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浙江工业人学硕士学位论文 微细螺旋冷却孔电解加工技术研究 摘要 现代高效燃气轮机涡轮的涡轮进口温度已经远远高于叶片材料能够承受的温限，因 此，对叶片采用适当的冷却技术进行冷却非常重要。在众多的叶片内流冷却手段中，肋化 内冷通道是一种行之有效的方法，因而得到了广泛重视和大量的研究。螺旋冷却孔是肋化 通道的一种形式。本文采用成型电极电解加工方法，研究微细螺旋冷却孑l 加工技术，主要 研究工作和成果如下： 1 搭建了一套利用成型电极电解加工螺旋孔的实验装置。 2 提出利用掩膜紫外光固化技术来制作螺旋电极，并针对电极出现失效的情况进行了 理论分析和实验验证，对制作工艺进行改进，成功制作出符合实验要求的成型电极。 3 为了研究螺旋孔电解过程中流体运动状态，对电解加工过程中的流场变化进行了数 值模拟，通过改变电极涂层厚度来构造不同的流场构型，根据计算机流体动力学软件f l u e n t 所做的流场分析结果，讨论了不同构型流道对加工效果的影响，并对结果进行了实验验证。 4 通过电解实验加工螺旋孔，对电解加工中的工艺参数对加工稳定性和加工效率的影 响规律进行了实验分析。从而得出较合适的螺旋孔电解加工工艺参数。 关键词：电解加工，螺旋冷却孔，紫外光固化，计算机流体动力学，流场分析 浙江工业大学硕士学位论文 t h er e s e a r c ho fe c mo fm i c r o s p i r a l c o o l i n gh o l e s a b s t r a c t e f f f i c i e n to p e r a t i o no fm o d e r ng a st u r b i n e sr e s u l t si nt u r b i n ei n l e tt e m p e r a t u r et h a ti s s i g n i f i c a n t l yh i g h e rt h a nt h em a x i m u ma l l o w e db yt h eb l a d em a t e r i a l t h e r e f o r e ，a p p r o p r i a t e c o o l i n gt e c h n i q u e sa r er e q u i r e dt oc o o lt h eb l a d ea n da c h i e v et h et a r g e tl i f e t h er i b - t u r b u l a t o r s c o o l i n gp a s s a g e sa r ea p p e a r i n gi nt h ec o o l i n gc h a n n e lo ft u r b i n eb l a d e s ，w h i c hc a na c h i e v e e f f i c i e n tc o o l i n go ft h eb l a d e s t h es p i r a lh o l ei so n eo ft h e i rf o r m s ，c a l ls i g n i f i c a n t l yi m p r o v et h e c o o l i n ge f f i c i e n c yo fb l a d e s i nt h i sa r t i c l e ，an e wt e c h n o l o g yi sa d v a n c e dt op r o c e s s i n g m i c r o s p i r a lc o o l i n gh o l eb ye l e c t r o - c h e m i c a lm a c h i n i n g ( e c m ) u s i n g o fs h a p e de l e c t r o d e t h e m a i nt a s k sa n da c h i e v e m e n t sa r ep r e s e n t e da sf o l l o w s ： 1 t h ee x p e r i m e n t a le q u i p m e n to fe c mf o rm i c r o - s p i r a lh o l ew a sd e v e l o p e d 2 t h es p i r a le l e c t r o d ew a sp r e p a r e db yu s i n gu l t r a v i o l e tm a s k a n dt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t a lv e r i f i c a t i o nw e r ed o n ef o rt h ed i s a b l e de l e c t r o d e ，t h u si m p r o v i n gt h ep r o d u