2931_脉冲电解射流加工喷射装置设计

1 绪论
1．1 微细加工技术
1.1.1 微细加工技术简介
微细加工指加工范围在 (1μm～1 mm) [1] 之间的加工。

微细加工技术结合了超精 增亮和超精抛光两项革新技术，能够有选择性地保留表面的微观结构．以提高表面的 摩擦和滑动性能(表面技术)，以机械化和自动化取代传统的手工抛光，提高表面的美 学功能。

这种微细加工技术应用于切削刀具、冲压和锻造工具，航空、汽车、医疗器 械、塑料注射模具等机械零件的表面处理，能够极大地改善零件表面的性能。

微细加工技术采用全自动方式对金属零件表面进行超精加工，通过一种机械化学 作用来清除金属零件表面上1μm‐40μm的材料。

实现被加工表面粗糙度达到或者好于 ISO标准的N1级的表面质量。

微细加工技术主要应用于超精抛光和超精增亮这两个领 域。

超精抛光使传统的手工抛光工艺自动化：而超精增亮则生成新的表面拓扑结构。

微细加工技术的一个突出优点是能够赋予零件表面新的微观结构。

这些微观结构能提 高零件表面对特定应用功能的适应性。

如减小摩擦和机械差异、提高抗磨损性能、改 善涂镀前后表面的沉积性能等。

1. 2 电解加工
随着科学技术的不断提高，电解加工已经发展成为高精度、微小尺寸零件的加工 方法。

在许多场合，电解加工有着独特的优势，如高的加工效率，良好的成形精度， 容易对材料的去除进行控制，适合加工的材料范围广，不需考虑工件材料的强度、硬 度等机械特性，加工过程工具无磨损，工件上不产生应力等优点 。

由于这些优势，电 解加工有望得到更好的发展。

1.2.1 电解加工的原理
电解加工时利用金属在电解液只能够的电化学阳极溶解。

电解加工是在电解 抛光的基础上发展起来的，图 1‐1 为电解加工过程的示意图。

加工时，工件接电源 正极，工具向工件缓慢进给，使得两电极之间保持较小的间隙（0.1mm‐01mm），具 有一定压力（0.5‐2MPa）电解液从间隙中流过，这时阳极工件的金属被逐渐电解腐蚀， 电解产物被高速（5‐20m/s）的电解液带走 [2] 。

图 1-1 电解加工成形原理 图 1-2 电解加工原理图
电解加工成型原理如图1-2所示， 图中的细竖线表示通过阴极 （工具） 与阳极 （工 件）间的电流，竖线的疏密程度表示电流密度大小。

在加工刚开始时，阴极与阳极距 离较近的地方通过的电流密度较高，阳极溶解速度也较快，见图，由于工具相对工件 不断进给工件表面就不断被电解，电解产物不断被电解液冲走，直至工件表面形成与 阴极工作表面相似的形状为止。

1.2.2 电解加工的特点
传统电解加工有如下特点：①加工速度仅与阳极金属的原子量、原子价、通过的 加工电流及电流通过的时间有关，与金属的强度、硬度等机械特性无关。

②在阴极只 有氢气产生。

因此，在加工过程中，阴极的形状不会发生变化。

③易与机械加工及其 他特种加工方法相结合形成复合加工，如电解磨削、电解抛光、超声电解等。

与传统 电解加工相比，现代微细电解加工除拥有上述特点外还有自身的工艺特点，如电解液 的浓度低、加工电压低、阴阳极间的间隙小、加工零件尺寸小、精度要求高等。

虽然 目前实现微细加工的方法很多，但各种加工方法又有其各自的局限性，如微细电火花 加工和激光束加工属于热加工，容易在工件材料上产生热影响层和热变形区；聚焦离 子束加工需在真空中进行，设备成本高；超声加工只适合加工硬脆材料，加工面太窄 效率又低。

与这些加工方法相比，微细电解加工不仅不产生热应力和机械应力，还具 有高的加工效率。

1.2.3 电解加工国内外研究状况 直流电流 工具阳极 电解液泵 电解液
工具阴极
早在20世纪50年代之前，苏联科学家就开始了“以金属局部高速溶解为基础的 电化学加工”的试验研究，1956年在美国芝加哥工业博览会上展出了第一台电解加工 机床，之后电解加工再英国、德国、我国以及日本也得到了发展。

20 世界 70 年代进入“爬坡”阶段，为了解决加工精度问题，国内外先后提出混 气电解加工、钝性电解液、工频脉冲电流、震动进给等工艺措施，进入 80 年代，计 算机技术开始向电解加工渗透，电解加工在我国的发展经历了大起大落的过程 [3] 。

