[1-4]。孔的加工约占机械加工总量的三分之一。目前国内外对小孔、深小孔还未提出确切的定义, 一般说来, 将直径小于3mm的孔称为小孔, 将深径比大于5的小孔称为深小孔。在孔的加工中, 深小孔、异形孔的加工最为困难[5-7]。在此背景下, 研究人员对超声电解复合加工深小孔技术进行了探讨研究。
目前, 国内外对超声振动系统的设计主要是针对振动系统的换能器、变幅杆单个元件的设计, 主要设计方法有解析法、机电等效法、表面弹观法、有限元法。其中, 有限元法是目前应用较广泛的数值分析技术之一, 其求解基本思想是将问题的求解区域划分为一系列单元, 各单元之间通过节点连接, 由平衡关系或能量关系建立节点间的方程组, 通过边界条件进行求解, 该方法能满足工程设计要求[8-11]。
超声电解复合加工深小孔的关键技术是旋转超声振动系统的设计, 这要求超声振动系统具有一定的超声高频振动。超声振动系统主轴的回转精度比较高, 而且在一定深度范围内的深小孔加工中能实现工具超声振动, 输出振幅为30~80μm。传统的全波长或3/2波长振动系统包括换能器的前端盖、电极、压电陶瓷、后端盖、1/2波长变幅杆和传振杆等, 整个振动系统长度较长, 螺纹连接比较多, 精度难以控制, 很难满足回转精度要求。超声加工中, 频率一般为16~25kHz, 振幅为0.01~0.1mm[12]。本文基于局部共振理论, 将解析法和有限元法相结合, 设计1/2波长、频率为20kHz的超声振动系统, 即振动系统由1/4波长换能器和1/4波长变幅杆组成。首先进行换能器、变幅杆各部分尺寸的理论计算, 然后在此基础上进行有限元分析和优化设计, 工具采用高精度ER11螺母夹装, 工具长度在一定尺寸范围变化, 不影响超声振动系统谐振工作, 从而使所设计的超声振动系统满足加工要求。
1 变截面杆纵向振动的波动方程
为了研究方便, 首先对模型做必要的简化, 提出几个假设:变截面杆由均匀、各向同性材料构成;机械损耗忽略不计;平面纵波沿杆轴向传播 (杆横截面尺寸小于1/4波长) ;杆横截面上的应力分布是均匀的[13-14]。
图1所示为一变截面杆, 其对称轴为坐标轴x, 作用在小体积元 (x, x+dx) 所限定的区间上的张应力为σxdx, 根据牛顿定律可以写出动力学方程:
式中, S=S (x) , 为杆的横截面系数;ξ=ξ (x) , 为质点位移函数;, 为应力函数;ρ为细棒材料的密度;E为细棒材料的弹性模量。
在简谐振动情况下, 式 (1) 可以写为
式中, k=ω/c, 为圆波数;ω为角频率;, 为纵波在细棒中的传播速度。
端面受力Fn (x) =-SEξ/x, 结合式 (2) 可以求得简谐振动时, 位移ξn (x) 、振动速度vn (x) (vn=jωξn) 与端面受力Fn (x) 的分布函数。
对等截面杆:
对圆锥形截面杆:
式中, 下标n为变截面杆端面个数;An、Bn分别为待定常数;α为锥度系数, α= (D1-D2) / (D1l) ;D1、D2分别为圆锥变幅杆大端、小端的直径;l为变幅杆的长度。
2 换能器的理论分析
在传统换能器设计当中, 换能器中信号通常设计为半波长, 前盖板采用铝合金、铝镁合金、钛合金等轻金属, 后盖板采用45钢、铜等重金属[15]。这种换能器结构复杂、质量大, 而且由于存在多个结合面, 能量损失比较大。本文设计1/4波长、频率为20kHz的换能器, 如图2所示 (不计电极的厚度) , 其中l1部分为45钢螺母, l2部分为铝合金块, l3、l4部分为压电陶瓷, 它们通过螺杆连接在一起。计算过程中忽略螺杆、电极的影响。考虑换能器的尺寸、质量、安装等因素, 将换能器的节面设计在压电陶瓷与变幅杆的交界处, 为了减小换能器的质量, 将后端盖分成1、2部分, 铝合金材料具有质量轻、阻抗小等优点, 在换能器中起着压块的作用;45钢螺母保证了能量能够最小限度地从换能器的后表面辐射, 提高换能器的前向辐射功率, 同时提供一定的预紧力。
