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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)定性實驗,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;實驗分析

      0 引言

      鈦合金具有耐腐蝕、強(qiáng)度高、韌性好等特點,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;張云鵬等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分散體系,假設(shè)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(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。每個分子會受到鄰近分子各個方向的吸引力(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,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,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.實驗及分析

      2.1 實驗一

      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度,電極蝕除速度與材料蝕除速度為相對電極損耗。實驗數(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實驗一實驗數(shù)據(jù)



圖4材料蝕除速度隨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(shù)據(jù)可見,當(dāng)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,這是因為碎屑表面吸附的陰離子逐漸增多,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,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,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實驗二

      使用與實驗一相同的實驗條件,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工深徑比實驗,加工到無法正常加工時測量小孔深度。實驗結(jié)果見表4。







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