c t i o n p r o c e s s 3 t h r o u g hc f ds o f t w a r e - - f l u e n t ，t h en u m e r i c a lv a l u ea n a l y s i sw a sc a r r i e do nf o re c m f l o wf i e l d t h ed i f f e r e n tf l o wf i e l dc o n f i g u r a t i o n sa r ec o n s t r u c t e dt h r o u g hc h a n g i n gt h e t h i c k n e s so fe l e c t r o d e si n s u l a t i n gl a y e r a tl a s tt h er e s u l t sw e r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t a t i o n s 4 t h es p i r a lh o l e sa r ep r o c e s s e db ye c me x p e r i m e n t a t i o n s t h ee f f e c t so fp r o c e s s i n g s t a b i l i t ya n de f f i c i e n c yi n f l u e n c e db yp r o c e s sp a r a m e t e r si ne c m f o rs p i r a lh o l e sw e r eo b t a i n e d b ye c me x p e r i m e n t a t i o n s s oa st oo b t a i nm o r ea p p r o p r i a t ep a r a m e t e r si ne c m f o rs p i r a lh o l e s k e yw o r d s ：e l e c t r o - c h e m i c a lm a c h i n i n g ，s p i r a lc o o l i n gh o l e ，u l t r a v i o l e tc u r i n g , c f d ，f l o w f i e l da n a l y s i s 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 际哦 j 日期：w 吁年厂月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 t 2 、不保密眦 ( 请在以上相应方框内打“、”) 日期：vo 产歹月以日 日期乙打夸胡够日 砧 “ 。 浙江工业人学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 本课题研究的目的和意义 随着现代燃气轮机对功率和效率的不断追求，使得涡轮的进口温度不断提高，某些军 用发动机的涡轮进口温度达到了1 9 0 0 k ，涡轮部件热负荷大大增加。目前，人们从两个方 面努力提高燃气进口温度，一方面，不断研制新的耐高温材料，另一方面，不断提高叶片 冷却技术的冷却效果。近年来，高温材料技术方面不断进步，但许用进口温度提高缓慢， 而采用涡轮冷却技术取得的效果要显著的多【1 1 。一些国家的发展情况表明，依靠叶片材料 的改进，每年可使涡轮进口温度提高l o ，并且研究成本非常昂贵；而依靠冷却技术的改 进，每年可使涡轮进口温度提高2 2 * ( 2 。据推算，如果无冷却导向叶片材料的使用温度能达 至l j l 4 7 0 k ，则该导向叶片采用内部对流冷却时，可使涡轮进口温度提高至l j 2 2 0 0 k 2 1 。由此可 见，开展叶片冷却技术的研究具有十分重要的意义。 理论上对叶片进行冷却的方法有两类，一类是冷却空气吹向叶片外表进行冷却，叶根 间隙吹风冷却就是外表冷却，它对叶根的冷却很有效果，而叶身则是通过叶片本身的热传 导把热量传至叶根而被冷却，故只有在靠近叶根处的叶身能得到一定的冷却，能够使该处 截面的温度比燃气温度低5 0 1 0 0 左右，其余部分叶身的冷却效果很少甚至接近于零。另 一类是把冷却空气通向叶片内部的专门流道进行冷却，能使叶片沿整个叶高都得到冷却， 且可获得降温一百度以上乃至数百度的冷却效果，该方法现己成为燃气轮机中一个重要的 专门领域，通常所说的叶片冷却就是指内部冷却【3 】。 在众多的内部冷却手段中，肋化内冷通道是一种行之有效的方法，因而得到了广泛的 重视和研究【4 5 ，6 1 。螺旋冷却孔是肋化内冷通道的一种形式。本文采用紫外光掩膜固化技术 与电解加工技术相结合的方法来加工螺旋冷却孔，本论文研究的螺旋孔可用于涡轮叶片内 部的冷却孔中，一方面可以增大换热面积，另一方面增强扰动，能显著提高叶片的冷却效 率【7 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 1 2 1 肋化内冷通道传热研究 叶片的内部冷却结构十分复杂，针对叶片不同的冷却部位，可分为内表面的冲击冷却 和内部通道的对流换热冷却，外部冷却可包括外表面的气膜冷却和发散冷却等【8 】。