内壁面具有微结构的深小孔凭借优异的冷却性能,在航空航天、能源、船舶动力等领域具有重要的应用价值
[1]。以燃气轮机叶片上的紊流冷却孔为例,其内壁微结构通过扩大冷气接触面积与强化湍流扰动,能够显著提升冷却效率。然而,紊流冷却孔所具有的孔径小、深径比大、孔型特殊等特征,给传统加工方法带来严峻挑战
[2]。
电解加工作为一种基于可控阳极溶解原理实现材料去除的非接触加工技术
[3-5],是现阶段深小孔内壁面微结构的主要制造方法之一。变速进给的管电极电解加工技术已经成功应用于燃气轮机涡轮叶片的紊流冷却孔加工
[6-7]。由于管状阴极在加工间隙中产生轴对称电场分布,管电极电解加工只能加工环形槽/肋结构。张垚彬等
[8]利用表面选区绝缘的棒状阴极工具,实现了孔内壁环形和螺旋形槽/肋结构的制造。何宇斌
[9]利用多线螺旋电极的旋进运动,加工出孔壁螺旋结构。Mi等
[10]提出绕线电极(即在绝缘棒外壁上缠绕铜丝)以控制电场分布,加工出与铜丝位置相对应的孔内壁特征。这些方法本质上都可以归为“静态”转印电解加工,需要特殊阴极工具,且加工定域性随去除深度增加而减弱
[11]。
电解射流加工利用电解液射流约束电场分布来实现材料的定域溶解去除,不仅继承了传统电解加工的高表面质量、适合难切削材料、无工具损耗等主要技术优点,还具备类似能量束加工技术的高工艺柔性特征
[12-14],特别适合金属表面复杂微结构的精密加工。然而,由于在深小孔内难以形成非淹没射流
[15-16],直接利用电解射流加工制造小孔内壁微结构面临挑战。Liu等
[17-18]提出局部气室辅助电解射流加工方法,利用辅助气流营造局部气室,保护射流在深小孔环境中的稳定形成,实现孔壁微结构加工。目前,该方法采用单射流形式,存在加工效率方面的局限。
因此,现提出局部气室辅助多射流电解加工工艺,利用多个受局部气室保护的射流在孔壁多个位置实现同步材料去除。该方法在继承局部气室辅助电解射流加工定域性好、柔性高等优势的基础上,实现了多样化孔壁微结构的精密、高效制备。相比于单射流,深小孔环境中的多射流稳定形成条件更加复杂,并且加工工艺特性存在差异。围绕局部气室辅助多射流电解加工的工艺特性开展研究。首先,探究深小孔内形成良好多射流的流场条件。其次,探讨加工参数对孔壁微结构成形的影响规律。最后,确立最优工艺参数,加工典型样件。此方法可用于燃气轮机叶片上的紊流冷却孔加工,通过增加冷气接触面积与湍流扰动,强化叶片冷却效果,从而提升燃气轮机的热效率和功率输出,为紊流冷却孔的新构型提供制造技术支撑,以促进其在航空发动机和燃气轮机中的应用。
1 实验方法
1.1 实验装置
局部气室辅助多射流电解加工工艺原理如
图1所示。实验装置由可编程直流电源(IT-M3906D-300-60,艾德克斯电子有限公司, 中国)、电解液循环系统、空气压缩机、CMOS工业相机(WP-GX180M,深圳工力科技有限公司,中国)和“内液外气”同轴喷射装置组成,如
图2所示。同轴喷射装置具体原理已在文献[
17]中明确介绍,电解液由上方注入管状阴极,通过阴极侧壁喷孔喷出,形成射流。同时套管设有侧壁喷孔,固定于密封腔体内,压缩空气通过腔体开孔进入后,经管状阴极与套管之间的环形通道流动,并从套管侧壁喷孔喷出,形成辅助气室。
加工后将样品利用切割机(Labotom-5,Struers,Denmark)切割,露出内表面进行表征。使用立体显微镜(Stemi 508,蔡司,德国)观察加工后的形貌。利用共聚焦激光扫描显微镜(VK-X1000, KEYENCE, 日本)测量加工表面粗糙度。使用轮廓仪(SP2013Q-tio, 威尔, 中国)测量加工特征的截面形状。
1.2 实验条件
依次在开放空间和深小孔环境中进行多射流的流场观测,研究管状阴极参数、射流流速和气流压强对多射流形状的影响,厘清形成良好射流的流场条件。管状阴极的外径2.0 mm,内径0.4 mm,壁厚0.8 mm,PEEK套管外径2.4 mm,壁厚0.1 mm。在深小孔内射流观测过程中,使用与工件尺寸相同的透明石英玻璃管(内径3 mm)来模拟深小孔环境。
在可视化观测结果的基础上,开展加工工艺实验,研究气流压强、加工电流和射流扫描速度对加工结果的影响。工件材料为304不锈钢管(内径3 mm,壁厚0.5 mm),电解液为250 g/L NaCl溶液。实验条件如
表1所示。
2 结果与讨论
