徐成，王津，窦春雨，孙冬，韩福柱

（1.清华大学机械工程系，北京市精密/超精制造装备和控制重点实验室，北京 100084；

2.工程兵学院，江苏徐州 221004）

基于抬刀和外部冲液的高温镍基合金电解加工实验研究

徐成1,2，王津1，窦春雨2，孙冬1，韩福柱1

（1.清华大学机械工程系，北京市精密/超精制造装备和控制重点实验室，北京 100084；

2.工程兵学院，江苏徐州 221004）

目前，在各类镍基合金电解加工方法中，普遍需进行强制冲液，针对不同形状的电极和工件需专门设计对应的冲液装置，普适性较差。为此，提出一种结合抬刀与外部冲液、改善极间加工环境的方法，通过实验验证了其可行性；同时，研究了不同抬刀参数对加工稳定性、效率和精度的影响规律，探讨了该方法的适用范围和应用前景，为不强制冲液的镍基合金电解加工提供了一种新的思路。

电解加工；冲液；抬刀；高温镍基合金

在高温镍基合金（GH4169）电解加工过程中，会产生大量气泡和加工屑，如不及时排出，将严重影响加工效率和精度，并导致电极与工件之间发生短路，甚至烧伤电极和工件[1-2]。目前的加工方法主要为强制冲液方式，常见的有正流式、反流式、侧流式等[3]。正流式常用于型孔加工，需在电极内部进行打孔，对于形状扭曲的电极，难度较大。朱荻等在叶栅通道预加工中，采用管电极侧壁打孔的方式进行冲液，并设计了密封均流装置，防止杂散腐蚀，改善了流场，提高了加工精度[4]。徐正扬提出了主动控制的双向进液电解液流动方式，使电解液流场更均匀，取得了很好的效果[5]。但这些冲液方式都需根据电极和工件的具体形状设计专门的流液通道或冲液装置，花费时间长，且普适性较差。

为此，本文提出了抬刀辅助外部冲液的方式，通过电极抬刀和冲液的相互配合，使电解产物能及时排出，电解液能及时更新，大大节省了制作冲液装置的时间，有效提高了加工的普适性。本文首先通过实验验证了抬刀结合外部冲液加工方法的可行性，在此基础上，研究了抬刀参数对加工稳定性、加工效率及加工精度的影响，并用不同形状的电极进行了窄槽和圆孔加工实验，探讨了抬刀结合外部冲液加工方法的适用范围及其应用前景，为不强制冲液进行电解加工镍基合金提供了一种新的思路。

1 实验平台简介

实验平台见图1。机械部分采用精密数控电火花成形机床，X、Y、Z轴行程为300、200、270 mm，数控系统和电源系统具有高速抬刀、短路回退、抬刀断电等功能。工件为100 mm×100 mm×10 mm的GH4169高温镍基合金板。电解液槽为不锈钢槽，采用固定在槽内的不锈钢块和压块将工件固定在电解液槽内。循环系统由自吸泵将电解液槽中流出的待过滤电解液抽入过滤器中，经过滤后，将去除杂质的电解液送入圆桶，再利用高压泵将过滤后的电解液送入电极和工件结合处，高压泵出口处可达到的最高压强为0.5 MPa。

图1 整体实验平台

2 抬刀结合外部冲液方法的可行性实验

为解决电解加工镍基合金中强制冲液普适性差的问题，本文提出了抬刀结合外部冲液的方法。为验证该方法的可行性，首先需对电解加工时气泡和加工屑的产生、形态及运动行为进行了解，研究抬刀和冲液分别对加工间隙内气泡、加工屑的排出和对电解液更新效果的影响。因此，设计了只抬刀不冲液、只冲液不抬刀和抬刀结合外部冲液3种加工实验，循序渐进地探究抬刀结合外部冲液在改善极间加工环境方面的效果，从而验证抬刀结合外部冲液方法的可行性。

2.1 抬刀不冲液加工实验

通过此实验可清晰地观察气泡、加工屑的产生及在单独抬刀作用下的运动行为。电极抬刀过程见图2。电极与工件有一定的初始距离，加工开始时，电极向上抬刀，抬刀高度为1 mm，到达最高点时，快速向下运动至抬刀起始点，此时电极开始进行匀速进给，进给速度为0.1 mm/min；同时，电源系统上电进行脉冲供电，加工开始进行，该段时间称为电极加工时间。当电极加工时间结束时，电极迅速向上抬起，进入下一抬刀循环周期。为减小杂散腐蚀，采取抬刀断电模式进行加工，即在抬刀阶段，电源系统切断供电。