先进涡 轮叶片内部通道两侧都布置了肋，用以强化换热，能有效降低叶片内壁温度【9 j 。 国外许多研究机构对肋化冷却通道的传热效果进行了大量的数值模拟和实验研究工 作。在这一领域，美国的研究者j c h 趾【1 0 - 2 2 做了大量的研究。他在1 9 8 4 年研究了在雷诺数 7 0 0 0 至u 9 0 0 0 0 的范围内，两边带有9 0 度肋的方形通道的换热系数和压力系数，并且归纳出 了损失系数和斯坦顿数的关联式，成为工程中广泛使用的经验公式。随着研究的进一步深 入，他的经验公式不断得到验证和改进。s h o u s h i n gh s i e h 等人【lo 】研究了方形通道和长方通 道的换热系数和损失系数，其雷诺系数范围为1 3 0 0 0 到1 3 0 0 0 0 ，肋角度为9 0 度，排列方式 为交错排列和平行排列两种。g r a u 等人( 1 9 9 8 年) 【1 2 】研究了一个面有肋和两个面有肋的内 流冷却通道的换热特性和气动性。发现攻角不为9 0 度的肋会在通道里产生二次流，从而导 致不带肋的面的换热系数升高；又由于肋的作用，冷气对带肋壁会起到一个冲击作用，从 而导致带肋壁的换热系数升高，而由于肋的作用也会导致压力损失，在叶片冷却设计时需 要加以考虑。r o b e r tk i m i 等a ( 2 0 0 1 年) 【1 3 】研究t 6 0 度、7 5 度、9 0 度肋对长方形的流道换热 的影响。研究也发现由于肋产生的二次流使壁面的换热系数明显增大，6 0 度肋的通道壁面 的换热系数最强。t o n g m i i n l i o u 等人( 1 9 9 8 年) 【1 4 】研究了肋高和肋间距对换热系数的影响， 研究发现肋间距为1 0 倍肋高时壁面的换热系数最高，并且肋高和通道水力直径的比值在 0 1 左右的综合换热效果也最好。牛津大学的p e t e r i r e l a n d 等人( 1 9 9 8 年) 【1 7 】用液晶技术在瞬 态条件下研究了攻角不为9 0 度时的肋对壁面的换热系数影响，并通过数值计算研究了该内 流通道的流场和换热。研究发现肋间壁面的换热系数确实显著增大，肋的前缘换热系数明 显高于肋后的下游。在前缘较高是因为冷气的冲击作用，在下游较低，一方面是因为在二 次流的流动方向边界层发展变厚，另一方面是因为下游的小涡旋结构“抬升作用 的影 响，导致其换热系数明显下降。m e t a s l i m 等人( 1 9 9 8 年) 【2 0 】也用液晶技术研究了带肋壁的 内流冷却通道的换热系数。所研究的通道有方形和梯形，实验结果与前面的研究类似，但 梯形通道的换热系数要比方形通道的高，原因是在相同的肋间距和相同的肋高与通道高的 比值下，梯形通道的肋相对方形通道的肋要近些，导致换热系数的增高。g j k o r o k y 等人 ( 1 9 9 8 年) 【2 l 】研究t 9 0 度和4 5 度带肋通道的肋壁的换热系数，实验研究了通道在肋阻挡面积 与通道面积比分别为o 1 3 3 ，0 1 6 7 和0 2 5 和肋间距与肋高之比分别为5 0 ，8 5 和1 0 的情况下 2 浙江工业人学硕士学位论文 肋的换热系数。研究发现肋表面的换热量在内流冷却通道的换热中占着相当重要的地位， 在所研究的通道和肋的几何条件下肋表面的平均换热系数要比肋间的壁面平均换热系数 高。4 5 度肋的平均换热系数总的来说要l i , 9 0 度肋的平均换热系数高，只有在阻挡面积和通 道面积比为0 2 5 和肋间距与肋高比为8 5 和1 0 时，两者的换热系数值比较接近。在肋间距比 较大时( 与肋高比为8 5 和l o ) ，4 5 度肋的摩擦系数比9 0 度肋的摩擦系数要小，但在肋间距较 小时( 与肋高比为5 ) ，4 5 度肋的摩擦系数比9 0 度肋的摩擦系数高。在阻挡面积相对于通道 面积比较小情况下( 0 1 3 3 和0 1 6 7 ) ，肋间距的大小对肋表面换热系数的影响不大。而当阻 挡面积相对于通道面积比较大而肋间距缩小时，肋表面换热系数显著增大。上游的肋表面 换热系数要比中部的肋的换热系数低。随着肋阻挡面积的增大，肋的总体换热效果降低。 此外，h a n 等人还研究了一些整体换热效果比较好的肋管，比如v 形肋、棱形肋等。 国内北航、西工大和西安发动机集团等研究机构也进行了相关的研究。 顾维藻、刘文艳等【2 3 】用实验方法研究了冷却气流在放大一倍模型涡轮叶片内通道的 压力分布、冷热态阻力及局部换热系数分布，得出了气流在试验叶片内部复杂冷却通道中 的流阻分布和冷热态下的阻力计算公式和等热流下的内通道换热系数分布和各测点的换 热经验公式。陶智，徐国强等【2 4 】实验选取航空发动机涡轮叶片中段内部冷却通道为研究 对象，对横肋变截面回转通道内不同肋间距的气流流动阻力和换热特性进行了实验研究。 邱庆刚、沈胜强【2 5 】利用数值分析方法研究了新型仿螺旋肋片内冷通道的传热与流动特性。 采用横截面积为矩形、上下表面带有间断性倾斜矩形肋片叉排且对置的仿螺旋肋片内部冷 却通道。