小孔径内壁螺旋形结构电解加工试验研究

徐 波，干为民，王祥志，何亚峰，尹飞鸿，周叙荣

（ 1. 常州工学院航空与机械工程学院，江苏常州213002；2. 江苏省高校特种加工重点实验室，江苏常州213002 ）

采用螺旋肋化通道是提高冷却孔冷却效果的有效方法，关于小孔径内表面细微结构传热性能的相关研究表明，具有表面强化结构的冷却孔较光滑孔的传热效率大大提高[1]，汤勇等[2]在铜孔光滑孔的内表面加工出具有凹槽的微型结构，并通过研究发现其传热效率高，最好的效果达到了普通光滑孔的4 倍。

针对此类表面强化结构的加工，国内已有一定研究。 逄珊珊等[3]针对细长孔的扩孔加工研制了专用试验装置，总结了电流密度、脉冲频率等参数对加工结果的影响规律；陈明、朱成康等[4-5]针对肋化通道中的螺旋冷却孔， 在建立数学模型后利用MATLAB 软件对成形过程进行模拟仿真，并通过试验验证了模型的合理性；王明环等[6]针对涡轮叶片竹节孔冷却通道， 采用电解反拷法制备工具阴极，通过FLUENT 软件多相流模型分析了螺旋孔深度变化对加工间隙中流场分布的影响，最后高效加工出竹节孔结构；张垚彬[7]在搭建低频振动电解加工平台的基础上，采用改性后光敏树脂绝缘法，通过数值模拟和试验研究了阴极低频振动时小孔内壁微结构的成形规律。

本文基于电解加工方法，以光滑小孔内壁为加工对象，设计螺旋形阴极，通过在阴极非绝缘螺旋形表面与阳极小孔间施加电场和流场，从而加工出小孔内壁螺旋形结构。

1 小孔径螺旋形结构电解加工原理

图1 是小孔内壁螺旋形结构电解加工原理总图。 其中，图1a 是螺旋形阴极，其侧面为具有一定导程的螺旋槽，槽内设有绝缘材料，侧壁螺旋形裸露部分为工作部分。 图1b 是工件， 其内设有预制孔，预制孔孔径与阴极外径两者差值的一半为初始加工间隙， 对电解加工的成形结果有着重要影响。图1c 是小孔内壁螺旋形结构电解加工示意， 在加工过程中，电解液通过复合刀柄从阴极内部通孔流入底部和侧壁加工间隙，最后从出口流出。 由于阴极螺旋凹槽处设有绝缘层，工件表面与绝缘层正对的部分不形成电场，从而不被加工；而阴极螺旋形裸露表面的工作部分与工件材料形成电场，在流场的共同作用下发生电化学腐蚀而被加工，工件阳极失去电子，发生氧化反应而被溶解，从而达到去除工件材料的目的；同时，溶液中的氢离子在阴极表面得到电子而发生还原反应生成氢气并逸出，随着时间推移，去除量增多、加工间隙增大，截面积形成鼓形，阳极表面的电场强度慢慢减弱，加工电流密度与加工效率降低，直至形成所需深度的小孔内壁螺旋形结构。 根据电解加工基本理论，不同电压峰值、脉冲频率、占空比、电解液成分与浓度、表面流速、加工时间、初始加工间隙等对所加工螺旋槽的形状有直接关系， 图1d 是加工完成的小孔内壁螺旋形结构示意图。

为进一步研究小孔径内壁螺旋形结构电解加工原理， 将图1c 沿着水平方向取截面后得到的图形见图2。 图2a 是加工前准备状态，工件上设有预制孔，阴极运行至预制孔内，两者中心线重合，阴极表面设有两条螺旋槽，螺旋槽内涂有绝缘层，以防电解加工时二次腐蚀而影响加工精度和孔内形貌，工具阴极的内部设有通液中心孔，工具阴极裸露表面对应的圆心角为θ。 图2b 是孔的加工过程，电解液从工具阴极内部流入加工间隙内，工件表面裸露的螺旋形金属表面在流场和电场的耦合作用下，使正对的工件阳极表面发生电化学反应而被加工，由于阴极裸露工作面是螺旋形，从而工件被加工出螺旋形凹槽。