在超声电解复合加工过程中, 超声振动辅助电解加工, 因而, 所设计的换能器中, 功率不宜过大, 取200W, 中心频率为20kHz, 波长按公式λ=c/f计算, 其中c取3.371×106mm/s, f为2.0×104Hz, 一般而言, 超声纵振系统的径向长度应小于声波波长的1/4[15], 根据压电陶瓷材料的性能参数, 确定其型号。这样, 压电陶瓷厚度l3、l4就为已知量, 45钢螺母厚度l1在设计时也已确定, 且将螺母截面近似为等截面圆, 3种材料截面面积相等。
为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 由式 (4) 、式 (5) 以及函数的连续性, 可以得到:
解式 (9) , 可以得到关于l1、l2、l3、l4以及v0的方程, 利用MATLAB求解可得l4的值。
3 变幅杆的理论分析
内喷式超声电解复合加工深小孔过程中, 电解液经过换能器的预紧螺杆、变幅杆, 从工具头内孔流出, 因而, 要求流道具有一定的耐腐蚀性。换能器预紧螺杆和变幅杆采用耐腐蚀材料1Cr18Ni9Ti不锈钢, 流道为5mm的孔。常用的变幅杆有圆锥形、阶梯形、指数型等, 其中, 阶梯形变幅杆获得的放大系数较大, 但存在应力集中的不足, 圆锥形变幅杆的放大系数较小, 但是其共振频率和放大系数受负载的影响相对较小, 因而结合上述两种变幅杆的特点, 设计圆锥阶梯复合形变幅杆。为提高变幅杆的回转精度, 减小体积, 并便于加工制作和安装, 设计图3所示的1/4波长变幅杆, 波长按λ=c/f计算, 径向直径小于该波长的1/4, 并结合换能器径向直径确定该值。变幅杆的节面位置在x=0处。
为了计算简便, 分别对每个元件建立坐标系, 在不考虑工具系统的影响下, 变幅杆一端固定, 一端自由, 由式 (4) 、式 (5) 、式 (7) 、式 (8) 以及函数的连续性, 并考虑换能器与变幅杆连接的连续条件, 可以得到:
解式 (10) 可以得到关于l5、l6、l7和l8的等式。在已知l5、l6和l7的前提下, 便可利用MATLAB求解得l8的值。
4 超声振动系统的优化设计
超声电解复合加工深小孔中, 为提高深小孔的圆柱度和尺寸精度并实现各种深径比的深小孔加工, 本文基于局部共振理论[16]设计旋转超声振动系统, 将所设计的超声振动系统看成一个驱动系统, 实现工具系统的共振, 所设计的振动系统力求体积小, 配合精密。为了避免超声振动系统受到电解液的影响并实现旋转, 换能器安装在密封的旋转腔中。换能器所散发的热量通过空气来冷却, 因而, 在换能器的设计中后盖板不仅采用了阻抗较小的铝合金材料, 而且应使换能器体积小, 便于散热, 避免因体积过大引起的回转误差。在对超声振动系统的整体设计过程中, 摒弃了传统的对换能器、变幅杆的分别设计, 而是对超声振动系统进行整体设计。在设计过程中, 换能器和变幅杆的各自频率与设计频率存在一定的偏差, 但是将换能器和变幅杆安装好后的整体频率满足设计要求。
4.1 变幅杆的优化设计
对于所设计的1/4波长变幅杆, 为满足加工要求、获得比较大的行程, 要求其长度尽可能短。因而, l6、l7和l8的范围都在1/8波长以内。为使建立的模型更接近于实际变幅杆, 在变幅杆有限元模型上, 有5mm的电解液流道孔, 将ER11螺母近似于l9圆柱段, 如图4所示。对所建立的模型分别进行模态分析和谐响应分析, 提取频率F和应力函数STRESS_MAX作为优化的状态变量 (SV) , 以l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析频率f之差的绝对值FREQ为目标函数 (OBJ) 。优化结果如表1所示 (只列出最佳结果) 。对优化所得到的长度进行圆整, 并进行模态和谐响应分析, 其仿真结果频率为19 913Hz, 该变幅杆轴向位移分布如图5所示, 沿变幅杆轴向长度变化, 振幅逐渐变大, ER11螺母输出端的位移为75μm, 达到预计设计要求。