研究结果表明，在矩形肋片间存在复杂的三维加速旋转流动，仿螺旋肋片通道内 流体流动达到了预期的仿螺旋流动的效果，螺旋流动的效果随着矩形肋片与主流方向的夹 角的增大而加强。这种三维加速旋转流动对内冷通道的强化传热和流阻特性具有很强的影 响，计算结果表明，仿螺旋通道内平均换热系数得到了明显的提高，但同时流动阻力也显 著增加。 1 2 2 肋化内冷通道加工研究 由于叶片冷却孔孔径很小，要j n - r _ 出这种变截面肋化内部冷却通道难度较大。 荷兰科学家m j n o o t 和r m a t t h e i j 提出一种肋化冷却通道的加工方法【2 6 1 ，采用控制 阴极进给速度的方法加工出一种竹节状的肋化冷却通道( 被称为“竹节孔”) 。这种加工方法 需要一个竹节一个竹节加工，加工效率太低，而且不能加工其它形状的肋化通道。 美国通用公司将肋化冷却通道用于涡轮叶片的冷却中，取得了很好的效果2 7 , 2 8 2 9 1 ，其 3 浙江工业大学硕士学位论文 加工方法为：首先加工一光孔，然后采用事先制备好的工具阴极，利用电解加工的方法将 光孔加工成竹节孔。其阴极的制作过程：首先在一圆柱表面涂一层光刻胶；然后经过光刻， 曝光，显影等一系列工艺，将圆柱体表面加工成光刻胶与导电层交叉分布的结构：最后在 电极末端安装一定位支架制作出肋化深小孔加工用的工具阴极。在掩膜光刻过程中可以通 过控制掩膜形状来制作不同形状的工具阴极，从而可以加工各种不同形状的肋化通道，如 竹节孔，螺旋孔等。 但是这种方法，由于其阴极绝缘材料采用的是光刻胶，其表面附着力较差，电解加工 时容易发生脱落，同时光刻设备工艺过程复杂，投资大。 国内，南京航空航天大学提出一种新的竹节孔电解加工方法【3 0 3 1 1 ，其工具阴极加工方 法为：用电解加工的方法将金属管侧壁加工出若干凹槽，然后将绝缘胶均匀的涂在凹槽中， 绝缘胶厚度不高于金属管外径，在工具末端安装出定位支架，制作出成型工具阴极。南航 使用所制作的管状工具阴极进行电极加工实验，成功加工出孔径3 m m 的竹节孔。但是由于 所采用工艺方法的限制，加工电极为管状电极，且需要在其上加工出凹槽，限制了工具电 极所能加工的最小尺寸，从而很难加工出小孔径的竹节孔，加工其它形状的肋化通道( 螺 旋孔等) 难度更大。 本论文提出的螺旋孔加工方法能从根本上解决上述问题，采用紫外光掩膜固化的方法 制作螺旋电极，所用绝缘胶为紫外光固化树脂，其附着力与抗热性能良好；电极为丝状， 螺旋电极上的螺旋通道能够充分保证电解液流通的空间，因而可以加工更小孔径的螺旋 孔。 1 3 本论文创新点 1 本论文提出了一种螺旋冷却孔的制作方法，用成型电极电解加工的方法，研究微细 螺旋冷却孔加工技术。 2 提出采用紫外光掩膜固化的方法制作螺旋工具阴极，并对阴极制作过程中的涂层厚 度不同所引起得流场几何构型变化进行了流场分析与实验验证。 3 使用所制作的工具阴极加工出初始孔径1 5 m m 的螺旋变截面孔，并对影响螺旋孔 电解加工效果的工艺参数进行了实验研究。 4 浙江工业人学硕士学位论文 1 4 本课题的主要研究内容和论文结构 1 4 1 主要研究内容 本论文受浙江省教育厅基金支持。 论文主要研究内容包括： ( 1 ) 微细螺旋孔电解加工实验装置研制 为了实现微细螺旋孔电解加工实验，本论文需要研制套用于螺旋孔电解加工的实验 装置，对工件夹具，定位装置，电解液循环系统进行了研制。 ( 2 ) 螺旋工具电极制作和制作工艺改进 采用紫外光掩膜固化技术制作螺旋工具电极，并且针对电极制作过程中出现的电 极失效现象进行原因分析与实验验证，根据所得结果对掩膜固化工艺进行了改进。 ( 3 ) 基于工具电极构型的电解加工流场研究 为了研究螺旋孔电解加工流场变化，应用c f d 软件f l u e n t 软件对电解加工不同的流 场构型进行了模拟分析。并对分析结果进行实验验证，从而据此优化工具电极的制作工艺。 ( 4 ) 对螺旋孔电解加工中加工参数对电解加工稳定性和加工效率的影响规律进行了 研究 通过螺旋孔电解加工实验，对电解加工过程中各加工参数对电解加工稳定性和n i 效率的影响规律进行了研究，从而得出螺旋孔电解加工实验中比较实验的工艺参数范围。 1 4 2 本论文的结构 浙江工业人学硕士学位论文 第一章绪论 土 l 第一章电解加工理论和螺旋孔电解加工实验装置研制 上 第三章螺旋工具电极的制作 上土 第四章基于工具电极构型的电解流场研究 上上 第五章加工参数对电解加工稳定性和加 工效率影响的实验研究 上上 第六章总结与展望 图1 1 论文结构图 1 5 本章小节 本章首先阐述了当前涡轮叶片冷却技术的研究意义，以及国内外关于肋化冷却通道换 热效果和加工的研究现状，同时简要介绍了本研究中需要解决的问题，并根据问题提出了 本论文的创新点和主要研究内容，最后给出本文的总体结构和技术路线。 6 浙江工业大学硕士学位论文 第2 章电解加工理论及实验装置研制 2 1 电解加工原理 2 1 l 电解和电解加工 电解，是指在一定外加电压下，将电流通过电解池，在两极上分别发生氧化反应和还 原反应的电化学过程m l 。 以电解铁为例，其电解池构成及电解过程的示意图见图2 1 。