CN111545850B - 乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法，包括：步骤1、将工件和线电极装夹到机床上；步骤2、在工作液槽中加入工作液；所述工作液的溶剂为乙二醇；步骤3、将工件接脉冲电源正极，线电极接脉冲电源负极；步骤4、调整工件和线电极的相对位置，保证初始加工间隙；步骤5、开启脉冲电源，同时线电极进给，开始对工件进行电解电火花复合线切割加工。本发明采用乙二醇基溶液作为工作液代替传统的水基工作液进行电解电火花复合线切割加工，解决了铝及铝合金，钛及钛合金等金属材料在水基溶液中容易不断产生钝化膜导致表面加工质量差、重铸层去除不均匀的问题，同时加工过程中的电火花放电作用能有效地提高加工效率。
Description
技术领域
本发明涉及特种加工技术领域，特别是涉及一种乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法。
背景技术
电解电火花复合线切割加工方法是一种结合了电解加工和电火花加工的复合加工方法。
电解线切割加工是基于金属工件在工作液中产生电化学阳极溶解的原理进行加工的加工方法，这种方法加工表面无重铸层，表面质量高，但是加工效率较低。电火花线切割加工是基于工具与工件之间电火花放电产生的瞬时高温来去除材料的，其加工效率比电解线切割高很多，但是加工过程中会在工件表面形成重铸层，影响工件的疲劳寿命。电解电火花复合线切割加工能结合电解加工和电火花加工两种方法的优点，首先利用电火花放电作用快速去除材料，然后利用电解作用去除工件表面的重铸层，提高表面质量。这种加工方法为非接触式加工，加工过程不受材料硬度强度的影响，非常适合难切削材料的加工。
由于电解电火花复合加工需要工作液具有一定的电导率，来保证在电火花加工后的表面产生电化学溶解作用，传统的电解电火花复合加工常采用水基溶液作为工作液。然而，由于电流密度较低，采用传统的水基工作液在加工铝及铝合金，钛及钛合金等金属材料时，表面容易不断产生钝化膜阻碍电化学溶解反应的正常进行，导致重铸层电化学溶解去除不均匀，从而影响加工表面质量。
因此，目前亟需一种表面加工质量好、加工效率较高的线切割加工方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法，以解决现有技术存在的问题，能够有效提高电解加工质量及效率。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法，包括如下步骤：
步骤1、将工件和线电极装夹到机床上；
步骤2、在工作液槽中加入工作液；所述工作液的溶剂为乙二醇；
步骤3、将工件接脉冲电源正极，线电极接脉冲电源负极；
步骤4、调整工件和线电极的相对位置，保证初始加工间隙；
步骤5、开启脉冲电源，同时线电极进给，开始对工件进行电解电火花复合线切割加工。
优选地，所述工作液的溶质为氯化钠、硝酸钠电解质。
优选地，所述电解电火花复合线切割加工过程中，工件和线电极的端面间隙产生电火花放电作用，用于去除工件材料；所述工件和线电极的侧面间隙产生电解作用，用于去除电火花加工过程中工件表面产生的重铸层。
优选地，所述工作液浓度为0.2～2mol/L。
优选地，所述脉冲电源的脉冲频率设置为100～300kHz。
优选地，所述线电极的进给速度设置为0.2～1.4μm/s。
本发明公开了以下技术效果：
本发明提出一种采用乙二醇基溶液作为工作液代替传统的水基工作液进行电解电火花复合线切割加工方法，由于乙二醇基溶液具有良好的钝化膜抑制性和一定的电导率，本发明解决了铝及铝合金，钛及钛合金等金属材料在水基溶液中容易不断产生钝化膜导致表面加工质量差、重铸层去除不均匀的问题，同时加工过程中的电火花放电作用能有效地提高加工效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工原理示意图；
图2为本发明实施例中加工间隙分布示意图；
图3为本发明实施例中不同浓度的硝酸钠乙二醇溶液加工出的铝微缝结构电镜图，其中，图3(a)、3(b)、3(c)分别为0.2mol/L，1mol/L，2mol/L浓度的硝酸钠乙二醇溶液加工出的铝微缝结构电镜图；
