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分（fèn）散劑在TC4上進行電火花小孔加工的性能

2017-2-16 來源：太原理工大學作者（zhě）：唐浩峰曹明讓楊勝強李文輝李唯東

摘要（yào）：針對在TC4上進行電火花小孔加工時工件材料（liào）去除速度低、相對電（diàn）極損耗大的問題，為使加工高效低耗，嚐試將（jiāng）一定濃度的分（fèn）散劑聚丙烯（xī）酸（suān）鈉(PAAS)作為電火花小孔工作液，從加（jiā）工碎屑狀態、工作液表（biǎo）麵張力等方麵進行研究，並應（yīng）用FLUENT軟件對間隙工作液流速進行模擬，分析流場對碎屑的影響（xiǎng）。在此基礎上進行加工和穩定（dìng）性實驗，得到在TC4上進行電火花（huā）小孔加工的最佳工作液配比，改進後材料去除速度最大提高97．56％，加工深徑比最大提高了56．94％，研（yán）究結（jié）果為電火花加工配製合適的工作液提供（gòng）了參考（kǎo）。

關鍵詞：電火（huǒ）花（huā）JJ,：MJU工；分散劑；機理；仿真（zhēn）；實驗分（fèn）析

0 引言

鈦合金具（jù）有（yǒu）耐腐蝕、強度高、韌性好（hǎo）等特點，已被廣泛應用於航空航天、儀表設備和醫療器械等領域（yù）。但鈦合金變形係數小、導熱性差、化學活性大，傳統機械加工時會嚴重損耗刀具，影響加工效率（lǜ）和精度，因此，對其加工時一般（bān）使用電火花（huā）加工工藝。電（diàn）火花小（xiǎo）孑L加工是電火（huǒ）花加工中應用比較廣泛的技術之一，它可以在各種導電材料上加工（gōng）小（xiǎo）孔。

航空發動機葉片上有（yǒu）上千個（gè）散熱小孔，隨著我國航空事業的快速發展，找到一種高效低耗的小孔加工工（gōng）藝（yì）勢在必行。國內外學者在鈦合（hé）金小孔加（jiā）工方麵進行了大量研究。胡輝等[31通過對電（diàn）火花加工電（diàn）參數進行研（yán）究，經過（guò）參數優化得到了最優加工參數，使鈦合金加工效率和精度得（dé）到提高；張雲鵬等（děng）n3利用超聲電火（huǒ）花複（fù）合的方法（fǎ）對鈦合金進行加工，有效提高了鈦合金的表麵質量；戴立[53提出了提高電火花加工鈦合金放電爆炸力的（de）方法，使加工效率大幅提高；Pradhan等[63運用田口玄一提出的“田口法”對電火花加工參數進（jìn）行了優化，得到（dào）的電流對相對電極損耗、材（cái）料去除率（lǜ）起主要影響作用，使小孔加工（gōng）質量提高。但對於通過僅（jǐn）改變工作液性質來提高在TC4上的電（diàn）火花小孔（kǒng）加工，目前所做的研究相（xiàng）對較少。本文從改變電（diàn）火花加工工作液性（xìng）質入手，研究在鈦合金上（shàng）進行電火花小孔（kǒng）加工時使用一定濃度分散劑聚丙烯（xī）酸（suān）鈉(PAAS)作為工作液，通過對加工碎屑和工作液表麵張（zhāng）力的影響，從而提高電火花加工穩定（dìng）性（xìng），以提高材料去除速度，降低相（xiàng）對電（diàn）極損耗。

1.PAAS在電（diàn）火花小孔加工中的作（zuò）用機理

PAAS屬於聚羧酸類阻垢分散劑，為低分子量電解質，具（jù）有良好（hǎo）的鱉合性，能與鐵、銅、等多種金屬離子形成穩定的（de）絡合物，能溶解金（jīn）屬（shǔ）表麵的氧化物，具有較好的阻垢（gòu）效果並具有明顯的溶限效應‘8‘9]。通常（cháng）作為冷卻循環水係（xì）統中的阻垢劑的結構式如圖1所（suǒ）示，參（cān）數見表1。

表1 PAAS參數

PAAS在（zài）電火花（huā）小孔（kǒng）加（jiā）工中的作用機（jī）理可進行以下（xià）幾方麵分析：

(1)PAAS可與電火花小孔加工後工作液裏大量的金屬碎屑形成穩定（dìng）絡合物（wù），增加其在工作液裏的（de）溶解度（dù）。同（tóng）時其（qí）在水中電（diàn）離生成的陰離子具有強烈的吸附性，它會（huì）吸附在加工碎屑上，使其表麵帶有相同的電荷。由於靜電排斥作用力，這些顆粒就不會聚（jù）集，碎屑半徑，-大大減小[1曠1 3|。將電火（huǒ）花小孔加工中工作液與碎屑成為一個分散體係（xì），假設碎屑顆粒為球形質（zhì）點，其受到的重力為

(2)使用FLUENT軟件對間隙工作液流速進行模擬，假設黃銅電極為中空圓柱體，直徑為1 mm，取加工深度為（wéi）2 mm，黃銅電極（jí）轉速為120 r／min，工作液（yè）壓力P為2．0 MPa；電（diàn）火花小孔加（jiā）工（gōng）工作液雷諾（nuò）數為