图中电解质溶液为导体， 分别连接电源正负极的金属铁和金属铜插入电解液作为电极，连接电源正极的金属铁称为 阳极，而连接电源负极的金属铜称为阴极。接通电源并逐渐增加两极问的电压，则有电流 通过电解池并逐渐增大。其导电过程的机理是：在外电场的作用下，金属导体中的自由电 子定向运动，电解液中的阴、阳离子分别向阳、阴极移动，在“金属溶涟”界面上进行有 电子参与的电化学反应，即电极反应，如此而形成导电回路。当外加电压很小，通过电解 池的电流亦很小时，电解现象并不发生：只有当电压及相应电流增加至某- - t a 界值时，才 开始出现电解，即阴极开始有气泡形成，阳极开始有电解产物出现。 厶1 电解池和电解过程示意图 对于上述电解过程的电极反应，印在“电极溶液”界面上所进行的电化学反应可以用 浙江工业大学硕士学位论文 下列电极反应方程式描述： 阳极上发生如下反应： f e 寻圭f 矿+ 2 e ( 2 1 ) f 矿+ 2 0 i t = f e ( o h ) 2j ( 2 - 2 ) 阴极上发生如下反应： 2 h + + 2 e h 2 t( 2 3 ) 即在阳极，铁失去电子被氧化，发生阳极溶解的氧化反应；在阴极，氢离子得到电子 被还原，即进行还原反应。这就是电解池中所进行的电极反应的实质。 基于电解过程中的阳极溶解原理并借助于成形的阴极，将工件按一定形状和尺寸加工 成型的工艺方法称为电解加工。图2 2 是电解加工系统图。n - i - _ 时，工件接直流电源的正极 ( 阳极) ，工具接负极( 阴极) 。两极之间的电压一般为6 2 4 v ，电解液以6 6 0 m s 流过加 工间隙，电极间隙内充满了电解液，接通电源后两极间就有电流通过，在电流作用下。阳 极工件被逐渐溶解腐蚀；而阴极工具上则有氢气析出。为了使电解加工过程正常进行下去。 阴极工具向阳极工件缓慢进给，使两极之间保持较小的间隙，约0 1 1 m m ，具有一定压力的 电解液从间隙中流过，把电解后的产物冲走。工具不断向工件进给，工件的金属不断被溶 解，致使阳极工件和阴极工具各处的间隙趋于一致，将阴极工具的型面复制在阳极工件上， 从而得到所需的零件形状。 l 5 1 直流电源2 工具阴极3 工件阳极4 电解液泵5 电解液 图2 - 2 电解加工系统图 浙江工业人学硕士学位论文 电解加工借助于成型的阴极，以一定的速度向工件进给，利用阳极不同部位溶解速度 不同，将工件按一定的形状和尺寸加工成型。其成型过程如图2 3 所示。 i ：具引极 邢腧m 佣 l ：件檄 a ) 加工开始 图2 3 电解加工成型示意图 拂加工结束 图2 3 中的细竖线表示通过阳极( 工件) 和阴极( 工具) 间的电流。竖线的疏密程度表 示电流密度的大小。 加工开始时，工件阳极与工具阴极的形状不同，工件表面上的各点至工具表面的距离 不等，因而各点的电流密度不等。阳极与阴极距离较近的地方通过的电流密度较大，电解 液的流速也较高，阳极溶解的速度也就较快，而距离较远的地方，电流密度就小，阳极溶 解就慢。由于工具相对工件不断进给，工件表面上各点就以不同的溶解速度进行溶解，电 解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与工具表面基本相似的形状。 电解加工对于难加工材料、形状复杂或薄壁零件的加工具有显著优势。目前，电解加 工己获得广泛应用，如炮管膛线、叶片、整体叶轮、模具、异型孔及异型零件、倒角和去 毛刺等加工。并且在许多零件的加工中，电解加工工艺己占有重要甚至不可替代的地位。 2 1 2 电解加工的特点 与其它加工方法相比，电解加工具有如下特点【3 3 】： 1 ) 加工范围广。电解加工几乎可以加工所有的导电材料。并且不受材料的强度、硬 度、韧性等机械、物理性能的限制，加工后材料的金相组织基本上不发生变化。它常用于 加工硬质合金、高温合金、淬火钢、不锈钢等难加工材料。 2 ) 生产率高，且加工生产率不直接受加工精度和表面粗糙度的限制。电解加工能以 简单的直线进给运动一次加工出复杂的型腔、型面和型孔，而且加工速度可以和电流密度 成比例地增加。据统计，电解加工的生产率约为电火花加工的5 至1 0 倍，在某些情况下， 9 浙江工业大学硕士学位论文 甚至可以超过机械切削加工。 3 ) 加工质量好。可获得一定的加工精度和较低的表面租糙度。加工中无切削力和切 削热的作用，所以不产生由此引起的变形和残余应力、加工硬化、毛刺、飞边、刀痕等， 可以达到较低的表面粗糙度平均加工精度。电解微细加工钢材的精度可达+ 1 0 - - - 7 0 9 m 。电 解加工过程中工具和工件不接触，不存在机械切削力，不产生残余应力和变形适合于加工 易变形或薄壁零件。 4 1 可用于加工薄壁和易变形零件。电解加工过程中工具和工件不接触，不存在机械 切削力，不产生残余应力和变形，没有飞边毛刺。 5 ) 加工过程中工具电极理论上无损耗，可长期使用。因为工具阴极材料本身不参与 电极反应，其表面仅产生析氢反应，除产生火花短路等特殊情况外，工具阴极基本上没有 损耗。 但是，事物总是一分为二的。电解加工也具有一定的局限性，主要表现为： 1 ) 电解加工影响因素多，技术难度高，不易实现稳定加工和保证较高的加工精度。 