4.2 超声振动系统的优化仿真
完成对1/4波长复合变幅杆仿真后, 将1/4波长换能器和1/4波长复合变幅杆组成超声振动系统进行压电分析, 提取纵振频率f, 然后进行优化设计。优化设计过程以l2、l6、l7和l8为设计变量 (DV) , 以设计频率与模态分析所得到的频率之差的绝对值FREQ作为目标函数 (OBJ) , 状态变量 (SV) 为频率f (19~21kHz) 。优化结果如表2所示。
由于已经对变幅杆进行了优化设计, 所得到的振幅满足设计要求, 故在对超声振动系统的优化设计过程中没有考虑振动系统的振幅问题, 只对频率进行了优化设计。超声振动系统的优化仿真结果中, 优化参数结果尺寸相差不是很大。考虑到换能器的散热空间, 因而在l2的取值上优先考虑较小值, l6、l7和l8的值优先考虑变幅杆的优化结果。由于仿真所设置的参数与实际材料的参数具有一定的偏差以及ANSYS软件本身存在的误差, 故其仿真结果也会与实体频率有一定偏差, 因而超声振动系统的优化结果只能作为参考, 指导超声振动系统的设计。超声振动系统如图6所示, 其频率和振幅试验验证结果表明, 所制作出的超声振动系统满足要求。
5 工具系统
在超声电解复合加工深小孔过程中, 所加工的深小孔深度变化范围比较大, 工具不可能采用半波长整数倍叠加的形式来实现共振。范国良等[17]设计了一种基于局部共振理论深小孔超声加工工具系统, 该系统频率可以看成是一端固定、一端自由的纵向振动单独谐振频率。在研制的超声振动系统中, 变幅杆输出端直径为15mm, 工具的直径小于3mm, 直径之比小于0.3, 满足局部共振的条件。对研制出的超声振动系统进行共振雾化测试试验, 其雾化效果比较明显, 用镊子接触振动端部, 发出共振。试验结果表明, 对于管径在1~3mm范围内薄壁工具, 其长度在20~100mm范围都能实现共振。
6 结语
本文为满足超声电解复合加工深小孔的要求, 设计频率为20kHz、1/2波长超声振动系统。首先基于波动方程, 理论设计1/2波长超声振动系统的最初几何模型, 在此基础上, 利用有限元软件ANSYS对1/4波长变幅杆和1/2波长超声振动系统分别进行了模态分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的一系列优化模型, 用于指导超声振动系统的制作。由于所输入的材料参数值与实际材料参数值有一定的偏差, 因而, 其优化模型与实际有一定的偏差。所设计的1/2波长超声振动系统与传统全波长振动系统相比, 减小了超声振动系统的长度和体积, 提高了超声振动系统的回转精度, 在工具满足局部共振理论要求前提下, 可实现不同长度范围的超声振动, 为今后超声电解复合加工深小孔研究提供了基础。
摘要：为设计精密超声电解复合加工深小孔装置的振动系统, 设计了1/2波长超声振动系统和以局部共振理论为指导的工具系统。基于波动方程, 分别建立1/4波长超声换能器和变幅杆的解析模型, 得到换能器和变幅杆的结构尺寸。借助有限元分析软件ANSYS对理论设计的变幅杆和超声振动系统进行动力学分析、压电分析和优化设计, 得到了变幅杆和超声振动系统的优化模型。分析结果表明, 有限元法对变幅杆和超声振动系统的设计制作具有指导意义, 缩短了设计周期, 降低了设计成本, 所设计的超声振动系统具有良好的性能。
超声电解复合加工 篇3
