轴向冲液电解线切割50CrVA试验研究

姚羊洋，房晓龙，曾永彬，王文汉

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016；2.中航工业西安飞行自动控制研究所，飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室，陕西西安710065）

轴向冲液电解线切割50CrVA试验研究

姚羊洋1，房晓龙1，曾永彬1，王文汉2

（1.南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016；2.中航工业西安飞行自动控制研究所，飞行器控制一体化技术国防科技重点实验室，陕西西安710065）

采用轴向高速冲液电解线切割方法加工50CrVA弹簧钢，利用高速流动的电解液快速带走加工产物。通过对加工区域的流场进行仿真，选出合适的喷嘴直径，并对影响加工的重要因素（加工电压、占空比、频率、进给速度）进行单因素试验，研究各参数对加工缝宽的影响。最后，采用优化参数加工出缝宽约为1 mm的典型零件。

50CrVA；弹簧钢；轴向冲液；电解线切割加工

50CrVA具有良好的力学性能和工艺性能，淬透性较高，加入钒能使钢的晶粒细化，降低过热敏性，提高了强度和韧性，适用于工作应力振幅高、疲劳性能要求严的场合，被广泛用作现代航空航天领域喷油嘴弹簧及安全阀簧的材料[1-2]。弹簧钢的加工方法有机械加工、激光加工和电火花线切割等。机械加工会使工件产生残余应力，进而影响零件的性能。激光切割是利用高温熔化、气化金属而达到切割的目的，工件会产生变形及热影响区，从而影响零件的使用寿命[3]。电火花线切割是利用放电原理产生高温气化或熔化金属的加工方法，会导致工件表面产生重铸层，也会影响零件的疲劳寿命[4]。

电解线切割加工技术是以金属丝作为工具阴极、对工件进行切割的一种电解加工方法[5]。加工时，工件接电源正极，电极丝接电源负极，以离子剥离的形式去除材料[6]。电解线切割继承了电解加工的诸多优点，如电极丝不会与工件表面直接接触，所以工件表面不会产生塑性变形，也没有残余应力。相比于电火花线切割加工技术，利用电解线切割加工工件时，工件表面不会产生重铸层，且电极丝无损耗，可重复利用[7]。由于电解线切割是基于电化学阳极溶解原理，故只要各工艺参数因素匹配恰当，便可获得比切削加工更好的微观表面质量[8]。

加工产物的排出效率是影响电解线切割加工精度和加工效率的重要因素[9]。为了提高产物的排出速度，曲宁松等采用往复走丝的方法来加快电极间产物的排出[10]；房晓龙等采用高速旋转的螺旋电极来提高电极间的传质[11]；于洽等采用阳极低频振动和往复运丝结合的方法来促进产物的排出[12]。上述研究主要针对微细结构的加工，应用于宏观加工时效果甚微。本文采用轴向高速冲液的方式来加工大厚度50CrVA材料，高速冲液能极大地提高加工间隙中电解产物的排出速率，从而提高加工速率。本文首先对电解液射流及加工区流场进行仿真，优选出合适的喷嘴，再通过试验优化加工参数。

1 加工原理

轴向冲液电解线切割加工原理见图1。加工时，工件接电源正极，电极丝接电源负极，结合简单的相对数控运动来达到切割的目的。电解液从双向倾斜入口进入导向器，再从喷嘴高速冲出，包裹着电极丝高速进入加工区，流速可达35 m/s。高速流动的电解液能加快加工区域电解产物的排出速率，从而加快工件的加工效率，提高加工稳定性。

2 加工区域流场仿真

由于不同直径的喷嘴对加工区域的电解液流速影响较大，故采用Fluent软件对不同直径喷嘴的流场进行分析，选出合适的喷嘴进行试验。

加工区域为左右对称模型，为了减少计算量，选取对称面作为仿真研究的模型。由于模型为电解液射入空气中，所以采用VOF两相流模型进行求解。如图2所示，线段AB为电解液的入口，压力为1 MPa，线段BC、CD、DE为喷嘴壁面，线段EF、FG、JK、KL为压力出口，线段GH、HI、IJ为工件壁面，线段AL为电极丝壁面。线段AB的长度可表示为：

式中：L为线段AB的长度；D为喷嘴直径；d为电极丝直径。

图2中，喷嘴长度为2 mm（即线段AB与CD的距离），喷嘴距离工件上表面为5 mm（即线段CD与GH的距离），工件厚度为6 mm（即线段GH与IJ的距离），加工间隙为0.25 mm（即线段HI与AL的距离）。分别用直径为0.8、1.0、1.2、1.4 mm的喷嘴进行仿真（表1），分析不同直径的喷嘴对加工区域流场流速的影响。

图3是不同直径的喷嘴流场速度图。可见，随着喷嘴直径的增加，冲在工件表面的电解液流速增大，而进入加工区域的电解液流速并未增大；当喷嘴直径为1.2、1.4 mm时，在工件上表面靠近电极丝的附近还出现了流场流速骤降的情况。

图4是加工区域中间位置（即图2所示虚线Q）的电解液沿工件厚度方向的速度分布曲线。可见，当入口长度小于缝宽时，加工区域出口处的电解液流速随着喷嘴直径的增加而增大；当入口长度大于缝宽时，加工区域入口处的电解液流速发生骤降，出口处的电解液流速也下降。这是由于过大的喷嘴射出的电解液冲击到工件表面会高速向垂直于工件厚度方向散开，这部分电解液会对沿工件厚度方向流动的电解液产生侧向干扰，导致进入加工区域的电解液流速降低。因此，本文选取直径1.0 mm的喷嘴进行参数试验探究。

