分散劑在TC4上進(jìn)行電火花小孔加工的性能
2017-2-16 來源：太原理工大學(xué) 作者：唐浩峰 曹明讓 楊勝強(qiáng) 李文輝 李唯東
摘要：針對在TC4上進(jìn)行電火花小孔加工時(shí)工件材料去除速度低、相對電極損耗大的問題，為使加工高效低耗，嘗試將一定濃度的分散劑聚丙烯酸鈉(PAAS)作為電火花小孔工作液，從加工碎屑狀態(tài)、工作液表面張力等方面進(jìn)行研究，并應(yīng)用FLUENT軟件對間隙工作液流速進(jìn)行模擬，分析流場對碎屑的影響。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行加工和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)，得到在TC4上進(jìn)行電火花小孔加工的最佳工作液配比，改進(jìn)后材料去除速度最大提高97．56％，加工深徑比最大提高了56．94％，研究結(jié)果為電火花加工配制合適的工作液提供了參考。
關(guān)鍵詞：電火花JJ,：MJU工；分散劑；機(jī)理；仿真；實(shí)驗(yàn)分析
0 引言
鈦合金具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、韌性好等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、儀表設(shè)備和醫(yī)療器械等領(lǐng)域。但鈦合金變形系數(shù)小、導(dǎo)熱性差、化學(xué)活性大，傳統(tǒng)機(jī)械加工時(shí)會嚴(yán)重?fù)p耗刀具，影響加工效率和精度，因此，對其加工時(shí)一般使用電火花加工工藝。電火花小孑L加工是電火花加工中應(yīng)用比較廣泛的技術(shù)之一，它可以在各種導(dǎo)電材料上加工小孔。
航空發(fā)動機(jī)葉片上有上千個(gè)散熱小孔，隨著我國航空事業(yè)的快速發(fā)展，找到一種高效低耗的小孔加工工藝勢在必行。國內(nèi)外學(xué)者在鈦合金小孔加工方面進(jìn)行了大量研究。胡輝等[31通過對電火花加工電參數(shù)進(jìn)行研究，經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化得到了最優(yōu)加工參數(shù)，使鈦合金加工效率和精度得到提高；張?jiān)迄i等n3利用超聲電火花復(fù)合的方法對鈦合金進(jìn)行加工，有效提高了鈦合金的表面質(zhì)量；戴立[53提出了提高電火花加工鈦合金放電爆炸力的方法，使加工效率大幅提高；Pradhan等[63運(yùn)用田口玄一提出的“田口法”對電火花加工參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到的電流對相對電極損耗、材料去除率起主要影響作用，使小孔加工質(zhì)量提高。但對于通過僅改變工作液性質(zhì)來提高在TC4上的電火花小孔加工，目前所做的研究相對較少。本文從改變電火花加工工作液性質(zhì)入手，研究在鈦合金上進(jìn)行電火花小孔加工時(shí)使用一定濃度分散劑聚丙烯酸鈉(PAAS)作為工作液，通過對加工碎屑和工作液表面張力的影響，從而提高電火花加工穩(wěn)定性，以提高材料去除速度，降低相對電極損耗。
1.PAAS在電火花小孔加工中的作用機(jī)理
PAAS屬于聚羧酸類阻垢分散劑，為低分子量電解質(zhì)，具有良好的鱉合性，能與鐵、銅、等多種金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，能溶解金屬表面的氧化物，具有較好的阻垢效果并具有明顯的溶限效應(yīng)‘8‘9]。通常作為冷卻循環(huán)水系統(tǒng)中的阻垢劑的結(jié)構(gòu)式如圖1所示，參數(shù)見表1。
表1 PAAS參數(shù)
PAAS在電火花小孔加工中的作用機(jī)理可進(jìn)行以下幾方面分析：
(1)PAAS可與電火花小孔加工后工作液里大量的金屬碎屑形成穩(wěn)定絡(luò)合物，增加其在工作液里的溶解度。同時(shí)其在水中電離生成的陰離子具有強(qiáng)烈的吸附性，它會吸附在加工碎屑上，使其表面帶有相同的電荷。由于靜電排斥作用力，這些顆粒就不會聚集，碎屑半徑，-大大減小[1曠1 3|。將電火花小孔加工中工作液與碎屑成為一個(gè)分散體系，假設(shè)碎屑顆粒為球形質(zhì)點(diǎn)，其受到的重力為
(2)使用FLUENT軟件對間隙工作液流速進(jìn)行模擬，假設(shè)黃銅電極為中空圓柱體，直徑為1 mm，取加工深度為2 mm，黃銅電極轉(zhuǎn)速為120 r／min，工作液壓力P為2．0 MPa；電火花小孔加工工作液雷諾數(shù)為