由图2b 可知， 电解加工前工具阴极和工件的初始加工间隙Δ1 为预制孔和工具阴极直径差值的一半，可表达为：

工件上加工所得螺旋槽与未加工部分通过圆角相连， 其半径为R1， 大小需通过具体实验测得。工具阴极绝缘层所正对的初始加工间隙中由于无法形成电场，此处的Δ1 在加工过程中无变化。 工具阴极螺旋形裸露金属所正对的加工间隙由于电场和流场作用而慢慢增大，此处工件被去除速度参照公式：

式中：Δ0 为与X轴夹角为0 时的实时加工间隙值；η 为加工中电流效率；ω 为体积电化学当量；κ 为电解液电导率；U为工件和工具上所加的电压；δE为两电极的电位值之和；Va为电解速度。

此时，螺旋形结构电解加工过程中加工间隙Δ2为：

由于此时阴极是静止的，相对于工件无进给速度， 加工间隙值与去除速度实际为正比例关系，即加工速度越快，加工间隙值越大，且Δ2 决定了最终加工所得螺旋槽的深度。 从图2b 可看出，加工所得螺旋槽的宽 度决 定 于 工 件 阴 极 裸 露 长 度及 对应的圆心角θ。

以工具阴极圆心为坐标系原点O， 沿着水平和竖直方向分别建立X轴和Y轴，Δ1 离开中心法线的加工间隙设为Δθ（θ 为工具阴极上任意一点的法线与Y轴的夹角），经过时间dt后，即t+dt时刻，在θ 处的加工间隙为Δθ+dΔθ， 在该dt时间内工件表面对应点的电解速度为：

同时，可推导出加工间隙与速度的基本微分方程：

式中：V为θ 角度上对应加工速度。

2 螺旋槽结构电解加工装置和阴极设计

2.1 数控电解机床及刀柄设计

图3 是试验采用自行研制的数控电解加工机床主体，以加工某热电厂换热器冷却孔为例，其孔径φ1=3 mm， 螺旋槽深度d=0.65 mm， 导程为3 mm。 该装置能实现多轴联动，并配有电解液防护系统，实现在线过滤和恒温控制；同时为减少夹具设计制造，机床主轴采用7∶24 装配锥孔，并配备相应的刀柄，此刀柄能实现阴极旋转、导电及导通电解液的功能；刀柄下端采用标准ER 弹簧夹头，可装夹一定直径范围的阴极。

2.2 阴极结构设计

阴极设计过程中需考虑到目标零件的结构特征和加工间隙的大小，而加工间隙的分布状况取决于电解加工过程中电场、流场、温度场等主要物理场的耦合作用，其中电场和流场分布是阴极设计时的主要参考因数。 图4 是针对待加工孔结构特点设计的阴极， 阴极螺旋体的导程跟工件导程相同，外径φ2 根据初始加工间隙Δ1 而定。

3 小孔径内壁螺旋形结构电解加工的电场与流场

3.1 电解加工电场分析

为掌握小孔径内壁螺旋形结构在不同电压和初始间隙条件下的成形结果，建立的电场分析模型见图5， 分别分析工件阳极电势为6、10、14 V 和初始加工间隙为0.2、0.3、0.4 mm 下的电流密度分布情况，有典型意义的为低电压、小间隙和高电压、大间隙时的分析结果。