3 试验系统

轴向冲液电解线切割加工系统示意图见图5，主要包括冲液装置和电极丝、电解液循环系统、进给系统及加工电源等部分。

冲液装置和电极丝见图6，主要由喷嘴、导向器、电极丝、汇流腔及一个二维微调平台组成。电极丝采用直径0.5 mm的钼丝，穿过导向器、汇流腔和喷嘴，上端连接直径0.6 mm的红宝石导向器起到定位作用，下端连接直径1.0 mm的红宝石喷嘴；固定电极丝后，通过微调二个分度头调节电极丝和喷嘴的相对位置，使电极丝尽可能在喷嘴的中间，并用亚克力胶封住上端导向器，防止电解液从上端泄漏。待实验完成后，可采用酒精灯烧灼的方法去除亚克力胶，使导向器能重复利用。加工时，电解液从进液口左右两端进入汇流腔，再从下端喷嘴沿着电极丝高速射出。

电解液循环系统由柱塞泵、过滤器、安全阀、球阀、电解液池和电解液槽等组成。电解液由柱塞泵供给，由球阀调节回流电解液的流量进而控制电解液的压力，系统中加入一个1.5 MPa的常闭式安全阀起到安全防护的作用。经过加工区域的电解液由电解液槽收集并回流到电解液池，再经过滤器重新使用。进给系统由PC机通过运动控制卡分别控制XYZ三轴的运动，加工电源采用高频脉冲电源。

4 工艺参数分析及优化

试验采用峰值电压为30 V、频率为1 kHz、占空比为60%的脉冲电源，20 μm/s的进给速度，1 MPa的冲液压力，5%NaCl+5%NaNO3的电解液，电极丝采用直径0.5 mm的钼丝，电解液出口喷嘴直径为1.0 mm，并以上述参数作为试验的对照组分别对脉冲电源电压、占空比、频率及进给速度进行参数的探究。

4.1 电压对加工缝宽的影响

试验分别对加工电压为22、24、26、28、30 V等5个参数进行探究，加工缝宽的变化曲线见图7。可看出，缝宽随着加工电压的增加而增大。这是因为增加电压会使加工区域的电流密度增大，从而导致工件蚀除率增加，在相同的进给速度下，单位长度内被腐蚀的材料增加，从而使加工缝宽增大。

4.2 占空比对加工缝宽的影响

试验分别对占空比为40%、50%、60%、70%、80%等5个参数进行探究，加工缝宽的变化曲线见图8。可看出，增加占空比会使单位时间内参加反应的时间增加，从而使单位时间内的材料蚀除量增加，在相同的进给速度下，加工缝宽也增大。

4.3 频率对加工缝宽的影响

试验分别对频率为1、3、5、7、9 kHz等5个参数进行探究，加工缝宽的变化曲线见图9。可看出，缝宽随着频率的增加反而减小，这是因为增加频率使脉冲周期减小，从而导致缝宽减小。

4.4 进给速度对加工缝宽的影响

试验分别对进给速度为10、15、20、25、30 μm/s等5个参数进行探究，加工缝宽的变化曲线见图10。可看出，缝宽随着进给速度的增加而减小。在相同的占空比下，进给速度直接影响单位长度内工件材料参与反应的时间，从而影响加工缝宽。过快的加工速度会使加工产物来不及排出加工间隙，或者工件材料来不及腐蚀而造成短路。

4.5 加工实物

根据上述试验结果，在满足稳定加工的条件下提高加工速度，以切割缝宽1 mm为原则，选择加工电压30 V、占空比60%、频率1 kHz的脉冲电源，以及进给速度30 μm/s，冲液压力1 MPa，喷嘴直径1.0 mm，电解液为5%NaCl+5%NaNO3溶液，电极丝为直径0.5 mm的钼丝，在厚度为6 mm的50CrVA弹簧钢工件上切割出如图11所示的结构。

5 结论

（1）提出使用轴向高速冲液电解线切割方法加工50CrVA弹簧钢，并对不同直径的喷嘴对加工区域流场的影响进行了仿真，选取直径和缝宽大小一样的喷嘴进行试验。

（2）在自行设计的夹具上，对加工参数进行了探究试验。结果表明，加工电压、占空比的增加会使加工缝宽增大，进给速度、脉冲频率的增加会使加工缝宽减小。

（3)采用优化的参数加工典型零件，证明轴向高速冲液电解线切割能快速稳定地加工50CrVA弹簧钢。

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Experimental Study on Wire Electrochemical Machining of 50CrVA with Axial Electrolyte Flushing

YAO Yangyang1，FANG Xiaolong1，ZENG Yongbin1，WANG Wenhan2
（1.College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China；2.Science and Technology on Aircraft Control Laboratory，AVIC Xi′an Flight Automatic Control Research Institute，Xi′an 710065，China）

Wire electrochemical machining with axial electrolyte flushing has been proposed for the 50CrVA spring steel.Make the eletrolysate be taken away quickly with the high-speed flow of electrolyte.Simulation of flow field between the electrodes was studied，than the appropriate nozzle was chosen.After that，the single factor experiments was taken in order to study the influence of processing parameters on silt width，such as processing voltage，duty ratio，frequency and feed speed.Typical structure was processed，the width of the slit was about 1 mm.

50CrVA；spring steel；axial electrolyte flushing；wire electrochemical machining

TG662

A

1009－279X（2017）01－0060-05

2016-07-24

国家自然科学基金资助项目（51375238）；航空科学基金资助项目（20160852006）

姚羊洋，男，1991年生，硕士研究生。