图2 电极抬刀及供电过程

实验采用方形电极，与工件相对应的加工面为2 mm×10 mm的长方形（图3）。加工参数见表1。

表1 实验主要参数

图3 加工面积为2 mm×10 mm的电极

当电极进入进给阶段时，电源系统开始供电，电极和工件接触部位会迅速产生大量气泡，气泡包裹着电极向上运动。当电极快速向下运动时，会有部分加工屑呈黑色絮状物，从电极和工件之间的缝隙被挤压出来，絮状加工屑的面积与电极和工件接触面积相当（图4）。当电极与工件间距较大时，加工较平稳，气泡和加工屑能被挤压出来，电解液随着电极抬刀过程产生的真空效应被周围液体压入加工区域。

图4 抬刀加工过程

随着加工至工件表面以下0.5 mm处时，排屑开始不畅，并有短路现象发生，加工无法继续进行。加工后的工件见图5，圆圈处为短路烧伤痕迹。

图5 抬刀加工结果

通过实验可看出，由于气泡数量大，加工屑多且呈絮状，加工间隙内有大量气泡和加工屑，仅靠抬刀过程无法及时将电解产物排出，电解液无法顺利进入间隙，造成了短路现象。要改善极间加工环境，必需外力辅助排出电解产物，于是本研究设计了只冲液不抬刀加工实验，观察冲液对改善极间加工环境的效果。

2.2 冲液不抬刀加工实验

此实验采用与抬刀不冲液实验相同的加工参数，电极匀速向下进给，加工过程见图6。

图6 冲液不抬刀加工过程

加工开始时，由于无抬刀断电，电极周围源源不断地产生气泡，在外部冲液的作用下，气泡和加工屑被冲散至电极四周，并迅速蔓延到整个电解液槽中，槽内电解液很快变浑浊。冲液时，初始间隙内的加工电流为8.82 A；而抬刀不冲液时，初始间隙内的电流为6.44 A，冲液时电流较大说明当加入外部冲液时，在电极和工件有一定间隙的情况下，能起到增强排屑、改善加工间隙内电解液更新的效果。随着加工至工件表面以下0.6 mm时，开始出现短路现象。此时，由于间隙较小，外部冲液的方式难以进入间隙内部，导致电解液不能及时更新，故发生短路。加工结果见图7，圆圈处为短路烧伤痕迹。

图7 冲液不抬刀加工结果

通过实验可看出，只冲液不抬刀加工在间隙较大时可正常进行，但当间隙较小时，外部冲液难以进入加工间隙，导致间隙内充满气泡和加工屑，严重阻碍了加工的正常进行，最终发生短路。

2.3 抬刀结合外部冲液加工实验

由上述实验结果可看出，抬刀与冲液都对排出电解产物、更新电解液有一定作用，但在加工深度增加时，仅靠其一无法及时更新电解液，最终都会导致短路。因此，本研究提出了抬刀与外部冲液相结合的方法，以增强排屑能力，促进电解液更新。

实验条件同表1。当电极进入加工阶段时，瞬间产生大量气泡，在外部冲液的作用下，气泡被冲散至四周，同时，外部冲液可带走部分间隙内的加工屑。当进给结束时，电极立即抬刀，同时切断供电，气泡停止产生，电极和工件之间的距离增大，外部冲液能将加工阶段未完全冲走的加工屑进一步冲走。当下一个加工周期重新开始时，电极和工件之间无加工屑，电解液被冲进加工间隙内，以保证下一加工周期能顺利进行。整个加工过程十分稳定，当加工较深时，此方法仍能将电解产物顺利排出，及时更新电解液。加工结果见图8。可看出，抬刀结合外部冲液的方法能有效排出加工间隙内的电解产物，及时更新电解液，保证加工稳定进行。

图8 抬刀结合冲液加工的工件

3 电极加工时间对加工过程的影响

采用抬刀结合外部冲液方式进行加工时，在电极加工阶段，由于电极与工件的间隙较小，间隙内的新鲜电解液数量是有限的。如果电极加工时间太长，则会出现电解液被耗尽、气泡和加工屑无法排出而充满加工间隙的情况，此时，若电极仍向下进给就会发生短路。如果进给时间太短，新鲜电解液未被加工完就开始抬刀，此时，会大大降低加工效率，且整体加工时间相对较长，会增加侧面的杂散腐蚀。因此，采用合适的电极加工时间对于加工稳定性、加工效率和加工精度有着重要的影响。

