喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究试验报告

本科毕业设计（论文）试验报告题目喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的试验研究院（系）机电工程学院专业飞行器制造工程学生学号班号指导教师副教授填报日期2014615哈尔滨工业大学机电工程学院2014年6月目录11试验目的112试验原理113试验设备114试验基本参数215单因素试验3151试验步骤3152试验参数设置3153单因素试验结果分析416解决问题、修正数据并设计正交试验5161解决问题5162修正数据并设计正交试验617整体试验结果分析918补充试验10181试验思路10182试验参数11183试验结果分析1111试验目的通过试验获得喷射电解射流压力、占空比、电解电压、加工间隙等参数对激光加工热影响区的去除规律。12试验原理喷射电解射流加工是在高电压和大电流密度下特殊的电化学阳极溶解实现材料去除的。加工原理如图11所示,将工件接电源正极,喷嘴接电源负极,过滤后的电解液经SISTEM喷雾系统抽取进入电解液束喷射装置,并使电解液充分极化而带负电,最后经过喷嘴形成一条具有稳定长度、一定直径及稳定流速的电解液射液束,并喷射向工件待加工部位,在孔壁上产生电化学阳极溶解，从而能够去除热影响区和微裂纹。图11加工原理图13试验设备试验使用装置如图1216所示图12喷射装置图13脉冲发生器图14直流电源图15激光发射装置图16试验装置总成图使用激光器为英国LUMINICS公司的脉冲激光器，性能指标为激光波长1064NM；频率调节范围0100HZ；输出脉冲能量010J。电解加工使用SISTEM喷雾系统,性能指标为泵功率3KW/380V；工作压力015MPA可调；流量015L/MIN可调。泵为316不锈钢高压陶瓷柱塞泵，专门用于耐腐蚀。单因素试验使用扫描电子显微镜HELIOSNANOLAB600I，性能指标为二次电子像分辨率09MM（15KV），14NM（1KV）；放大倍数40600000；加速电压0530KV；离子成像分辨率4NM（30KV）。正交试验使用扫描电子显微镜为S570SCANNINGELECTRONMICROSCOPE，性能指标为二次电子像分辨率35NM；放大倍数20200000；加速电压0530KV。14试验基本参数工件材料不锈钢；电解溶液10NACL和10NANO3混合溶液；工件大小20MM20MM05MM；喷嘴直径015MM；激光打孔时间1015S；电解加工时间12MIN；激光打孔参数能量125J，脉宽12MS，频率30HZ。15单因素试验151试验步骤清洗工件，用特定夹具将工件安装在工作台上；安装激光头，打开冷却器和激光器，打开氧气瓶，对正激光器；设置激光参数，在第一个工件上打6个孔作为参照孔；撤下参照件，安装新工件，继续在预定位置用激光打孔，其中每组试验参数打4个孔；打完孔之后，抬起激光器Z轴，关闭激光器和冷却器；清洗喷雾系统，加入电解液，安装喷射装置，打开SISTEM喷雾系统，将开关拨到喷液上，进行孔和喷射装置的对正；对正之后将开关拨到停止上，设置试验参数，进行电解试验；工件电解加工完成之后撤下工件，抬起Z轴，接通清水，清洗喷雾系统；工件加工完成之后，先用清水清洗，再用无水乙醇浸泡，置于超声清洗器中清洗5分钟，取出后吹干置于干燥的盒中等待扫描电镜检测。重复，直至所有试验参数对应工件加工结束；补充说明每个工件上都用激光做特定标记，以便后续清洗以及扫描电镜观测、分析数据时便于区分。152试验参数设置在查阅相关资料后，设计单因素试验如表21所示表21单因素试验表水平电解电压/V射流压力/MPA占空比/频率/KHZ加工间隙/MM112512520101521501503015203175175402025420020502530其中各参数相对不变量为电解电压150V,射流压力15MPA,占空比30，频率10KHZ，加工间隙25MM。