图4为本发明实施例中工作液浓度对铝微缝结构宽度的影响折线图；
图5为本发明实施例中采用不同浓度的硝酸钠乙二醇溶液时线电极损耗示意图，其中，图5(a)、5(b)、5(c)分别为采用0.2mol/L，1mol/L，2mol/L浓度的硝酸钠乙二醇溶液时线电极损耗示意图；
图6为本发明实施例中脉冲电源设置为不同脉冲频率时加工出的铝微缝结构电镜图，其中，图6(a)、6(b)、6(c)分别为脉冲电源设置为100kHz，200kHz，300kHz的脉冲频率时加工出的铝微缝结构电镜图；
图7为本发明实施例中脉冲频率对铝微缝结构加工效果的影响折线图；
图8为本发明实施例中线电极设置为不同进给速度时加工出的铝微缝结构电镜图，其中，图8(a)、8(b)、8(c)、8(d)分别为进给速度设置为0.2μm/s，0.6μm/s，1.0μm/s，1.4μm/s时加工出的铝微缝结构电镜图；
图9为本发明实施例中进给速度对铝微缝结构加工效果的影响折线图；
其中，1为工件，2为线电极，3为脉冲电源，4为工作液，5为端面间隙，6为侧面间隙。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
参照图1所示，本实施例提供一种乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法，包括如下步骤：
步骤1、将工件1和线电极2装夹到机床上；
步骤2、在工作液槽中加入工作液4，所述工作液4的溶剂为乙二醇；
步骤3、将工件1接脉冲电源3正极，线电极2接脉冲电源3负极；
步骤4、调整工件1和线电极2的相对位置，保证初始加工间隙；
步骤5、开启脉冲电源3，同时线电极2进给，开始对工件1进行电解电火花复合线切割加工。
本实施例中，工件1采用厚度1mm的1060铝片。
进一步地优化方案，所述工作液4的溶质为氯化钠、硝酸钠等强电解质。
由于相同浓度的乙二醇基溶液的电导率比水基溶液低很多，为了保证加工过程中电化学溶解和电火花放电的稳定性，需要采用氯化钠、硝酸钠等强电解质作为溶质来提高溶液的电导率。且氯化钠和硝酸钠等强电解质容易获得，使用成本低。
进一步地优化方案，所述电解电火花复合线切割加工过程中，工件1和线电极2的端面间隙5产生电火花放电作用，用于去除大量工件材料；所述工件1和线电极2的侧面间隙6产生电解作用，用于去除电火花加工过程中工件1表面产生的重铸层，提高工件1的表面质量。
其中，在线电极2的进给过程中，端面间隙5和侧面间隙6的分布如图2所示；端面间隙5和侧面间隙6的大小通常为数十微米，侧面间隙6的尺寸大于端面间隙5的尺寸；端面间隙5越小，电场强度越大，更容易产生电火花放电作用，加工效率显著提高，电场强度增大到气膜的击穿电压时，端面间隙5达到最小值。侧面间隙6相对越大，电场强度越小，主要产生电化学溶解作用，去除电火花放电后的重铸层，加工表面的粗糙度降低，从而有效提高了工件1的表面质量。相比于电解线切割加工，有效提高了加工效率和加工质量，同时，避免了电火花线切割加工产生的重铸层等表面缺陷。
进一步地优化方案，工作液4的浓度为0.2～2mol/L。
其中，工作液4浓度较低，最大加工速度越大，加工出的微缝结构宽度一致性越好，线电极2损耗越明显；随着工作液4浓度的增加，最大加工速度越小，加工出的微缝结构宽度一致性变差，线电极2损耗越小。
为进一步验证工作液4浓度对加工效果的影响，本实施例分别采用浓度为0.2mol/L，1mol/L，2mol/L的硝酸钠乙二醇溶液作为工作液，其他加工参数设置为：电压12V，温度30℃，脉冲频率200kHz，占空比20％。当选用浓度为0.2mol/L的硝酸钠乙二醇溶液作为工作液时，由于工作液4浓度较低，电化学溶解的作用比较弱，电火花放电蚀除材料的作用比较强，因此其最大加工速度能达到3μm/s，加工出的微缝结构宽度一致性也比较好，但是加工过程中的线电极2损耗非常明显，加工出的微缝结构平均缝宽只有150.2μm。当工作液4的浓度逐渐增大时，电化学溶解作用增强，因此加出工的微缝结构宽度会逐渐增大，相应的，线电极2损耗也会减小。