从图5a 可看出，取电压6 V、初始间隙0.2 mm时，由于初始加工间隙较小，加工所得螺旋槽截面的圆弧两端电流密度较集中，最大为21.03 A/mm2，而电流密度从圆弧两端至中间逐渐减少，圆弧中心处阴阳极间距最大，电流密度仅0.013 A/mm2，加工基本停止。 可见，加工时间过长，将导致圆弧两端的去除量增加而中间段较少，即加工所得螺旋槽横截面曲率半径过大。 由图5b 可见，随着电压升高，圆弧中心处电流密度增加，达4.267 A/mm2，而圆弧两端的电流密度也有所提高，约为25.49 A/mm2，即整个螺旋槽都处于被加工状态，但依然是圆弧两端比圆弧中间加工速度快。 在图5c 中虽然电压值较高，但由于初始加工间隙值也较大，圆弧两端的电流密度值有所降低，电流密度在15.5～20.64 A/mm2，而圆弧中间电流密度为10.36 A/mm2。 由此可见，整个加工过程电流密度差值较小， 电化学反应过程稳定，阴极设计时可依据此规律。

3.2 电解加工流场分析

为了解阴极加工结束前加工间隙中流场分布情况，利用FLUENT 软件进行流场分析。 假设电解液为理想单相液体流，分析时不考虑加工过程中温升和离子产物对流体力学性能的影响，入口压力初设为1 MPa、初始加工间隙为0.4 mm，整个流道和局部放大流速分布见图6。可看出，螺旋槽在加工一定深度后，在出口处及螺旋结构表面流域均存在涡流现象，涡流不仅影响了电解液更新，还降低了电解液的电导率、影响电解产物的排除，从而降低加工速度和加工所得螺旋槽的表面质量。

在阴极设计时发现，阴极螺旋槽与螺旋加工面交接处（图6 所示A处）为直角结构时，流域内流场分布受此影响较大， 现将A处改为小半径圆角结构，得到的新流场见图7，流道内只有出口附近还存在少许涡流，但此处为非加工面，不影响加工结果，流道内其他地方无涡流现象，且加工所得工件螺旋结构表面流速约为30 m/s，完全满足电解加工对电解液流速的要求。

4 加工试验及结果分析

4.1 正交试验

为求得各加工参数对螺旋槽加工深度的影响规律， 采用正交试验研究方法， 选取电压（12、14、16、18 V）、时间（1、3、5、7 min）、占空比（40%、50%、60%、70%）、初始加工间隙（0.1、0.15、0.2、0.25 mm）的四因素四水平试验设计方案。

根据初始加工间隙的不同，需在试件上预钻孔径不同的阵列孔，利用橡胶垫圈、ER32 弹簧夹头将阴极固定在刀柄上，刀柄一端接通电解液，另一端联接电源导线。 加工时需用锁紧螺栓固定刀柄轴套，防止加工中阴极发生旋转运动，同时阴极需深入预钻孔，使得工件与刀柄之间的间隙较小，在电解液流出时工件表面与刀柄间因存在电场而发生电化学反应， 所以在工件表面设有有机玻璃薄片，以防杂散腐蚀，其试验过程及结果见图8 和表1。

从极差分析可知，影响小孔径螺旋槽结构槽深的主次关系为：加工间隙＞电压＞占空比＞加工时间。从16 组试验可直接看出， 加工结果较好的为第2、3、14 号试验，这三组加工结果轮廓明显、杂散腐蚀小，成形精度高、无短路烧伤阴极现象。 用线切割剖开工件并采用超景深显微镜对加工所得螺旋槽进行三维扫描测量，并对各试验结果进行比较，部分加工结果见图9，其3D 成像和深度显示见图10。

表1 正交试验结果及分析

比较表1 所示螺旋槽槽深可看出各组试验数据对于试验结果的影响规律。 从试验1～4 号可看出，在加工间隙相同的情况下，随着电压、时间及占空比的增大，螺旋孔凹槽的深度也增大，加工效率越明显；同时，加工时间过长可能会引起阴极表面的附着物增加明显，导致电解液温度过高而加速绝缘材料的脱落。 相同电压下选取第1、5、9、13 号试验进行比较可知，加工电压较低时加工深度都不够理想；选取第4、8、12、16 号试验发现，加工电压较高时螺旋槽加工深度明显提高， 且随着占空比升高，加工深度也有所增加。