目前国内外研究的去除激光加工再铸层的技术措施包括:水射流引导激光加工[5]、化学辅助激光加工[6]、超声辅助激光加工[7]等,这些技术对再铸层的去除都取得了一定效果,但在工程中均未得到广泛应用。因此,本工作针对激光打孔这一缺陷,创新提出了喷射液束电解-激光复合加工方法,将电解加工与激光加工进行复合,在激光打孔的同时,同轴施加喷射电液束,利用电液束的冲刷、冷却、电解的综合作用在线去除再铸层、微裂纹,从而达到优质高效的加工效果,对于航空发动机热端部件气膜冷却孔的加工具有非常重要的应用前景。
本工作在对喷射液束电解-激光复合加工试验原理分析的基础上,基于激光在电解液中衰减特性的研究,研制了喷射液束电解-激光复合加工的试验系统,并针对镍基高温合金GH3044材料合理选择工艺参数,利用该系统进行了打孔工艺试验研究,分别应用ns级短脉冲激光和ms级长脉冲激光进行空气中激光打孔和喷射液束电解-激光复合加工打孔试验,通过对两种工艺加工效果的对比,证实了喷射液束电解-激光复合加工方法的工艺可行性,为该加工方法走向工程应用奠定了基础。
1 加工试验原理
激光加工属于激光-热能转换加工形式,材料在激光作用下达到汽化温度后,熔化的液态材料在高压力的蒸汽作用下喷出,于是工件材料被去除,但在加工面上残留的一部分未喷出的熔融材料凝固后形成再铸层。与激光加工不同的是,喷射液束电解-激光复合加工复合了激光加工和电解加工两种加工作用,同时产生激光热作用和喷射液束电解作用,其加工原理如图1所示,其中,工件接电源正极带正电成为阳极,喷嘴接电源负极带负电从而对喷射电解液束“阴极化”;聚焦激光束与“阴极化”的喷射电解液束同轴作用于工件待加工表面相同区域;整个复合加工过程以激光加工为主,快速去除工件材料,“阴极化”的喷射电解液束对工件加工区的冷却、冲刷和电解的综合作用能够“在线”有效去除再铸层。
针对镍基高温合金材料抗氧化能力强的特点,电解液采用NaNO3溶液。NaNO3电解液为钝性电解液,对于镍基高温合金能生成可溶性保护膜,改善阳极溶解的均匀性,从而提高表面质量[8]。
2 激光在电解液中衰减特性研究
根据喷射液束电解-激发复合加工试验原理可知,在加工中,激光束需通过电解液束聚焦于工件待加工区。由于电解液对激光的吸收和散射作用使得激光在电解液中传输后能量衰减,因此必须首先对激光在电解液中的衰减特性进行研究,以便合理选择工艺参数,这是喷射液束电解-激光复合加工的基础研究。
2.1 激光在电解液中衰减理论分析
激光在电解液中传输时,由于溶解杂质、水分子的吸收和悬浮杂质的散射使激光能量衰减,衰减的程度与入射激光的波长密切相关,其衰减规律遵从Beer-Lambert定律[9]:
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式中:I0(λ)为传输前的激光初始辐照度;Ix(λ)为在液体中传输了x路程后的激光辐照度;μ(λ)为衰减系数,表示激光传输1m距离后能量衰减的对数值(自然对数),单位是m-1 。光束衰减系数μ(λ)、吸收系数α(λ)和散射系数β(λ)之间的关系为:
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溶液对激光的吸收与溶液的复数折射率有关,溶液的实际折射率的复数形式如下式:
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式中:虚部k(λ)称为消光系数,它与吸收系数的关系为[10]:
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溶液对激光的散射作用与溶液中悬浮颗粒的大小有关。引入颗粒粒径相对入射激光波长的无量纲参数(q=2πR/λ)来表示颗粒的大小。当该值小于0.1时激光散射属于瑞利(Rayleigh)散射,该值大于0.1时,属于米氏(Mie)散射。