153单因素试验结果分析在进行单因素试验后发现了以下几个问题这次试验是在工件中心部分进行激光打孔，继而进行电解加工。由于加工模式转换过程时需要安装喷射装置，这就对喷嘴和孔的对正提出了较高要求。在将加工完的试验用扫描电镜进行观测后，却发现电解射流的中心和激光所打的孔存在未对正现象，极个别孔甚至发生了严重偏移如图17所示，AB（C）（D）图17不同孔电解加工结果初始试验的简易夹具如图18所示图18简易夹具在试验过程中发现，在电解射流的冲击下，试件会发生较为明显的位移和振动，这就严重影响了电解加工的质量。并且，由于是靠铜片压紧工件，在电解试验的过程中铜片也会发生电解，极大的降低了电解效率。由于激光器的Z轴电机损坏，只能通过手动来控制激光器上下移动，这导致了Z轴位置的不精确，继而对试验因素加工距离的准确度产生了很大影响。选取每组数据中对正较好的孔剖开用扫面电镜进行观察，发现有些试验因素显然很不合理，例如当频率和射流压力太大时，扩孔现象特别明显，当占空比过大或电解电压过小时几乎没有发生电解，部分加工的孔如图19110所示图19频率过大图110电压过小16解决问题，修正数据并设计正交试验161解决问题针对问题一，在和老师交流后，在正交试验中决定采用在工件边缘先打磨再打孔继而电解的方式进行试验。这种情况下，方便从工件侧面观察电解液束的情况，倘若孔和液束没有对正，那么先不接通电源，通过软件调整工件位置，对正之后再接通电源进行电解加工。每组试验打四个孔，可以排除因操作不当造成的错误结果。针对问题二，改进了装夹方式，用透明胶布将工件固定在有机玻璃底板上，连接电源的铜片压在工件下面，铜片也被胶布固定在有机玻璃底板上。这样的话，工件在电解射流的冲击下就不会发生位移，如图311所示。用透明胶布的原因为黏合能力强，即便在电解液的段时间浸泡下也不会出现松动，并且透明胶布本身绝缘，可以防止工件与工作台导通。（A）（B）图311改进装夹示意图针对问题三和四，决定放弃加工间隙这个因素，统一采用较为合理的20MM。162修正数据并进行正交试验1修正数据设计四因素三水平正交试验，如表12所示表12四因素三水平正交试验表2试验步骤正交试验过程如下分别用200、400、800、1000、1600、3200的砂纸打磨工件加工边沿，清洗工件，用特定夹具将工件安装在工作台上；安装激光头，打开冷却器和激光器，打开氧气瓶，对正激光器；设置激光参数，在第一个工件上打6个孔作为参照孔；撤下参照件，安装新工件，继续在预定位置用激光打孔，其中每组试验参数打4个孔；打完孔之后，抬起激光器Z轴，关闭激光器和冷却器；清洗喷雾系统，加入电解液，安装喷射装置，打开SISTEM喷雾系统，将开关拨到喷液上，进行孔和喷射装置的对正；对正之后将开关拨到停止上，设置试验参数，进行电解试验；工件电解加工完成之后撤下工件，抬起Z轴，拆下喷射装置，清洗喷雾系统；工件加工完成之后，先用清水清洗，再用无水乙醇浸泡，置于超声清洗器中清洗5分钟，取出后吹干置于干燥的盒中等待扫描电镜检测。重复，直至所有试验参数对应工件加工结束；3正交试验结果及分析经过扫描电镜观测，部分孔的观测结果如图112113所示图312激光打孔（A）评分9（B）评分5（C）评分1图313电解加工后的孔通过对27个电解加工后的孔和激光孔的质量进行对比，将电解加工后的孔消除热影响区的效果划分为9个层次，代号19，其中9代表去除效果最佳，1代表去除效果最差。得出效应曲线图如图114所示图114效应曲线图直观分析表如表13所示表13直观分析表交互作用表如表14所示表14交互作用表12345617整体试验结果分析（1）射流压力对电解加工质量的影响对试验结果的观察发现，当射流压力在10MPA和20MPA附近时，电解加工效率低，加工质量欠佳。当射流压力稳定在15MPA附近时，电解效果较好，效率较高。