圖2 間隙工作液流速模擬圖
圖3 側(cè)隙工作液流速模擬圖
由圖3可見，在電火花小孔加工中電極與工件間隙側(cè)隙中間工作液流速較大，靠近電極和工件處工作液流速較小。間隙中碎屑顆粒所受離心力為
易脫離所在軌道向外運(yùn)動，圖3所示間隙側(cè)隙中間工作液流速大于邊緣工作液流速速度，所以碎屑直接減小，使得碎屑易排出，放電狀況變好。
(3)液體內(nèi)部。每個(gè)分子會受到鄰近分子各個(gè)方向的吸引力(包括排斥力)，故液體內(nèi)部分子所受合力為零，然而在液體表面的分子總受到向液體內(nèi)部的拉力作用，即液體的表面張力作用，所有液體都有一定的表面張力。電火花小孔加工時(shí)，工作液分別與電極和工件接觸形成液一固膜，隨著工作液排出，界面能發(fā)生變化產(chǎn)生黏附功，液一固相表面被拉開。根據(jù)特勞貝定則，在稀溶液中，溶液的表面張力相對減小值與濃度成正比，因此，PAAS工作液較原有水工作液表面張力減小，工作液排出所要克服的黏附功減小，在相同工作液沖壓時(shí)，使電火花／J、=tLJJn工工作液更易排出，加工穩(wěn)定性提高，減小“二次放電”。
(4)由于P丸峪在工作中也會電離出鈉離子，用其制備的電火花小孔加工工作液電導(dǎo)率會隨其濃度的增大而增大，嘗試通過工作液電導(dǎo)率的提高使極問距離適當(dāng)增加，加工碎屑不易在孔底沉聚且更易排出，不易發(fā)生“二次放電”，但工作液電導(dǎo)率太大會導(dǎo)致放電空載和“二次放電”概率增大，故工作液中PAAS濃度應(yīng)控制在一定值內(nèi)。
2.實(shí)驗(yàn)及分析
2．1 實(shí)驗(yàn)一
在D703F高速電火花小孔機(jī)床上，使用1 mm的黃銅管狀電極對2 mm的TC4板進(jìn)行小孑LJJu工，TC4物理參數(shù)見表2。沖液壓力為2．0 MPa，電極轉(zhuǎn)速為120 r／rain，加工電流脈沖寬度選用35址S，電流強(qiáng)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液；小孑L深度與擊穿時(shí)間的比為加工的材料蝕除速度；單位時(shí)間的工具電極損耗長度為電極蝕除速度，電極蝕除速度與材料蝕除速度為相對電極損耗。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3，材料蝕除速度和相對電極損耗與工作液PAAS濃度的關(guān)系分別如圖4與圖5所示。
表2 TC4物理參數(shù)
表3實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)
圖4材料蝕除速度隨PAAS濃度變化的實(shí)驗(yàn)曲線
圖5相對電極損耗隨PAAS濃度變化的買驗(yàn)曲線
由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，當(dāng)工作液的PAAS濃度由0增至0．35％時(shí)，電火花小孔加工材料蝕除速度隨著其濃度增大而增大，相對電極損耗隨其濃度增加而減小，這是因?yàn)樗樾急砻嫖降年庪x子逐漸增多，碎屑間相互排斥不易團(tuán)聚使半徑減小，工作液電導(dǎo)率也在此區(qū)間內(nèi)逐漸增大，使得兩級間隙增大，這都有利于碎屑的排出，使加工更加穩(wěn)定，因此，此區(qū)間內(nèi)電火花小孔加工加工性較好。但工作液的PAAS濃度在o～O．1％區(qū)間內(nèi)時(shí)，由于工作液中PAAS濃度相對較小，陰離子不能完全覆蓋碎屑表面，故其加工性能改變量較小。當(dāng)工作液PAAS濃度為0．35％時(shí)，電火花小孔加工材料蝕除速度達(dá)到最大值0．81 mm／min，較原有水質(zhì)工作液提高97．56％，相對電極損耗達(dá)到最小值15．5％，較原有水質(zhì)工作液降低38。25％。當(dāng)PAAS濃度超過0．35％后，由于材料蝕除速度的增大，加工碎屑來不及排出，散熱條件變差，PAAS發(fā)生一定程度的碳化現(xiàn)象，加工穩(wěn)定性降低，同時(shí)由于工作液電導(dǎo)率增大，放電空載和“二次放電”概率增加，因此，材料蝕除速度下降，相對電極損耗增加。
2．2實(shí)驗(yàn)二
使用與實(shí)驗(yàn)一相同的實(shí)驗(yàn)條件，選用不同濃度的工作液，在尺寸為25 mmX50 mmX25 mm的TCA塊上進(jìn)行電火花4、孑LJJIJ工深徑比實(shí)驗(yàn)，加工到無法正常加工時(shí)測量小孔深度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表4。
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