本试验中，以各组试验的电流变化规律最为明显，选择不同电压对应初始加工间隙时观测加工电流的变化趋势，其中电压为12、14、16、18 V 时初始加工间隙分别为0.1、0.2、0.3、0.4 mm。 由图11 可知，对应某一电压，随着加工时间的推移，电流呈逐渐下降的趋势， 这是由于加工过程中电压保持不变，加工面积缓慢增加、电解液流速缓慢降低、加工间隙逐渐增加，从而导致电流密度降低、材料去除速率降低；而针对相同初始加工间隙时，电压越高，加工电流越大，其去除速度越快，但并非电压越高越好，高电压加工时杂散腐蚀严重，加工所得表面质量与形状精度差，故需根据实际要求选择合理的电压参数。

综合对比分析可看出， 在电压14 V、 占空比60%时加工效果较好， 加工时间选择5 min 较为合适，此参数下加工所得螺旋槽深度理想，表面质量较好。

4.2 试验结果分析

4.2.1 加工间隙与槽深的关系

图12 是加工间隙与加工所得螺旋槽的槽深之间的关系，可看出随着加工间隙增大，螺旋槽深度逐渐减小。 这是由于同等加工电压下，加工间隙中电场强度逐渐降低， 导致电化学反应速度降低，从而使去除量下降，因此加工所得槽深减小，如此亦符合螺旋槽电解加工基本理论公式（4）， 即去除量跟加工间隙呈反比关系。

4.2.2 加工电压与槽深的关系

图13 是加工电压与螺旋槽槽深的关系， 可看出，螺旋槽深度随着加工电压的升高而增大。 这是由于电场强度大时电解蚀除能力增强，加工速度变快，金属去除量增多，使螺旋槽槽深也随之增大。

4.2.3 占空比与槽深的关系

采用脉冲电流加工是以周期间歇电流代替传统直流电流， 电流的脉冲效率可促使加工过程中，加工间隙内的电解产物和化学特性发生一系列变化，比如可提高加工精度、加工效率与表面质量。 图14 是占空比与螺旋槽槽深的关系，可看出，占空比在40%至60%时， 槽深逐渐增大。 这是由于占空比增大，脉冲有效率提高，即单个脉冲的加工时间增大，引起去除量增多。 当占空比超过60%后，槽深随着占空比增大而降低。 这是由于电解加工时脉冲占空比过大，单个脉冲能量过大，电解液产物来不及排除，起不到间歇排屑的效果，导致槽深变小。 由此可见，占空比60%为最佳值，此时电流利用率最高。

4.2.4 加工时间与槽深的关系

图15 是加工时间与螺旋槽槽深的关系， 可看出，在所选加工时间内，槽深随时间延长而增大，符合公式m=ηkIt，即当电流效率、电化学当量和电流强度一定时，去除量跟加工时间成正比。 当然，槽深增加并不会无限发展下去，当加工间隙增加到某一值时，此时的综合加工条件会限定电化学加工的继续，如加工间隙增大时电场强度降低，电解液的电阻率增大，阳极压降降低，当压降小于金属的电极电位时，则电化学反应不再继续；此外，加工时间过长会引起附加反应增多，能耗增大。

4.3 工具阴极优化后的加工试验

根据正交试验优化结果，选择加工参数为电压14 V、占空比60%、初始加工间隙0.4 mm、加工时间5 min，优化后的加工结果见图16。 经测量，螺旋槽的槽深在0.655～0.672 mm， 深度误差为0.017 mm，试验过程稳定、重复率高，符合设计要求。

5 结束语

采用表面强化结构-螺旋肋化通道是提高冷却孔冷却效果的有效方法之一，本文采用螺旋形阴极电解加工小孔径内壁螺旋槽结构。 首先改装了数控电解加工机床，研制具有通水、导电功能的特制刀柄；然后通过电场和流场分析指导阴极设计，解决了螺旋槽电解加工过程中存在涡流导致加工速度低、表面质量差的问题；最后通过正交试验研究了各加工参数对加工所得槽深的影响规律，从而得出优化的螺旋孔电解加工工艺参数，成功加工出效果理想的小孔内壁螺旋槽。