南 京航空航天大学的展成法电解加工、大连理工大学的电解与机械的复合、西北工业大 学的电解与电火花加工的复合研究也在这一时期开展起来。

90年代后期，华南理工大 学在近代功率电子技术发展基础上研究高频窄脉冲电流电解电源，进一步强化了电解 加工系统的“非线性” 。

西安昆仑机械厂西安工业学院联合研制的 CNC 同步控制电解 加工参数和阴极运动轨迹解决了打缠角混合膛线的加工难问题。

从国外电解加工发展 看，英国R.R公司电解加工叶片全自动生产线、荷兰飞利浦公司电解加工电动剃须刀 的自动生产、美国GE公司的五轴数控电解加工机床 [4] 代表了当今电解设备的水平，目 前，电解加工已经成为国防和部分民用工业的关键工序的定型工艺。

但是由于加工间 隙中的电场、流场、磁场及阳极溶解动力学因素的交互影响，电解加工过程十分复杂， 阻碍着该技术向纵向发展。

2 微尺度电解加工
2. 1 电液束加工工艺研究
电液束加工原是国外比较了激光打孔、电子束打孔、电火花小孔加工和电解小孔 加工方法存在的优缺点后，在金属型管电极小孔加工基础上发展起来的一种小孔加工 方法。

电液束加工见示意图2-1 。

图 2-1 电液束加工示意图
电液束加工小孔时，被加工件接正极,在呈收敛形状的绝缘玻璃管喷嘴中有一金 属丝或金属管接负极，在正、负极间加100V～1 000V高压直流电，小流量耐酸高压泵 将净化了的电解质溶液压入导电密封头进入玻璃管电极中， 被压入玻璃管内的液体 (压力一般为0.6MPa左右)以高速流的形式高速通过高压电场射向加工工件的待加工 部位，进行“切削”加工。

电液束加工过程中，高速流动的电解质溶液经过高压直流 电的作用，在电极和工件间产生“辉光现象” [5] 。

据国外资料报道，这种加工方法的机理尚不十分清楚，但肯定加工中既有阳极金 属溶解的过程，又有化学加工的作用。

在实际加工中，去掉的金属量远远大于计算的 电化学作用去除的金属量加上化学作用对金属去除量的总和。

与此相应,电流密度也 大于在普通电解情况下气泡稳定发生时的电流密度,所以加工效率较高。

可以认为:在 高电压、大电流密度下,材料去除是电化学作用和强烈的化学溶解作用的结果。

但电液束加工存在玻璃管电极易碰碎等缺点。

因此我们在电液束加工的基础上提 出了电解射流加工，以解决玻璃管电极易破碎而且制造工艺极其复杂等不利因素。

2. 2 电解射流加工
目前对于航空航天、 精密仪器、 化纤、 电子等领域广泛存在的尺寸在10μm‐1.0mm 之间的微细孔、型槽、摩擦副表面微凹坑、表面纹理刻线等的加工，已经发展了多种
加工方法，主要有微细切削加工技术和微细特种加工技术，其中微细特种加工技术占 据主导地位，微细特种加工包括电火花加工、微细电化学加工、微细激光加工、微细 电子束加工、微细离子束加工、微细等离子弧加工、超声加工、化学加工、快速成形 。

并且能处理高强度、高韧性、高耐磨、耐高温、耐冲击、抗疲劳等高性能的材料 [6] 。

电子束加工、离子束加工以及它们的复合、组合加工等。

而微尺度电解射流加工就是 微细电解加工的一种，电射流加工是实现无再铸层、进出口光滑、表面粗糙度值低、 特殊位置深小孔加工的好方法。

2.2.1 电解射流加工的原理
电射流加工工艺是高压液束小孔加工方法之一，在金属型管电极小孔加工方法基 础上发展起来的一种小孔加工方法。

在正、负极之间加上高压电。

小流量的电解液压 入导电密封头进入喷射装置中，被压入喷射装置的液体以高速流的形式，通过高压电 场的作用，射向加工工件的待加工部位，进行“切削”加工。

由于玻璃管电极是电液 束加工的主要工具，但其玻璃管喷嘴的设计制造极其复杂，无形中增加了工业应用的 技术成本，而且由于喷嘴直径太小而容易在加工过程中破碎，加工过程不够稳定。

因 此，我们在电液束加工技术的基础上提出了电解射流加工，其用金属作为喷头、喷嘴 的制作材料，省去了金属丝或金属管的阴极，其电场效果更好，易于加工，且不会在 加工过程中由于喷嘴的破碎而影响加工过程的稳定性，加工表面可达到无微裂纹、无 变质层、无残余应力的“三无”效果，其工艺技术具有可达性好、表面不产生金相缺 陷、深径比大。