由于试验所用的NaNO3电解液的溶质存在水不溶物,从而导致溶液中存在不溶悬浮颗粒,根据理论分析,NaNO3电解液对激光的衰减作用包括悬浮颗粒的散射作用,因此电解液浓度的变化对激光衰减有直接影响,浓度影响因子用ΨC表示,单位为m-1/PSU,PSU表示0.1%的含盐度;除浓度外电解液温度对激光能量衰减也有影响,温度影响因子用ΨT来表示,单位为m-1·℃-1 。将ΨC,ΨT引入公式(3)得:
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2.2 激光在电解液中衰减的测试及结果
根据激光在电解液中衰减理论分析,对喷射液束电解-激光复合加工所采用的NaNO3电解液进行激光衰减特性测试研究。测试设备包括:石英玻璃槽(228mm×121mm×160mm),用以放置样本NaNO3电解液;恒温加热器,用以加热NaNO3电解液并控制其温度;连续波半导体绿光激光器(λ=532nm)、脉冲Nd:YAG激光器(λ=1064nm);激光能量计。实验NaNO3电解液的溶剂采用工业纯水,溶质包括分析纯试剂(Analytic Regent, AR)和工业试剂(Industrial Regent,IR),分别为分析纯硝酸钠(GB636-92)和工业硝酸钠(GBT4553-2002),浓度C从低到高按2%,8%,14%,20%配制。
测试试验首先标定激光穿透空槽后的能量,并以此为基准值,然后将激光在不同样本溶液传输后的能量测试值与基准值的比值作为激光液体传输的衰减率,再利用式(1)计算出衰减系数;变化浓度或温度后得到的衰减系数再通过式(5)可计算出浓度影响因子和温度影响因子。
图2为绿光激光(532nm)在不同浓度的工业NaNO3电解液中传输的光路照片。由图2显示:随着溶液浓度的增加,光路亮度越来越强,即溶液对激光的散射作用越明显。
图3, 4分别是绿光激光和红外激光在室温(25℃)下NaNO3电解液中的衰减系数随浓度的变化曲线。由图3, 4可看出激光在NaNO3电解液中的衰减系数随电解液浓度线性增加。532,1064nm激光在纯水中的衰减系数分别为0.0355,34.2438[11],与纯水相比,由于存在不溶物的散射作用,激光在NaNO3电解液中的衰减系数高于纯水,其中红外激光在NaNO3电解液中的衰减系数在34.5m-1以上。
温度在30～40℃范围内两种激光在NaNO3电解液中衰减特性的温度影响因子如表1所示。通过表1和图2,3 的比较,可看出NaNO3电解液温度对激光的衰减影响与浓度相比极小,从工程应用角度,对温度的影响可忽略不计。
3 试验系统及试验条件
3.1 试验系统
喷射液束电解-激光复合加工是将激光加工与电解加工进行复合,由加工试验原理可知,需要设计专用的喷射液束装置,既能形成稳定的喷射电解液束,又能保证聚焦后的激光束与喷射电解液束同轴作用于工件加工区。而对激光在电解液中衰减特性的研究结果表明,红外激光在NaNO3电解液中的衰减系数在34.5 m-1以上,即激光在电解液中传输15mm,能量衰减接近40%,这就要求喷射液束装置中激光在电解液束中的行程控制在几毫米之内,以便尽量减少激光传输中的能量损耗。
基于上述要求设计制造了如图5所示的喷射液束装置,其中,喷射基座与压板形成环状的喷射液束腔体;压板的中空底部装有光学玻璃,通过紧定螺钉固定;喷嘴内流道采用喇叭口过渡,有利于电解液形成稳定的喷射液束,不易发散。环状喷射腔的结构设计,既保证喷射液束的流速稳定,又将激光通过电解液的行程大为缩短,保证激光通过电解液的距离仅为7mm,传输能量损耗大约为15% 。基座底部设有绝缘层,可避免喷射电液束在工件表面的杂散电解腐蚀。
喷射液束装置与激光器、直流电源、电解液循环过滤系统组成了喷射液束电解-激光复合加工系统,如图6所示,其中喷射液束装置与聚焦激光束同轴;工件与喷射液束装置基座分别接通直流电源的正、负极;电解液由柱塞泵从电解液槽中抽出,经喷射基座进液口进入环状喷射腔体,最后在基座底部汇聚从喷嘴喷出形成喷射电解液束;带负电的喷射基座和喷嘴对电解液束“阴极化”;激光束通过光学玻璃、基座底部和喷嘴中的电解液后,与“阴极化”的喷射电解液束同轴共同作用于工件加工区,从而实现喷射液束电解辅助、激光加工为主的复合加工。
