电极表面绝缘层条件下电解电火花加工Ti60试验与分析①

张建翔，魏天路，张 杰

(蚌埠学院机械与车辆工程学院，安徽 蚌埠 233030)

0 引 言

Ti60合金小孔结构广泛应用于航空航天、医疗卫生器械、机械制造装备等领域中[1-2]，对于高性能材料Ti60合金小孔的加工，受到材料硬度、强度等力学性能的影响，对其加工方法、加工设备性能提出了更高的要求[3]。采用传统的刀具加工钛合金小孔结构，对刀具尺寸精度、强度要求较高，而且过高的切削温度会产生切削表面缺陷，难以保证小孔的加工质量[4]。采用电解电火花特种加工技术，可以有效避免传统加工过程中因加工刀具不足带来的小孔加工质量问题[5]。电解电火花小孔加工，电火花的作用实现小孔主要材料的快速去除，电解的作用实现电火花加工小孔表面产生的再铸层、毛刺等去除[6-7]。但电解电火花小孔加工时，加工进入小孔内电极在通电的作用下，小孔内上表面区域加工时间相对延长，小孔入口处直径与电极直径形成较大的直径差；随着小孔加工深度的增加，孔内电极表面受电腐蚀及碳化的作用，影响小孔内电极通电作用的稳定性和加工能力，同时影响加工时导电性能，而减小小孔加工表面再铸层、毛刺等去除作用[8]。

鉴于上述研究背景，在电极表面涂绝缘层的条件，制定试验加工装置，设定试验加工参数，开展电解电火花小孔加工试验于分析，研究在电极表面涂绝缘层条件对电解电火花加工Ti60合金小孔性能与质量的影响规律。

1 试验加工装置与测量装置

1.1 试验加工装置

试验加工装置由加工装置、电源装置、电信号采集装置、工作液循环系统等部分组成。如图1所示电极表面涂绝缘层条件下电解电火花小孔加工试验装置组成。

1.电极夹持装置 2.电解加工直流电源 3.安全电阻 4.示波器 5.工件 6.工作液槽 7.工件夹具 8.工作液循环槽 9.表面涂绝缘层管电极 10.过滤器 11.电火花加工脉冲电源 12.泵 13.安全阀

试验加工时，将表面涂绝缘层管电极装置在电极夹持装置下端面上，加工工件Ti60固定于工作液槽中，且浸没于电解液液面下2～3mm。依次开启电源装置、加工装置、工作液循环系统、电信号采集装置，表面涂绝缘层的管电极沿垂直方向向下进给时，实现电解电火花小孔加工试验，并实现加工过程电信号的采集。

(1)TBS1000B型示波器 (2)NANOVEA影像仪

1.2 测量装置

电解电火花加工过程电极通电作用的稳定性，采用加工时采集电信号的峰值电压及波动情况进行反映，电信号采用TBS1000B型示波器进行测量采集。试验加工后小孔直径、表面再铸层厚度测量采用NANOVEA影像仪进行测量采集。如图2所示试验电信号采集与小孔测量设备。

2 试验加工参数设置

为研究电极表面绝缘层条件下电解电火花小孔加工性能与质量影响的规律，试验参数设置从加工电压、电流、脉冲间距、电解液浓度等方面进行开展试验加工参数设置。从试验中探究出在加工参数设定下，电极表面涂绝缘层对提高小孔加工过程电极通电作用的稳定性和加工能力、减小小孔加工直径与电极直径差、减小表面再铸层厚度的规律。试验加工参数设置如表1所示。

表1 试验加工参数设置

3 试验结果与讨论

3.1 电极表面涂绝缘层对加工小孔过程电极通电作用稳定性与加工能力影响

图3为试验加工过程采用示波器所采集的加工过程电信号。从图3可以看出，根据试验加工脉冲参数设置100μs，加工过程电极通电作用采集电信号呈现稳定的周期性变化过程。电解液浓度越高，其加工过程采集的峰值电压也有所增加，分值电压在20V～25V间波动，这是因为电解液浓度增加，促进了加工时电解电火花的作用，激发了电极下端面区域加工时短时间内的峰值电压大于设定电压20V。电极表面涂绝缘层有效地避免了电极端面区域以外的电极表面因电解液浓度的影响，形成电极表面电腐蚀及碳化现象，而造成加工小孔过程电极通电作用的不稳定现象。提高了小孔加工过程电极通电作用的稳定性及加工的能力。

图3 电极表面涂绝缘层在不同电解液浓度下加工小孔过程采集电信号

3.2 电极表面涂绝缘层对加工小孔直径的影响

从图4中可以看出，在电极表面涂绝缘层的情况下，根据设定的试验加工参数进行试验加工后，随着电解液浓度的增加，加工小孔直径与电极直径差随之增加，直径差分别为0.016mm、0.034mm、0.047mm，由于绝缘漆的厚度为0.005mm，加工小孔直径与电极直径差为0.006mm、0.024mm、0.037mm，直径差均小于0.04mm。表面涂有绝缘层的电极在进行小孔加工时，在绝缘层的作用下电极端面区域形成主要的电解电火花加工，在加工区域垂直方向随距离电极端面距离越大，其电解作用逐渐适当降低，有效地避免了电极端面加工区域以外孔的表面因通电作用下电解电火花过度加工小孔，而形成显著增加孔直径的现象，使孔加工直径难以控制。电解液浓度的增加，加强了电解电火花加工能力，加工小孔直径表现逐渐加大。电极表面涂绝缘层对加工小孔直径与电极直径差减小有明显的效果。

图4 电极表面涂绝缘层在不同电解液浓度下加工小孔直径

3.3 电极表面涂绝缘层对加工小孔表面再铸层的影响

从图5中可以看出，依据试验加工参数表设定下，电极表面涂有绝缘层，随着电解液浓度的增加，加工小孔上表面区域的表面再铸层厚度逐渐减，表面再铸层厚度最大分别为30.52μm、33.07μm、26.00μm，表面再铸层厚度均小于34μm。这是因为电极表面涂绝缘层，避免了电极下断面区域以外电极表面因通电作用形成再铸层。在电解液浓度的增加及电压、电流等参数不变的情况下，又适当增加了电极下端面区域以外加工过程电解的作用，使电火花过程产生的再铸层在电解逐渐适当加强的作用下，有效地减小了再铸层的厚度，同时电极表面涂绝缘层有效地避免了小孔加工区域表面过电解的影响，保证了孔的加工质量。

图5 电极表面涂绝缘层在不同浓度下加工小孔表面再铸层

4 结 论

通过在电极表面涂绝缘层的条件下，对Ti60进行电解电火花小孔加工试验，得出结论如下：

1.电极表面涂绝缘层电解电火花小孔加工，有效地提高了加工小孔过程电极通电作用的稳定性与加工能力，加工过程呈现周期性的稳定加工。

2.电极表面涂绝缘层电解电火花小孔加工，在电解液浓度加大的情况下，加工小孔入口处直径与电极直径差虽有所增加，但直径差有效得到了较大的减小；加工小孔表面区域再铸层厚度逐渐减小，再铸层厚度值均较小。