这样的原因是，一定范围内随着射流压力增加，电液束的流速增加，电解液能顺畅的通过孔，电解产物能更迅速的排出，从而保证了电解的连续性；当流速过高时，电解液会堆积在工件表面来不及排出，并且会使电解液束在Z轴方向上发生偏移，影响了电解加工过程，从而影响电解效率。（2）电解电压对电解加工质量的影响由效应曲线图可以看出，当电解电压在150V附近时，电解效果较好，超过150V后小孔内壁的结构有明显变形，这样的原因是在一定范围内，随着电压的增大，电流密度增大，材料的蚀除量增加，但是当电压过大时，热影响区和微裂纹的去除速率虽然有所提高，但是加工精度显著降低，试验中表现为扩孔现象严重。如图115所示，此图为试验7参数下加工的一个孔，尽管实际电解效果很好，但是扩孔现象很严重。图115试验7加工孔（3）占空比对电解加工质量的影响由效应曲线图可以看出，占空比越小，电解加工质量越好，这样的原因是占空比越小，脉冲停歇时间越长，从而在相同的脉宽加工时间内,间隙通道中的电解产物、析热、析气可以在相对较长的脉冲间歇时间内得以充分排出,间隙内的流场和温度场得到更好的改善,减小加工区域因流场恶劣，温度过高而造成的空穴和沸腾导致的局部钝化。（4）频率对电解加工质量的影响随着频率的增加，电解效果越来越好，在试验结果中表现为材料蚀除率高，扩孔现象不明显。这样的原因是随着频率增加，电解射流加工定域性上升。由加工后的扫描电镜图也可以看出，频率较大时，周围的杂散腐蚀很少，几乎没有扩孔现象,加工精度好。（5）根据极差可以判断，试验影响因子的主次顺序是电解电压射流压力频率占空比。在本次试验中，获得的最佳试验参数为射流压力15MPA；电解电压150V；占空比20；频率10KHZ。在此参数下，能保证较好的加工精度和加工效率。18补充试验181试验思路之前的试验都是在工件上打孔然后进行喷射电解加工，分析试验结果之后提出了一种全新的试验方法，即用激光在工件上切一个凹槽，然后用电解液来回冲刷同时去除热影响区和微裂纹，加工过程如图116所示。加工工件如图117所示图116加工过程图117加工工件182试验参数1激光参数由于是切凹槽，所以激光参数有所调整，具体参数如下能量135J；脉宽09MS；频率40HZ；激光切割速度02MM/S。2喷射电解试验参数补充试验一共设计了8组参数，每组参数加工两条棱边，具体参数如表15所示表15改进试验参数试验代号射流压力/MPA电解电压/V占空比/频率/KHZ115150201022015020103152002015415200202051515030100615150303007152003050081520030700由于补充试验是测试冲刷电解的试验效果，因此，前四组试验参数是基于正交试验参数进行一定修改，后四组试验参数是基于试验设备的参数以及试验安全考虑，选择成倍放大频率。183试验结果及分析选取部分效果扫描电镜图作为分析依据，如图118所示（A）BCD图118不同试验结果图给出的四张试验结果图中，A、B、两图为第8组试验的试验结果，D图为第4组试验的试验结果。之所以这么选择，是因为这两组试验数据是小频率加工和大频率加工的代表。由扫描电镜图可以看出，频率低于100KHZ时，加工效果不是很明显。频率大于100KHZ后，随着频率的增大，工件表面的微裂纹越来越少。当频率达到700KHZ时，工件表面的微裂纹基本全部去除。从整体加工效果上看，工件上半部分加工效果较好，下半部分光整度明显次于上半部分。在去除热影响区时，随着频率的增加，哪怕频率达到700KHZ时，去除效果仍不是很好，具体表现为热影响区的厚度基本上没有减薄。经过分析，造成这样试验结果的原因是本次试验的试验方法是冲刷电解，故相对单孔持续电解，在单位面积上电解的时间变短。虽然电解射流起到了带走熔渣和电解的作用，但是作用时间不够长，因此对于存在于工件表面的微裂纹，电解射流能够有效去除，而对于深层裂纹和