3.2 试验条件
试验加工件为0.5mm厚的GH3044镍基合金薄片,GH3044是固溶强化镍基抗氧化合金,其化学成分如表2所示[12]。GH3044具有高塑性和中等热强性,适宜制造在900℃以下、长期工作的航空发动机主燃烧室和加力燃烧室零部件以及导向叶片等。
1-Jet equipment;2-Laser system;3-Focusing lens; 4-DC power;5-Pressure gauge;6-Pump;7-Filter; 8-Electrolyte reservoir;9-Back pipelines;10-CNC table; 11-Work cell;12-Holder;13-Workpiece
试验选用带有电光调Q的XGL-1 脉冲Nd:YAG固体激光器,可使用的激光有两种:一是脉宽0.2ms(不调Q)、单脉冲最大能量400mJ的长脉冲激光;二是脉宽20ns(调Q )、单脉冲最大能量150mJ的短脉冲激光;重复频率都为10Hz;聚焦透镜焦距为150mm。电解液采用工业NaNO3溶液,浓度18%,喷射液束压力1.5MPa,电解加工电压为30V。
4 结果与分析
利用上述研制的喷射液束电解-激光复合加工试验系统,对GH3044镍基合金薄片进行了工艺打孔试验,将喷射液束电解-激光复合加工与空气中激光打孔(Laser Beam Machining, LBM)这两种工艺的打孔形貌作对比分析。
图7, 8分别是短脉冲激光(20ns,100mJ)应用于空气中打孔和喷射液束电解-激光复合加工打孔的整体形貌和局部显微放大照片,加工时间为10s;图9, 10分别是长脉冲激光(0.2ms,300mJ)应用于空气中打孔和喷射液束电解-激光复合加工打孔的整体形貌和局部显微放大照片,加工时间为5s 。
对比图7与图8-10可以看出:不管是ns短脉冲激光还是ms长脉冲激光,在空气中激光打的孔外围存在明显的热影响区,孔边缘和底部堆积了大量的熔化再凝固金属层,即再铸层;而喷射液束电解-激光复合加工打的孔整体轮廓较好,无热影响区,加工表面的再铸层90%以上被去除。
试验结果表明,对于高温镍基合金材料,喷射液束电解-激光复合加工能够有效解决激光加工后出现热影响区、再铸层等缺陷的难题,该方法综合发挥了激光加工和电解加工的优点,以电解加工辅助激光加工,在线去除再铸层,获得了良好的加工效果。
5 结论
(1) 喷射液束电解-激光复合加工将激光加工与电解加工进行复合,利用喷射电解液束的冲刷、冷却和电解作用,在线去除再铸层。
(2)镍基高温合金喷射液束电解-激光复合加工打孔的表面质量高于空气中激光加工。
(3)在液压1.5MPa、浓度18%的NaNO3电解液条件下,镍基高温合金喷射液束电解-激光复合加工可去除加工表面的再铸层90%以上。
(4)喷射液束电解-激光复合加工适用于ms级、ns级等不同脉宽的激光。
(5)喷射液束电解-激光复合加工工艺切实可行,对于广泛采用高温镍基合金材料的航空发动机制造工业具有重要的应用前景。
摘要：针对镍基高温合金材料激光打孔存在再铸层的缺陷,创新提出了喷射液束电解-激光复合加工方法。基于该加工原理的分析以及激光在电解液中的衰减特性研究,研制了试验系统,并对镍基高温合金GH3044薄片进行了打孔工艺试验。结果表明:应用液压1.5MPa、浓度18%的NaNO3电解液的喷射液束电解-激光复合加工可去除再铸层90%以上。试验证实了喷射液束电解-激光复合加工工艺切实可行,有望在航空发动机叶片气膜孔加工中得到应用。
关键词：激光加工,喷射液束电解,镍基高温合金,复合加工,再铸层
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