2 ) 工艺装备的设计、制造和修正较困难，周期较长，因而很难适用于单件生产。 3 ) 电解加工设备投资较高，占地面积较大。 4 ) 电解液对设备、工装有腐蚀作用，电解产物的处理和回收困难。 2 1 3电解加工基本理论 1 ) 法拉第定律 电解加工过程包括阳极过程、液相中的传质过程以及阴极过程。法拉第定律可以确定 电解加工过程中电极反应产物的质量与通入电荷的定量关系，深刻揭示了电解加工规律。 ( 1 ) 法拉第第一定律：电流通过电解质溶液时，在电极的两相界面处( 金属溶液界面 上) 溶解或析出的物质的质量与通过其截界面上的电量成正比。 ( 2 ) 法拉第第二定律：在电极上溶解或析出一克当量任何物质，所需要的电量是一样 的。 根据法拉第第一定律和第二定律，电解加工时，如果阳极金属以理论的确定原子价溶 解，则阳极溶解的金属的质量用公式表示如下： 聊：棚：r k t ：兰枷f ( 2 - 4 ) 式中 m 电化学反应溶解或析出的物质的质量( g ) ； i - 一电流强度( a ) ； 1 0 浙江工业人学硕士学位论文 i 阴、阳极之间的电流密度( a e m 2 ) ； 卜加工面积( 锄2 ) ； q 一通过两相界面的电量( c ) ； t _ 加工时间( s ) ； l ( - 元素的质量电化学当量( g a s ) ； 卜法拉第常数( 9 6 4 8 7 c m 0 1 ) ； z 一化合价； 卜电流效率； a 相对原子质量。 实际电解加工过程中，通常采用垂直于加工表面方向的蚀除速度来表示电解加工速度 的快慢： v = r l c o i( 2 5 ) 式中v 一阳极蚀除速度( m m m i n ) ； p 电流效率； i 阴、阳极之间的电流密度( a e m 2 ) ； 卜元素的体积电化学当量( c m 2 a s ) 。 这是在电解加工工艺计算及成型规律分析中非常实用的一个基本表达式。式中t 1 ，数 据由实验测定。因为1 1 ，都与实际工艺条件关系密切，故也可将t 1 的乘积一起考虑作为 一个工艺数据【3 2 1 。 2 ) 电极溶液界面双电层【3 3 】 在电解加工中，各类得、失电子的电极反应都发生在电极溶液的界面上，因而界面的 结构和性质对电极反应有着重要影响。电解加工中通常采用双电层结构来描述电极溶液界 面。当金属电极和电解液相接触时，金属电极会把电子交给溶液中的离子，或从溶液中得 到电子，界面发生氧化还原反应，电极表面带正电或负电，溶液靠近金属表面很薄的一层 带有相反的电荷，构成双电层。双电层结构模型的发展经历了几个不同的阶段：1 9 世纪末 h e l m h o l t z 根据电极与溶液间的静电作用，提出了紧密双电层模型，即把双电层看成平行板 电容器；2 0 世纪初g o u y 和c h a p m a n 根据粒子热运动的影响，提出了分散层模型；1 9 2 4 年s t e m 在前两种理论模型的基础上，提出了双电层静电模型，该模型认为双电层是由紧密层和分 散层两部分组成，其双电层模型如图2 4 所示。s t e m 双电层模型认为，在电极溶液界面 上，溶液中的一部分离子紧贴在电极上，形成厚度相当于电解质离子平均半径的h e l m h o l t z 浙江工业大学硕士学位论文 薄层，双电层中的其余离子以逐渐减小的电荷密度分散地分布在溶液里，而在h e l m h o l t z 层中，离子不仅受静电力的作用，还受一种非库仑力的吸附作用，因此在含有毛细活性离 子的溶液中，h e l m h o l t z 层中的离子数目可能不等于金属表面的电荷数，而是取决与离子的 性质。 当金属电极浸入电解液中时，由于金属离子在固、液两相中的电化学位不相等，必然 发生金属离子从电化学位较高的一相向电化学位较低的一相转移，导致两相中出现过剩的 电荷，但符号相反，这些电荷集中在界面的两侧，在金属和电解液之间形成电位差。 魄极躲散鼷 魄极 矽 酗 ； ；x 旷 ( 曩) 非毛细活牲物质溶液彻禽青毛绷活性朗离子溶液 图2 - 4s t e m 双电层模型 3 ) 阳极极化 电解加工时，当有电流通过金属溶液界面时，会使阳极的电极电位向正移、阴极的电 极电位向负移，此现象称为极化。电解加工过程通常包括反应粒子向电极表面附近液层迁 移，反应粒子在电极溶液界面上得、失电子，反应产物生成等步骤，其中任何一个过程进 行得缓慢都会加强极化。按阳极电极电位e a 相对应阳极电流密度( 即通过阳极金属电解液 界面的电流密度) i 。绘制成的曲线，称为阳极极化曲线。阳极极化规律主要取决于阳极电 流高低、阳极金属及电解液特性等，图2 5 所示的是三种典型的阳极极化曲线。 1 2 浙江工业人学硕士学位论文 l g o ( a ) 活化溶瓣 i v o 概 嘞存在钝化区 ( c ) 存在不完全钝化区 图2 5 三种典型的阳极极化曲线 曲线i 表示在全部研究的电流密度范围内，电流密度和金属溶解作用随着阳极电位的 正向提高而增大，阳极表面始终处于电化学溶解状态，例如铁在n a c l 电解液中的溶解。 曲线表示阳极溶解过程存在着活化一钝化一超钝化的变化过程。在曲线a b 段，阳 极电位升高，电流密度也增大，阳极处于活化溶解阶段。