当使用1mol/L和2mol/L浓度的工作液4时其加工出的微缝结构平均缝宽分别为175.9μm和187.1μm。但是，随着工作液4浓度的增加，对已加工表面的电化学溶解作用也会增强，从而导致加工出的微缝结构宽度一致性变差，而且最大进给速度也会随着浓度的增大而减小，在1mol/L和2mol/L的硝酸钠乙二醇溶液中，其最大加工速度分别为2μm/s和1.6μm/s。0.2mol/L，1mol/L，2mol/L浓度的硝酸钠乙二醇溶液加工出的铝微缝结构电镜图分别如图3(a)、3(b)、3(c)所示；工作液4浓度对铝微缝结构宽度的影响如图4所示；0.2mol/L，1mol/L，2mol/L浓度的硝酸钠乙二醇溶液中线电极2损耗如图5(a)、5(b)、5(c)所示。
进一步地优化方案，脉冲电源3的脉冲频率设置为100～300kHz。
其中，脉冲电源3的脉冲频率越低，加工效率越高，但线电极2的损耗越大，加工表面越粗糙；随着脉冲频率的提高，加工效率降低，但线电极2的损耗减小，加工表面粗糙度越低。
为进一步验证脉冲电源3的脉冲频率对加工效果的影响，本实施例将脉冲电源3的脉冲频率分别设置为100kHz，200kHz，300kHz，其他加工参数设置为：工作液4浓度1mol/L，温度30℃，电压12V，占空比20％，进给速度1.4μm/s。
当脉冲频率较低时，单个脉冲周期内的电化学溶解时间较长，气泡产生更多，更容易形成稳定的绝缘气膜，有充足的时间建立放电通道，因此单个脉冲周期内的材料去除量也更大，整个加工过程中电火花放电的频率也更高。试验结果表明，较低的脉冲频率能有效提高加工效率，但是由于电火花放电过程中极性效应的存在，线电极2的损耗会增大，加工出的铝微缝结构侧壁粗糙度也较大，当采用100kHz的脉冲频率时，其粗糙度达到了Ra0.359μm。随着脉冲频率的提高，单个脉冲周期的脉冲宽度被压缩，由于电火花放电通道的建立需要经历气膜形成和击穿的过程，因此单个脉冲周期内的电火花放电蚀除量会减少，加工效率也会降低。但是脉冲频率的提高会使得加工间隙中的工作液4更新和产物排除过程更频繁，这有助于稳定加工间隙中的电流密度，提高电化学溶解的效率，加工出的铝微缝结构侧壁粗糙度也更低，当采用200kHz和300kHz的频率时，其粗糙度分别为Ra 0.192μm和Ra 0.113μm。100kHz，200kHz，300kHz脉冲频率加工出的铝微缝结构电镜图分别如图6(a)、6(b)、6(c)所示；脉冲频率对铝微缝结构加工效果的影响如图7所示。
进一步地优化方案，线电极2的进给速度设置为0.2～1.4μm/s。
其中，进给速度越小，加工效率越低，加工出的微缝结构侧壁粗糙度越低，微缝结构宽度越大，且微缝结构的宽度一致性越差；随着进给速度的增大，加工效率提高，加工出的微缝结构宽度减小，宽度一致性提高，但微缝结构侧壁粗糙度提高。
为进一步验证线电极2的进给速度对加工效果的影响，本实施例将线电极2的进给速度分别设置为0.2μm/s，0.6μm/s，1.0μm/s，1.4μm/s，其他加工参数设置为：工作液4浓度1mol/L，电压12V，温度30℃，脉冲频率200kHz，占空比20％。
随着进给速度的增大，电火花放电的频率不断增加，这是因为当进给速度较低时，端面间隙5的尺寸较大，而极间电场强度与端面间隙5的尺寸成反比，因此很难建立放电通道，此时的加工状态以电解加工为主，只有当线电极2进给到离铝工件1足够近的时候，才会产生电火花放电蚀除材料。随着进给速度的增大，端面间隙5的尺寸变小，极间的电场强度不断增大，电火花放电通道更容易建立，此时的加工状态电火花放电更频繁。