2.1 开放空间中多射流形貌
电解射流加工中,射流的稳定形成是确保加工工艺顺利开展的前提。为适应受限空间环境的加工要求,采用了一种区别于传统电解射流加工垂直喷出射流的喷嘴结构—带有侧壁喷口的管状阴极。因此,首先在开放空间中,系统观察了管状阴极侧壁喷孔位置和液流、气流流速参数对射流形态的影响。管电极的形状参数如
图3所示,探究了管状阴极侧壁喷孔不同位置对多射流形状影响的实验。
2.1.1 管状阴极侧壁喷孔位置的影响
如
图4所示,当轴向侧孔间距为0.5~1.5 cm时,流场压力失衡会导致每个位置的射流都产生不同程度的弯曲变形、螺旋、倾斜等现象。间距增加至2 cm时,成功形成水平、柱形、透明且平行的规则多射流阵列。进一步增加间距至4~9 cm时,上方和中间位置射流再次产生倾斜、螺旋等现象,下方射流基本仍能保持形状稳定。多射流在开放空间中的这种现象,可能是喷孔的轴向位置改变引起了管状阴极内部流场压力梯度分布变化,导致产生了不同形状的多射流阵列。
2.1.2 管状阴极侧孔间距的影响
如
图5所示,探究了多喷孔间距对射流形态的影响。当喷孔间距为3~5 mm时,射流流量不均匀,压力分布不再对称,导致全部射流产生轴线偏移现象。喷孔间距增至10 mm时,流场稳定性动态平衡,形成空间分布均匀、形态一致的平行多射流阵列。当间距增至15 mm时,流场约束再次被破坏,中间和下方射流出现径向扩散,上方射流呈现轻微轴线偏转现象。
2.1.3 射流流速和气流压强组合对多射流形状的影响
在明确了阴极最优构型后(轴向间距2 cm、孔间距10 mm)开展射流流速与气流压强影响实验,如
图6所示。在射流流速较低时(525 mL/min),0.05~0.1 MPa的气体压力下每个喷孔位置都无法形成射流。这是流量过低,导致每个喷口处的流场无法同时达到水平状态。当气体压力增强至0.2 MPa后,中间和下方喷孔位置均出现弯曲的射流形状。在射流流速适中(1 125 mL/min)下同步调节气压至0.05 MPa,能够获得水平、柱形、透明且平行的多射流阵列。当进一步调高气体压力后,每个喷孔位置出现不同程度的倾斜、螺旋和发散现象。射流在高流量(1 500 mL/min)时,施加0.05 MPa的基准气压,中间射流仍出现倾斜现象,当气压升至0.1 MPa时,由于气体的干扰,上方和中间的射流发生轴向偏离并且开始出现发散现象,而下方射流受影响程度不大,基本仍能维持水平柱形。继续调高气压后,射流开始出现螺旋、发散现象。是在高流速与高压力下,电解质和气体在其界面处强烈的相互作用,导致射流透明度变化出现雾化现象,并再次出现倾斜行为。在本研究中,射流形状受多个参数影响,最终确定实验中采用3喷孔,底端喷孔与密封端轴向间距2 cm,孔间距10 mm,电解液流量1 125 mL/min和辅助气体压力0.05 MPa的参数。
2.2 深小孔内不同气流压强和射流流速组合对多射流形状的影响
为探究深小孔内射流的成形规律,基于优化的阴极参数和电解液流量1 125 mL/min在透明石英玻璃管模拟环境中开展深小孔可视化实验(
图7)。在低流量时(525 mL/min)无论气压如何调控,加工间隙内均充满电解液,射流被淹没无法形成电解射流加工所需的射流条件。调高流量至1 125 mL/min,在气体压力0.05~0.1 MPa区间内,加工间隙内的两相流场确保了射流的产生。每个孔口处积聚的电解液均被辅助气体有效排开,形成局部的气室。气液界面动态平衡使射流呈现出透明圆柱形状。而增加辅助气体压力后(0.2 MPa),射流会产生倾斜、不透明等现象。进一步提高电解液流量(1 500 mL/min),在0.05 MPa气压下仍能产生稳定射流,而在气体压力0.1 MPa时射流不再透明,增大气体压力后(0.2~0.4 MPa),射流再次产生变形。因此过高的辅助气体压力会对射流形状产生负面影响。这些不期望的射流形态导致无法精准地控制加工位置并且使加工精度降低。
2.3 深小孔局部气室辅助多射流电解加工工艺
2.3.1 射流流速和气流压强组合对加工形状的影响
不同射流流速和辅助气体压力对内表面特征加工形状的影响如