但其加工时定域性较差，且与激光打孔相比加工效率较低，加工出的 孔锥度较大等特点。

2.2.2 电解射流加工的参数分析
（1）电射流加工过程中，加工速度的计算公式 [7] 为:
i nF A
i v a r h hw = = 式(1)
D - = D =
E U U k i R d 式(2)
（1）Va 为阳极金属(工件)金属溶解速度(mm /min);η为电流效率; i 为电流密
度;ω为体积电化当量(mm
3 /A·min);A 为金属原子量; n 为金属化合价; F 为法拉第常 数;δE 为阴阳极电极电位总和;Δ为加工间隙;ρ为金属的密度( g/mm
3 );K 为电解液导 电率;U R 为极间欧姆压降;U 为两极间的电压。

式(1)可看出,影响加工速度的主要因素
有电流效率和电流密度,而电流密度与电压密切相关:电流密度越大,加工的速度也就 越大,也就是说金属的去除量也就越大。

具有一定压力的电解液将电解产物及时清除, 并带走加工时产生的热量,使阳极表面的离子浓度达不到饱和极限,极间电解产物就
不会在阳极表面形成一层薄膜,以保证试验的顺利进行。

（2）占空比对金属去除量的影响。

占空比是指单位脉冲下,正电平持续加工时间 与单位脉冲周期之比。

依照推断占空比越大,反应时间越长,去除的金属越多,因此加 工出来的孔径越大。

（3）加工间隙对金属去除量的影响。

根据计算结果除了电压对去除量影响最大 外,另一重要因素是加工间隙对金属去除量的影响。

式(2)可看出,加工间隙越小,电流 密度就越大,加工速度也越大,金属去除量就越大。

但加工间隙不能太小,否则电解液 流动不畅,不能保证试验的顺利进行。

在后面的试验将会有体现。

2.2.3 电解射流加工的特点
电射流加工工艺具有可达性好、表面完整性好、深径比大的特点，可加工其他工 艺难加工的结构复杂、表面质量要求高的特殊位置深小孔。

因此被国外宇航公司称为 “当代航空先进制造技术之一”。

电射流加工有下述几个特点: (1)生产率高，约为 电火花加工的5到10陪，在一定条件下，比切削加工的生产率还高，如复杂型孔，型 面和型腔一次成型。

且加工生产率与加工精度和表面粗超度没有相互制约的关系。

这 样，就有可能使上述三项工艺指标同时得到提高。

(2)电射流加工方法可达性好。

它 可以实现其他加工方法不能实现或难以实现的特殊角度位置的小孔加工。

(3)加工范 围广，不受金属材料本身材硬度、强度、和韧性的限制，没有残余应力，可以加工薄 壁、弹性等零件。

(4)表面质量好，因为没有切削力，不会产生冷作硬化层；因为是 常温下电化学溶解，不会产生表面变质层，没有显微裂纹；没有飞边毛刺；表面粗糙 度好。

(5) 与传统电解加工工艺相比,可加工出直径更小的孔。

应用电射流送进法加 工的小孔直径可达0.125mm,采用不送进法可加工出直径0.025mm 的小孔。

(6)工具 阴极理论上不消耗 [8] 。

在工艺参数控制得当、设备条件良好的情况下可重复使用。

2.2.4 电解射流加工国内外研究以及运用现状
电射流加工技术主要应用于液体火箭发动机整体涡轮转子叶片的加工 [9] 。

深小孔、 孔轴线与表面夹角很小的斜孔和群孔加工,电射流加工孔径一般为0. 13mm～1.
3mm。

据国外报道,可加工最小孔径为0. 025mm ,加工斜面时小孔轴心线与表面夹角
最小为10°。

20世纪90年代以来， 微尺度电射流电解加工工艺研究取得突破性进展。

研究表明， 此项新技术可并可实现0.05mm以下的微小间隙加工。

型腔最高精度可达0.05mm，最 低表面粗糙度可达Ra0.40μm [10] 。

国外电解液射流法可以加工出直径为0.076mm‐0.76 mm的微小孔，该方法已成功用于涡轮叶片上大量冷却孔的加工，深径比达几十，加 工速度达3mm/min [ 11，12] 。

在一些特殊的应用场合，如电子工业中微小零件的电化学 蚀刻加工(美国IBM公司)、微米级浅槽加工(荷兰飞利浦公司)、微型轴电解抛光(日本 东京大学)已取得了很好的加工效果，精度已可达微米级 [13] 。