当阳极电位超过b 点后，由于阳 极钝化膜的形成，使得电流密度i 。急剧减小，阳极表面进入钝化状态。当电位超过d 点，钝 化膜开始破坏，阳极电流密度i 。又随着阳极电位e a 的升高而迅速增大，金属表面进入超钝 化状态，阳极溶解速度又急剧增加。在电解加工时，使工件的加工区处于超钝化状态，非 加工区由于电位较低处于钝化状态而受到钝化膜的保护，就可以减少杂散腐蚀，有利于提 高电解加工精度。例如铁在n a c l 0 3 、n a n 0 3 等钝化性电解液中的溶解。 曲线i i i 和i i i 表示阳极溶解过程存在着活化一不完全活化一超钝化的变化过程。曲线的 a b 段，阳极处于活化溶解阶段。在曲线的b d ( 或c d ) 段，阳极溶解还在继续，但阳极 溶解速度随阳极电位的变化很小。随着阳极电位的继续升高，阳极溶解又进入超钝化状态。 例如铜在磷酸中的电解。 阳极极化曲线显示了电极电位、电流密度之间的关系，深刻揭示了阳极金属的电解特 性，且阳极极化曲线与选择工件材料电解液体系和电解加工工艺参数密切相关，直接影响 了电解加工精度和加工效掣3 3 】。 2 2 影响电解加工的重要因素 2 2 1加工间隙 电解加工中，工具与工件间的间隙是加工中的核心工艺参数，是决定加工精度的主要 因素，它还直接影响加工效率和加工质量。加工间隙是一个复杂的时间、空间的函数，受 电场、流场、电化学反应、进给速度、压力等众多因素的影响，是加工过程中物理、化学 1 3 浙江工业人学硕士学位论文 因素的综合。其中电场的变化是造成加工间隙变化的原动因素，电场分布不均匀直接导致 加工间隙分布的不均匀。间隙内流场主要是通过对导电率的影响起作用，而不同的流动模 式中的气泡率和稳定综合影响着导电率阎。 由电解加工的基本公式： u r = u d e i - ku r(2-6) v a2r l c o l 可知，间隙公式为： ：掣：q 缈( u - s e ) ( 2 - 7 ) z 屹 其中：u r _ 一间隙电解液中的电压降( v ) ； i - 阴阳极间的电压( ； 6 e 电解加工中的阴阳极电位值总和； j 电流密度( c i i l 2 ) ； l ( - 电解液导电率( i n c m ) ； 一电解加工间隙( c m ) ； u 一阳极被加工面的法向腐蚀速度，常称为工件的加工速度( e m s ) ； 卜电流效率； 睁一体积电化当量( 锄3 a s ) ； 由公式( 2 6 ) 可以看出，加工电压、电导率、电流密度、进给速度、电流效率及电极 电位是影响加工间隙的主要参数。阴、阳极间的电压u 是加工过程中的可调参数之一，使 电解加工得以进行的原动势能，它克服双电层的反电势和溶液欧姆压降而建立起必要的极 间电流场，从而确保达到所选用的电流密度。其大小随电极体系分解电压的高低而定，加 工电压越高，加工间隙就越大，相应产生的加工误差也就越大，零件的加工精度也就越差。 实验证明，当间隙在合适范围内，电场的分布高度集中在间隙最小处，使电流有效利用率 ( 表面突起部位电流密度与整个加工面的平均电流密度之比) 提高；而原始表面微观凸凹 程度相对于间隙值增大，微观电场分布的不均匀性增强，在凸处电力线集中而形成较大的 电流密度，在凹处电力线分散形成较小电流密度，因此微观凸处的去除量大，而微观凹处 的去除量小，加工表面质量较好。当间隙过小时，此时因间隙过小而带来电流密度增大、 电解产物增多、液流阻力过大，致使流速降低而使电解产物和产生的热量来不及排出，引 1 4 浙江工业大学硕士学位论文 起的电解液温升过快等一系列问题很严重，因此加工表面质量很差。 2 2 2电解液 电解液是电解加工中工件阳极溶解的载体，其主要作用是在加工中传递电流，同时排 除电解产物，带走加工中产生的热量，控制极化，使阳极溶解能够正常连续进行。电解液 要求具有良好的电化学性能，要求其在工件阳极上能优先进行金属离子的阳极溶解，不生 成难溶性钝化膜；在工具阴极表面不会产生沉积阳离子而只发生析氢反应，以免破坏工具 阴极；另外还要求其具有较强的集中蚀除能力及较弱的散蚀能力。电解液同时也应具有高 的热容以减小温升，防止沸腾和形成空穴，有利于实现小间隙、高电流密度加工。 电解液按其酸碱度的不同主要分酸性电解液、碱性电解液和中性电解液。酸性电解液 主要有h c l 等无机酸，如果采用酸性电解液进行电解加工，工件阳极在加工过程中的产 物可以溶解在电解液中，不会生成沉淀物，不易因为电解产生的沉淀物造成短路，适合用 于加工深细小孔，但加工中杂散腐蚀比较严重，加工精度低，而且安全性、稳定性差。碱 性电解液主要有n a 0 h ，用其作为电解液进行电解加工，对大多数金属会在表面生产致密 的难溶性钝化膜，且对人体有害，主要适用于加工钨、铝等特殊材料。中性电解液主要分 为两类：卤素族盐( 如n a c l 、n a b r 等) 和含氧盐( 如n a n 0 3 ，n a c l 0 3 ) ，电解加工过程中， 影响阳极溶解特性的主要是其阴离子。卤素族盐为活性电解液，其阴离子主要其活化阳极 表面的作用，以c l 。为例，在电解加工过程中，它可使阳极表面完全活化，达到高电流密 度、高电流效率，因而采用n a c l 作为电解液加工效率高，但加工精度低，对设备腐蚀较 严重。