喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究

第二章喷射电解射流去除激光加工表面热影响区的实验研究21实验目的通过实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。22实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、强烈的化学腐蚀共同实现材料去除的。加工原理如图215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215加工原理图FIG215PRINCIPLEOFPROCESSING23实验设备试验使用装置如图216219所示图216喷射装置图217脉冲发生器FIG216THEEJECTORDEVICEFIG217THEPULSEGENERATOR图218直流电源图219激光发射装置FIG218DIRECTCURRENTMAINFIG219LASEREMITTER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。24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1520S；电解加工时间12MIN；激光打孔参数能量125J，脉宽12MS，频率30HZ25单因素试验试验过程清洗工件，用特定夹具安装在工作台上；打开冷却器和激光器，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5个孔；打完孔之后，抬起激光器Z轴，关闭激光器和冷却器；安装喷射装置，清洗喷雾系统；之后设置试验参数，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；重复，直至所有试验参数对应工件加工结束。在查阅相关资料后，设计单因素试验如下所示变量电解电压125V150V175V200V；不变量射流压力15MPA占空比40频率10KHZ加工间隙25MM；变量射流压力125MPA15MPA175MPA20MPA；不变量电解电压150V占空比40频率10KHZ加工间隙25MM；变量占空比20304050；不变量射流压力15MPA电解电压150V频率10KHZ加工间隙25MM；变量频率10KHZ15KHZ20KHZ25KHZ；不变量射流压力15MPA电解电压150V占空比40加工间隙25MM；变量加工间隙15MM20MM25MM30MM；不变量射流压力15MPA电解电压150V占空比40频率10KHZ。26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。由于中间过程需要安装喷射装置，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221所示，图221不同孔电解加工结果FIG221PROCESSRESULTOFDIFFERENTHOLES初始试验的简易夹具如图220所示图220简易夹具图FIG220SIMPLECLAMP但是在试验过程中发现，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，由于固定试件的是铜片，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轴高度的不精确，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，部分加工的孔如下图所示图222频率过大时加工的孔图223电压过小时加工的孔27解决问题，修正数据并设计正交试验针对问题一，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，通过软件控制工件位置，对正之后再接通电源进行电解加工。每组试验加三个孔，可以排除因操作不当造成的错误结果。试验装置总成图如图223所示图23试验装置总成图针对问题二，我改进了装夹方式，用宽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，并与工件一样宽，防止工件不平，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222所示。用宽胶布的原因为黏合能力强，即便在电解液的浸泡下也不会出现松动，并且宽胶布本身绝缘绝缘，可以防止工件与工作台导通。（1）（2）图222改进装夹示意图FIG222IMPROVEDWAYOFCLAMPING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，并舍弃一些不合理的水平，设计四因素三水平正交试验，如表25所示表25四因素三水平正交试验表TAB25TABLEOFFOURFACTORSANDTHREELEVELSOFORTHOGONALTEST正交试验过程如下分别用200、400、800、1000、1600、2500的砂纸打磨工件加工边沿，清洗工件，用特定夹具安装在工作台上；打开冷却器和激光器，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5个孔；打完孔之后，抬起激光器Z轴，关闭激光器和冷却器；安装喷射装置，清洗喷雾系统；之后设置试验参数，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；重复，直至所有试验参数对应工件加工结束。28正交实验结果及分析经过扫描电镜观测，部分孔的观测结果如下图224激光孔FIG223HOLEDRILLEDBYLASER（A）评分9（B）评分5（C）评分1（A）GRADED9（B）GRADED5（C）GRADED1图225电解加工后的孔FIG225HOLEPROCESSEDBYELECTROLYTE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226所示图226效应曲线图FIG226PHOTOEFFECTCURVE直观分析表如表26所示表26直观分析表TAB26CHARTOFVISUALANALYSIS交互作用表如表27所示表27交互作用表TAB26CHARTOFINTERACTION12345629整体试验结果分析射流压力对电解加工质量的影响在试验过程中观察发现，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，并且会使电解液束发生偏移，阻碍了电解加工过程，从而影响电解效率。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后加工质量有较为明显的下降，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，加工效率虽然提高，但是加工精度显著降低，试验中表现为扩孔现象严重。如图227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227试验7加工孔FIG227HOLEPROCESSEDINEXPERIMENT7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和短路。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。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。在本次实验中，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。210试验对喷射装置设计的反馈根据试验过程及试验结果，现有喷射装置存在以下不足防震措施不够到位在试验准备过程中发现，在进液转接件连接SISTEM喷雾系统时喷射装置因为震动产生少量位移；在试验进行过程中发现，当电解射流流速过大时，喷射装置会因震动发生少量位移；当碰到机床本体时，工件也会发生一定位移。这对电解加工时的对正产生一定影响；夹具的设计存在缺陷试验时的夹具是简易的，而且只是针对很小的薄板件，在实际应用中是不可行的；每次试验只能装夹一个工件，加工效率低；此外，加工时电解液四处溅射对加工过程的观察也带来较大影响。第二章的喷射装置的设计已经基本解决夹具的缺陷问题，现在需要解决的就是喷射装置的防震问题。查阅相关资料可知，抑制震动的最佳方法是增加机床的刚度。针对第二章的设计，增加机床刚度的措施有将X轴、Y轴、Z轴丝杠及导轨做成封闭形式；在X轴、Y轴丝杠的支承件上合理布置“W”型隔板；增加X轴、Y轴导轨与支承件连接部位的连接刚度，增加Z轴导轨与横梁连接部位的连接刚度，具体为改变连接处的结构形式；采用刮研的方法增加单位面积上的接触点。针对喷嘴部分