3.1 电极加工时间对加工稳定性的影响

图9是不同电极加工时间下，能稳定加工的深度。可看出，当电极加工时间为700、900 ms时，加工能稳定进行，整个加工过程无短路现象；当电极加工时间增大为1100 ms时，加工至3.8 mm处第1次出现短路现象。此时，系统通过判断电流检测到发生短路，立即拉长电压脉间，同时电极快速回退，回退过程中不断检测；当检测到距离足够大、不再短路时，继续向下进给加工。短路回退后，又继续向下加工，在4.27、5.6 mm时又分别出现短路，直至最后加工至6.32 mm时短路。此后虽然回退继续加工，但多数是回退后又向下加工的往复运动，实际向下的进给量很少，所以取此时的加工深度为最终加工深度。

图9 不同电极加工时间下的加工深度

通过实验说明，当电极加工时间增加时，间隙内的电解液消耗时间长，产生的气泡和加工屑数量多，当电解液消耗完时，电极没有立即抬刀，而是继续进给，导致发生短路。在加工至3.8 mm之前，由于加工深度较浅，冲液效果较好，电解液可维持1100 ms的加工时间。随着加工深度的增加，进入间隙内的电解液数量减少，新鲜的电解液不足以维持1100 ms的加工时间，从而导致短路。短路回退加工时，由于侧面和底面进行了重复加工，侧面和底面间隙变大，增加了新鲜电解液的供应量，从而可维持1100 ms继续向下加工。下次发生短路时，重复此短路回退的侧面重复加工过程。当深度继续加大时，需不断回退对侧面进行重复加工，以此增大侧面间隙，增加电解液供给，从而导致加工速率减慢，时间主要消耗在不断的短路回退往复运动上。

当电极加工时间为700、900 ms时，都能进行稳定加工，说明间隙内的气泡和加工屑足够少，电解液足以维持900 ms的加工时间，整个加工过程十分稳定。因此，在保证稳定加工的前提下，应首先选择较大的电极加工时间进行加工。

3.2 电极加工时间对加工效率的影响

在进给速度相同的条件下，电极加工时间越长，每个抬刀周期内加工的深度越深，所以在上述3种电极加工时间都能保证稳定加工的深度范围内，采用的电极加工时间越长，加工效率越高。本实验中，加工深度为3 mm时，电极加工时间为1100 ms的实验加工耗时最短，效率最高。

采用电极加工时间为1100 ms加工时，虽中途有短路，但仍能加工6.32 mm的深度，所以选取短路前加工深度为6 mm时所用的加工时间与同等加工深度条件下的其他两组实验进行对比。

图10是加工深度为6 mm时，3种电极加工时间下的加工耗时。可看出，电极加工时间为700 ms时，耗时51 min；电极加工时间为900 ms时，耗时43 min；电极加工时间为1100 ms时，耗时53 min。即电极加工时间为900 ms时，耗时最少，加工效率高。因为电极加工时间为1100 ms时，加工深度3 mm之前的加工速度最快；但随着深度增大，间隙内的加工环境恶化，短路次数随之增加。为保证加工仍继续进行，需不断地短路回退重复加工侧面。当加工至深度6 mm时，出现了7次短路回退，每次回退再重新加工至原位，需耗时约4 min，导致加工时间增大，效率降低。

图10 加工同样深度所需的时间

3.3 电极加工时间对加工精度的影响

图11是3种电极加工时间下的工件进口处照片。电极加工时间为1100 ms时，工件进口处尺寸为11.70 mm×4.30 mm；电极加工时间为900 ms时，进口处尺寸为11.28 mm×3.68 mm；电极加工时间为700 ms时，进口处尺寸为11.38 mm×3.80 mm。由此可看出，电极加工时间为900 ms时的工件形状精度最高，700 ms时次之，1100 ms时最差。这是因为电极加工时间为900 ms时的加工时间最短，且整个加工过程稳定无短路，电极与侧面之间的加工时间最短，故形状精度较高。电极加工时间为700 ms时，侧壁加工时间较长，杂散腐蚀时间长，故形状精度稍差。当电极加工时间增大至1100 ms时，由于加工过程中频繁出现短路现象，使侧面进行重复加工，所以精度最差。因此，在实际加工中，应保证在稳定加工的前提下，选择较大的电极加工时间，或采用智能控制电极加工时间的方法；加工深度较浅时，采用较大的电极加工时间；随着深度的增加，相应减小电极加工时间。该方法既能保证加工效率，又能提高加工精度。

4 抬刀结合外部冲液法适用范围的探讨

4.1 窄槽加工实验

通过加工相同宽度、不同长度的窄槽，验证了外部冲液覆盖范围与窄槽加工长度的关系，提出了加工不同长度窄槽时应采用的冲液方式。实验条件同表1，电极宽度为2 mm。当电极长度为10 mm时，使用1根喷液管进行冲液，可稳定加工至深度10 mm。当电极长度为15 mm时，使用1根喷液管进行冲液，加工至3.80 mm深时开始短路；使用2根喷液管冲液时，加工至10 mm深时仍能稳定加工（图12）。当电极长度为20 mm时，使用2根喷液管冲液，加工至8.24 mm深时开始短路；使用3根喷液管冲液时，可稳定加工至10 mm深（图13）。可以预见，当电极长度增加时，可相应增加喷液管，保证喷液宽度能覆盖整个加工区域，即可保证加工产物及时排出，电解液能及时更新。