含氧酸盐属氧化剂，为钝性电解液，对阳极表面起氧化钝化作用，对不锈钢及铁 基合金钝化作用强，提高了其超钝化电位，同时还降低了析氧电位，在低电流密度下大量 析氧，改善了阳极溶解的均匀性，提高加工的表面质量，但阳极工件的不溶性电解产物很 容易造成间隙堵塞，阻碍电化学反应的继续进行，甚至导致短路。 浓度也是电解液的一个重要特性。它是影响前述电解液性能的基本因素之一。为达到 高的加工效率，早期电解加工电解液浓度均偏高，从总体上看其加工精度较差，对某些合 金的加工表面质量亦不理想。近年发展了低浓度复合电解液，通过降低电解液的浓度，有 效提高了加工精度和改善了工件表面质量。其缺点是加工效率较低【3 3 】。 2 2 3 加工电压 加工电压指电源施加到工具阴极及工件阳极的极间电压。是建立极间电场使电解加工 浙江工业人学硕士学位论文 得以进行的原动势能，它克服双电层的反电势和溶液欧姆压降而建立起必要的极间电流 场，确保达到所选用的电流密度。对分解电压较低的电极体系例如高温耐热合金、铁基合 金的活性溶解，其6 e 仅为1 - 3 v ，溶液电阻率也较低，因而所需要的加工电压值就较低， 一般为l o 1 5 v ；对分解电压较高的电极体系，加工电压就偏高，例如对于钛合金的钝性 溶解其6 e 可高达7 v 左右，因而力n - r _ 电压一般在2 0 v 以上。 2 3 螺旋孔电解加工实验装置研制 不同于传统的机械加工，电解加工是利用电化学阳极溶解的原理将工件加工成形的一 种非接触式的特种加工方法。为了保证电极间隙内电化学反应的正常进行，需引入直流电 流和电解液( 强电解质溶液) 。可见电解加工是在一种特殊条件下进行的，因此实验装置 设计就有其特殊要求，用来保证工件和工具相对运动的正确性，引导电解液进入加工间隙， 并导入加工电流。 图2 6 为针对本论文螺旋孔电解加工所用的实验装置系统图： 刀上区 定位装置 电解液循环 工具阴极 l 直流 系统 电源 工件阳极 i 夹具 图2 - 6 螺旋孔电解加工实验装置系统图 2 3 1 加工区设计 本课题螺旋孔电解加工阴极为丝状成型电极，需要设计特定的夹具和定位装置。 1 )电解加工中夹具的设计至关重要，它用于安装、定位和夹紧工件，保证了加工中 的流场，使得加工正常进行。夹具的设计要考虑以下几点： 1 6 浙江工业火学硕士学位论文 ( 1 ) 夹具与工作台、阴极绝缘可靠；导电安全可靠，接触良好，不导致发热。 ( 2 ) 定位精度。夹具的定位精度好坏决定了加工后工件的精度。 ( 3 ) 防腐性能强，使用寿命长。电解加工由于是在电解液中进行，要求夹具耐腐蚀， 同时电解加工中承受较大的电解液压力，因此材料选择刚性较好的不锈钢材料。 ( 4 ) 流场布局。电解液流动在间隙内形成电流场并带走间隙内的电解产物，因而流场 布局是否合理关系到电解加工能否顺利进行和加工质量的高低。 在电解加工中，其流场的供液方法主要有正流法、反流法和侧流法三种( 如图2 7 所示) 。 侧流法力n - f _ 间隙中的流道截面积沿流动方向大致保持不变；正流法流道截面积沿流动方向 呈扩张状态，或者说其电解液流动为扩散流；反流法流道截面积变化则相反，流道截面积 沿流动方向呈收敛状，具有收敛流动的特点。对于一般的电解加工，只要加工流场设计合 理，采用正流法供液，能够满足加工要求。 侧流式 正流式反流式 图2 7 电解液流动形式 由于本课题电解加工螺旋流道的特殊性，且所用阴极为丝状，使用侧流法n - t _ 可以 得到比较好的供液效果，故选择侧流法供液。 ( 5 ) 密封。由于加工中采用高压冲液，因此各部件相互联结的部位需要密封。 2 )本课题研究需要加工的冷却孔孔径较小，为1 s m m ，孔深为8 0 i n m ，深径比较大， 因此对电极的定位装置提出了更高的要求，电极的定位精度影响着零件最终的成形尺寸精 度。 为了减小电极装夹带来的误差，采用先制作电极，然后将电极直接定位装夹于光滑孔 中，再进行电解加工的方法。实验中为了防止加工中短路现象的发生以及保持加工工具电 极具有良好的对中性，需要设计专门的定位装置。本课题采用两个特定的紧钉螺钉做定位 1 7 浙江工业人学硕士学位论文 装置，控制阴极上下的位置，使其对中。 本课题螺旋孔电解加工加工区示意图如图2 8 所示。 工作台紧钉螺钉 图2 8 螺旋孔电解加工加工区示意图 2 3 2 工具阴极的设计 应用于本论文螺旋孔电解加工中的螺旋工具阴极制作工艺将在第三章中详述。 2 3 3 电解液循环系统 电解液循环系统是电解加工中不可缺少的一部分。电解液循环系统包括电解液储备 池，液压泵和过滤装置，压力表与调节阀，电解液循环管道。电解液系统的功能包括供液 和净化。泵从储液槽中抽出电解液，以一定的压力输送到加工区中，供给工具阴极和工件 阳极加工所需，加工后完成电解反应的电解液经管路回到储液槽中，整个电解加工中依此 循环。 本实验装置中的泵使用普通三相电液泵，电解液的压力最大可以达n o 5 m p a ，本系统 确保了加工过程中的压力稳定。图2 9 是螺旋孔电解n i 电解液传输系统示意图。加工过程 中，为了得到较好的过滤效果，在工艺实验加工时间内，让电解产物在储液槽一边自然沉 淀，液