圖2 間隙工作液流速模擬圖

圖3 側隙工作液流速模擬圖

由圖3可見，在電火花小（xiǎo）孔加工中電極與工件間隙側隙中間工作液流速較大，靠近電極和（hé）工件處工作液流速較小。間隙中碎屑（xiè）顆粒所受離心力為

易脫離所在軌道向（xiàng）外運動，圖3所示間隙側隙中間工作液流速大（dà）於邊緣工作液流速速度，所以碎屑直接減小，使得碎屑易排出，放電狀況變（biàn）好（hǎo）。

(3)液體（tǐ）內部。每個分（fèn）子會受到鄰近分子各個方向的吸（xī）引力（lì）(包括排斥（chì）力)，故液（yè）體（tǐ）內部分子所受合（hé）力為零，然而在液體表麵的分子總（zǒng）受到向液體內部的拉力作（zuò）用，即液體（tǐ）的表麵張力作用，所有液體（tǐ）都有一定的表麵張力。電火花小孔加工時，工作液分別（bié）與電極（jí）和工件接觸形成液（yè）一固（gù）膜，隨（suí）著工作液排出，界麵能發生變化產生黏附功，液一固相表麵被拉開。根（gēn）據（jù）特勞貝（bèi）定則，在稀溶液中，溶（róng）液的表麵張力相對減小值與濃度成正比，因此，PAAS工作（zuò）液（yè）較原有水（shuǐ）工作液表麵張力減小，工作液排出所要克服的黏附功（gōng）減小，在相同工（gōng）作液衝壓（yā）時，使電火花／J、=tLJJn工工作液更（gèng）易排出，加工穩（wěn）定性提高，減小“二次放電”。

(4)由於P丸峪在工作中也會電離出鈉離子，用其製備的電火花小孔加工工（gōng）作液（yè）電（diàn）導率會隨其（qí）濃度的增大而增大，嚐試通過工作液電導率的提高使極問距離（lí）適當增加，加工碎屑不易在孔（kǒng）底沉聚且更易（yì）排出，不易發生“二次放（fàng）電”，但工作液電導率太大會導致放電空載和“二次放電”概（gài）率增大，故工作液中PAAS濃度應控製在一定值內。

2.實驗及分析

2．1 實驗一

在D703F高（gāo）速電火花小孔機床（chuáng）上，使用1 mm的黃銅管（guǎn）狀電極對（duì）2 mm的TC4板進行小孑LJJu工，TC4物理參數見表（biǎo）2。衝液壓力為2．0 MPa，電極轉速為120 r／rain，加工（gōng）電流脈（mò）衝寬度選用35址S，電流強度選用6 A；分別以不同濃度的PAAS溶液作為電火花小孔加工工作（zuò）液；小孑L深（shēn）度與擊穿時間的比為加工的材料蝕除速度；單位時間的工具電極損耗長度為電極蝕除速（sù）度（dù），電極蝕除速度與材料蝕除速度為（wéi）相對電極損耗。實驗（yàn）數據見表3，材料（liào）蝕除速度和相（xiàng）對電極損（sǔn）耗與工作液（yè）PAAS濃度（dù）的（de）關（guān）係分別（bié）如（rú）圖4與圖5所示。

表2 TC4物理參數

表3實驗一（yī）實驗數據

圖4材料蝕（shí）除速度隨PAAS濃度變化的實驗曲線

圖5相對電極損耗隨PAAS濃度變化的買驗曲線

由實驗數據可見，當工作液的PAAS濃度由0增至0．35％時，電火花小孔加工材料蝕除速度隨（suí）著其濃度增大而增大，相對電極（jí）損耗隨其濃度增加而減小，這是因為碎屑表麵吸附的陰離子逐漸增多，碎屑間相互排斥不易團聚使半徑減小，工作液電導率也在此（cǐ）區間（jiān）內（nèi）逐漸增大，使得兩（liǎng）級間隙增大（dà），這都有利於碎屑的排出，使加工更加穩定，因此，此區間內（nèi）電火花小孔加工加工性較好。但工作液的PAAS濃度（dù）在o～O．1％區間內時，由於工（gōng）作液中PAAS濃度相對較小，陰離子不能完全覆蓋碎屑（xiè）表麵，故其加工性能改變量較小。當工作液PAAS濃（nóng）度為0．35％時，電火花小孔加工材料蝕除速度（dù）達到最大值0．81 mm／min，較原有水質工作（zuò）液提高97．56％，相（xiàng）對電極（jí）損耗達到（dào）最（zuì）小值15．5％，較原有水質（zhì）工作液（yè）降低38。25％。當PAAS濃度超過0．35％後，由於材料蝕除速度的增大，加工碎（suì）屑來不及排出，散熱條件（jiàn）變差，PAAS發生一定程度的碳化現象，加工穩定性降低，同時由於工作液電導率增大，放（fàng）電空載和“二（èr）次放電（diàn）”概率增加，因此，材料蝕除速度下降，相（xiàng）對電極損耗增加。

2．2實驗二

使用（yòng）與（yǔ）實驗一相同的實驗條（tiáo）件，選用不同濃度的工作液，在尺寸為25 mmX50 mmX25 mm的TCA塊上進行電火花4、孑LJJIJ工深徑比實驗，加工到無法正常加工時測量小孔（kǒng）深度。實驗結果見表4。

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