图8所示。实验采用优化阴极对不锈钢工件(内径3 mm)加工。在低流量下,射流动压不足导致形状失稳,即便施加辅助气体最优0.05 MPa气压也无法进行加工,证实该参数组合不具备工程应用价值。而当压强到达0.1 MPa时,会导致异常的加工形状,并且加工凹坑深度逐渐变大,横截面轮廓不对称。提高流量至1 125~1 500 mL/min并在0.05 MPa的优化气压协同作用下,加工过程中获得的圆形轨迹直径偏差率较小,几何精度明显提升,能够满足工程实践中对紊流冷却孔等复杂深小孔内表面微结构高精度制造的工艺标准,体现了多参数协同优化的显著优势。然而,随着气体压力升高至0.075 MPa,加工后的凹坑轮廓的不对称性也会加剧。因此,合理匹配射流流速与气流压强参数,对于获得高质量、高一致性的加工结果至关重要,为后续复杂微结构的高效精密加工提供了重要的实验依据和理论参考。
2.3.2 单射流和多射流电解加工工艺对比
图9为单射流和多射流局部气室辅助电解加工获得的加工形状和截面形状。对比实验参数如
表2所示。在射流流速1 125 mL/min、气压0.05 MPa时,对不锈钢工件(内径3 mm)加工。多射流与单射流加工在形貌方面表现出相同的优异特性,两种方法加工得到的凹坑与沟槽结构直径偏差率均较小。证明了局部气室辅助多射流电解射流加工方法不仅能够显著提升加工效率(相较传统单射流系统提高了3倍),同时还具有与单射流系统一致的加工稳定性和加工精度。
2.3.3 加工电流对加工形状和表面粗糙度的影响
在保证射流成形的条件下,研究了加工电流对扫描气体辅助EJM工艺的影响,如
图10所示。实验中控制了阴极刀具旋转的角速度,因此,射流扫描的线速度是由角速度乘以孔半径决定的。
射流的扫描速度保持在1.57 mm/s,电荷量均为12 C,从
图10可知,在电流密度80~159 A/cm
2时加工的沟槽特征具有相似的形状。这一结果与传统EJM工艺具有相同的表现,并且表面粗糙度
Ra随电流密度提升而降低。这是由于电流密度的增加有利于在阳极表面形成黏性膜。这种黏性膜导致了质量输运控制的溶解动力学,消除了冶金因素对局部溶解速率的影响,抑制不同材料微观结构引起的选择性腐蚀。当加工电流达到239 A/cm
2时,在沟槽边缘观察到放电现象。放电的表面沟槽表现出最高的粗糙度。这是在较高的加工电流下,大量气泡产生并与电解液混合,工作间隙中的气泡被击穿,导致放电。
2.3.4 扫描速度的影响
不同扫描速度对EJM工艺加工沟槽形状的影响如
图11所示。在实验中,施加的电流密度和电荷量分别保持在159 A/cm
2和12 C,结果表明,只要施加的电荷保持恒定,无论扫描速度如何变化,都可以加工出几乎相同几何形状的沟槽。进一步证明了气体辅助下的多射流阴极工具可以在深小孔中实现稳定的EJM过程。此外,随着扫描速度的增加沟槽表面粗糙度降低,这是由于射流扫描速度的提高减少了低电流密度在射流外围的停留时间,从而消除了冶金蚀刻和凹坑的形成。
2.4 典型样件
如
图12所示,进行了深小孔内表面复杂阵列特征的气体辅助EJM加工实验。采用3喷孔管状阴极、侧孔轴向间距2 cm、侧孔间距10 mm、射流流速1 125 mL/min、气流压强0.05 MPa、电流密度159 A/cm
2及扫描速度1.57 mm/s的实验条件,在内径3 mm的不锈钢孔内制备出微结构阵列。实验结果表明,该参数组合在加工过程中实现了较高的形貌精度和稳定性。利用这一技术,能够同步加工出圆度误差较小的微坑和环形槽,以及角度偏差较小的V形环槽复合结构,充分满足精密加工的要求。
3 结论
研究了多射流局部气室辅助电解射流加工方法的可行性和加工性能,提高了加工效率,得出以下结论。
(1)开放空间中的可视化观测实验表明,当管状阴极采用三喷孔构型(底端距离2 cm、相邻间距10 mm)时,结合射流流量1 125 mL/min与辅助气压0.025~0.5 MPa区间内,能够在深小孔内获得稳定的局部气室和水平、柱形且平行的多射流阵列。当气流压强过大时(0.1 MPa)会导致射流雾化和变形。
(2)工艺实验表明,多射流显著提升了加工效率,并且加工结果可以维持与单射流系统相当的加工稳定性。在采用三喷口构型和优化流量和气压下,施加159 A/cm2加工电流密度和1.57 mm/s的扫描速度可以实现深小孔内壁阵列微结构的高效加工。
(3)所开发的多射流气体辅助加工方法可满足不同几何形状内表面的加工,成功加工出圆形孔阵、环形沟槽、V形沟槽等复杂微结构,具有良好的加工灵活性。
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