图12 2 mm×15 mm电极加工的工件

图13 2 mm×20 mm电极加工的工件

4.2 圆孔加工实验

采用圆柱电极进行圆孔加工实验，加工参数与窄槽加工实验相同。圆柱电极直径分别为10、15、20 mm，加工深度分别为2.42、0.76、0.44 mm。加工结果见图14。可看出，采用圆柱电极进行加工时，凭借外部喷液管难以有效冲走电解产物，不能及时更新电解液，所以导致加工深度较浅。当电极直径为15 mm时，工件表面有明显的突起，这是因为靠外部冲液在较大面积下，电解液难以到达电极中心，导致电极中心处的蚀除量较小，故相比其他部位有突起；随着加工的进行，短路最先在此处发生，如图14b所示的圆圈内即为短路痕迹。当电极直径增大至20 mm时，可明显看到有一处宽约3 mm的突起带，该处冲液状况较差，最终发生短路（图14c）。

图14 圆柱电极加工结果

通过窄槽和圆孔加工实验可看出，在实心电极条件下，抬刀结合外部冲液的加工方法更适用于窄槽的加工，大面积实体电极的加工深度较浅，冲液排屑较困难，易发生短路。当前，整体涡轮叶盘加工中需先开槽、后精加工，由于叶片之间通道较窄，为预加工槽增加了难度[6]。本文提出的抬刀结合外部冲液方法可作为一种积极的尝试应用在叶栅通道加工中。

5 结论

针对高温镍基合金电解加工中存在的强制冲液普适性不高的问题，提出了一种抬刀结合外部冲液排除电解产物的方法，通过实验得出以下结论：

（1）抬刀结合外部冲液方法能排出电解产物，及时更新间隙内的电解液，有效改善极间加工环境，使电解加工稳定进行。

（2）随着电极加工时间的增加，加工稳定性会逐步降低，短路现象逐渐增多，但在能够保证稳定加工的前提下，适当增加电极加工时间，可提高加工效率和加工精度。

（3）抬刀结合外部冲液的方法不适用于较大面积、较大深度的加工，而在加工窄槽方面有着独特的优势，在叶栅通道较窄的整体涡轮叶盘加工及带冠涡轮叶盘通道的粗加工方面有较大的应用前景。

[1]Westley J A，Atkinson J，Duffield A.Generic aspects of tool design for electrochemical machining[J].Journal of Materials Processing Technology，2004，149（1）：384-392.

[2]钱密，徐家文.数控展成电解加工的阴极结构及流场研究[J].航空精密制造技术，2003（2）：14-18.

[3]孙春华，朱荻，李志永，等.考虑流场特性的发动机叶片电解加工阴极设计及数值仿真[J].东南大学学报（自然科学版），2004（5）：613-617.

[4]徐庆，朱荻，徐正扬.整体叶盘通道电解加工流场的均匀性[J].华南理工大学学报（自然科学版），2011（6）：7-12.

[5]徐正扬.发动机叶片精密电解加工关键技术研究[D].南京：南京航空航天大学，2008.

[6]韦树辉，徐正扬，孙伦业，等.整体叶盘叶栅通道电解加工工具电极进给方向优化设计[J].电加工与模具，2012（4）：21-25.

Experimental Study on ECM Nickel-based Super Alloy Based on Electrode Jump and External Flushing

Xu Cheng1,2，Wang Jin1，Dou Chunyu2，Sun Dong1，Han Fuzhu1
（1.Tsinghua University，Beijing Key Lab of Precision/Ultra-precision Manufacturing Equipments and Control，Beijing 100084，China；
2.The Institute of Engineering Corps，Xuzhou 221004，China）

Forced flushing was widely applied in most electrochemical machining(ECM)on nickel-based super alloy.It cost lot of time to fabricate flow device in order to adapt different shape electrodes and workpieces.A new electrolyte flow mode to improve the machining condition in the gap by using the electrode jump and external flushing is proposed.This research verify the impact of the jump time to the stability and efficiency through series experiments.Finally the applicable prospect of this flushing mode is discussed which provide a new thought in the ECM on nickel-based super alloy.

electrochemical machining(ECM)；flushing；jump；nickel-based super alloy

TG662

A

1009－279X（2014）04－0028-05

2014-03-28

徐成，男，1987年生，硕士研究生。