实际加工过程中，由于整个铝工件1都浸没在工作液4中，已加工表面存在一定的电流密度，发生电化学溶解，有助于去除电火花放电后的重铸层，降低表面粗糙度。但随着加工的进行，使得已加工的微缝结构宽度略微变大，而较低的进给速度会放大这种效应。因此当进给速度为0.2μm/s时，加工状态以电解加工为主，虽然加工出的微缝结构侧壁粗糙度很低，只有0.042μm，但是其切缝宽度很大，达到了229.7μm，而且宽度一致性非常差。随着进给速度的增加，端面间隙5的尺寸逐渐减小，加工过程中的电火花放电更频繁，材料去除率有更高。同时，较高的进给速度能弱化已加工表面的电化学溶解作用，提高微缝结构的宽度一致性。但是，当进给速度过高时，电解加工的表面平整作用会变弱，导致微缝结构的侧壁粗糙度增大。当进给速度为1.4μm/s时，加工出的微缝结构宽度为175.9μm，且宽度一致性较好，但是其侧壁粗糙度增大到了0.192μm。0.2μm/s，0.6μm/s，1.0μm/s，1.4μm/s加工出的铝微缝结构电镜图分别如图8(a)、8(b)、8(c)、8(d)所示；进给速度对铝微缝结构加工效果的影响如图9所示。
本发明乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工原理如下：
接通脉冲电源3后，线电极2与工件1之间产生电化学反应，在线电极2周围产生大量气泡，形成一层绝缘气膜。随着线电极2的进给运动，线电极2与工件1之间的端面间隙5不断缩小，电场强度不断增大，由于气泡不导电，当电场强度达到一定值后会击穿气膜产生电火花放电去除工件材料。放电完成后，极间介质消电离，工作液4恢复到中性状态。此时工件1表面由许多凹凸不平的放电坑组成，电流密度分布不均匀，凸起处离线电极2更近，电流密度更大，因此会在电化学溶解作用下被优先去除，从而去除了重铸层，降低了加工表面的粗糙度。
由于乙二醇基溶液具有良好的钝化膜抑制性和一定的电导率，能够有效保证电化学溶解和电火花放电过程持续稳定的发生，提高加工效率。同时，能够解决铝及铝合金，钛及钛合金等金属材料在水基溶液中容易不断产生钝化膜导致的电解加工表面质量差的问题。然而，乙二醇基溶液通过作为电化学抛光、微细电解加工用电解液，采用其不形成钝化层的特性，实现高表面质量加工，尚未有人尝试用其进行电火花加工。
同时，电解电火花复合加工为近几年刚出现的新技术，用于小孔加工、微细加工，其溶液为低浓度硝酸钠溶液和低电导率去离子水，而电解电火花复合线切割没有公开报道。本发明的核心的是采用了乙二醇基溶液，通电后，首先发生电解作用，电极表面形成气膜，能够在明显低于常规电火花加工放电电压的条件下进行电火花加工，实现材料去除，原理上和现有技术中的电解电火花复合加工技术存在本质不同。传统电解电火花复合加工技术采用的是高电压发生击穿，而本发明先形成气膜，从而在低压下击穿。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (2)
1.一种乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将工件和线电极装夹到机床上；
步骤2、在工作液槽中加入工作液；所述工作液的溶剂为乙二醇；
步骤3、将工件接脉冲电源正极，线电极接脉冲电源负极；
步骤4、调整工件和线电极的相对位置，保证初始加工间隙；
步骤5、开启脉冲电源，同时线电极进给，开始对工件进行电解电火花复合线切割加工；
加工过程中，这个工件都浸没在工作液中，所述电解电火花复合线切割加工过程中，工件和线电极的端面间隙产生电火花放电作用，用于去除工件材料；所述工件和线电极的侧面间隙产生电解作用，用于去除电火花加工过程中工件表面产生的重铸层；具体为：接通脉冲电源后，线电极与工件之间产生电化学反应，在线电极周围产生大量气泡，形成一层绝缘气膜；随着线电极的进给运动，线电极与工件之间的端面间隙不断缩小，电场强度不断增大，气泡不导电，当电场强度达到一定值后击穿气膜产生电火花去除工件材料；放电完成后，极间介质消电离，工作液恢复到中性状态，此时工件表面由若干凹凸不平的放电坑组成，电流密度分布不均匀，凸起处离线电极更近，电流密度更大，在电化学溶解作用下被优先去除，从而去除电火花加工过程中工件表面产生的重铸层；
所述工作液浓度为0.2～2mol/L；
所述脉冲电源的脉冲频率设置为100～300kHz；
所述线电极的进给速度设置为0.2～1.4μm/s。
2.根据权利要求1所述的乙二醇基溶液电解电火花复合线切割加工方法，其特征在于，所述工作液的溶质为氯化钠、硝酸钠电解质。
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