美国、英国、俄罗斯都 高度重视数控电解射流细微加工技术的研究并已得到应用，在新型航空发动机及航天 火箭发动机的研制中发挥了重要作用。

美国、俄罗斯仿形电解加工带冠整体叶轮代表 了数控细微电解加工整体叶轮的国际先进水平。

经过30多年的发展，电射流加工已成为一种定型工艺。

我国在过去研究基础上， 对发达国家的先进制造技术应用情况进一步分析，结合研制不断改进．创造性地发展 具有我国特点的加工工艺，改称电液束．并加紧对机床设备的研究制造。

在此期间我 们研制了CNC三坐标数控电液束加工机床。

运用电液束法加工出了无再铸层、无微裂 纹、无热影响区的气动性能好的新机全型叶片。

并且已通过装机试车。

并且研究制造 了各种玻璃管电极，对各种金属材料和高温合金材料进行电射流加工工艺试验，进行 了电解液选择试验，对电射流加工孔径与加工参数、电解液参数、进给速度和玻璃管 电极尺寸的影响规律进行了研究。

3 电解射流加工的系统装置设计
3. 1 总体系统设计
如图3-1系统设计示意图所示
该系统总体结构如下图所示，结构主要由电解池（也当回收池）、过滤器、柱塞泵、 溢流阀、电压表、脉冲电源、喷射装置、喷嘴、工装夹具等组成。

脉冲电源负极与喷 射装置相连，正极与工件相连。

电解池内的电解液由柱塞泵吸出，经过过滤器洁净、 溢流阀控制流量后进入喷射腔体开始工作。

由喷嘴处喷射出来的电解射流对工件进行 加工。

加工时为了尽量保证电解液与工件保持垂直，喷嘴设计成竖直方向喷向工件， 加工后，通过工件喷射出来的电解液进入工作箱，再由回收液管把电解液送进电解液 池。

具体的装置及工装设计见下面。

图 3-1 系统总体设计示意图
3. 2 喷射装置设计
3.2.1 整体喷射装置设计
1．喷射装置设计示意图
图 3-2 腔体设计示意图
①垫圈 ②螺钉 ③壳体 ④金属柱塞 ⑤端盖 ⑥喷嘴 ⑦堵头 ⑧缓冲网 ⑨进液连接件
如图3‐2的喷射装置是主要是由6部分组成，分别是喷嘴、金属柱塞、端盖、堵 电源 压力表 溢流阀 柱塞泵过滤器 喷射装置 喷嘴 夹具
工件
头、壳体、进液转接件。

其装配方式是先把金属柱塞装入壳体，将堵头旋入金属柱塞， 使得金属柱塞上端面被封闭住。

在由6只螺钉把金属柱塞与壳体紧固， 形成一个腔体， 上图中的3与4， 然后喷嘴与金属柱塞下端装配， 确定喷嘴与金属柱塞装配无间隙后，。

最后进液装 上端盖拧紧后，3者便固定一起形成一体了（见图3‐2的零件4、5、6）
接件由壳体的右侧向内拧紧。

这样除了进液口和喷口处，装置便形成了一个拆装都相 当方便的密闭腔体。

当加工开始时，水泵开始工作，电解液经进液转接件进入腔体，在由腔体流进喷 嘴，由于电解液具有一定的压力并加上流经特殊设计的喷嘴，电解液就会形成较理想 的射流。

此系统的喷射系统是由上而下竖直喷射的。

避免了电解射流加工时由于受到自重 的影响。

孔加工的越深同轴度越不好的情况。

接通电源后，电解液先从进液转接件进 入金属柱塞与壳体之间的间隙，由于柱塞泵可能会存在进液不稳定等状况，为了使其 不影响喷嘴喷射的稳定性，在金属柱塞与壳体之间加装了一层过滤网，这样可以防止 电解液直接进入金属柱塞，而会以很稳定的渐进渗透的方式进入金属柱塞进行工作。

当电解液通过过滤网后，为了进一步的缓冲、稳定压力，控制流量。

电解液可以在回 形槽内循环流动，有效的控制了电解液的流动。

为更好的加工做基础。

下面介绍喷射 装置中的重要元件的设计及作用。

3.2.2喷嘴设计
喷嘴的设计对加工精度，加工质量，破碎长度等一些因素的影响是很重要的。

因 此设计喷嘴时要考虑以下要素：
喷嘴内部流道型线对射流流场的影响
为研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响, 对不同内部流道 型线的喷嘴自由射流进行数值模拟。

对于轴对称等直径圆管喷嘴,进口处的流道型线对 射流流道参数的分布有较大的影响;轴对称收缩喷嘴的收缩角大小主要影响射流出口 附近的流动,对流动具有不同的阻滞效果。

国内外学者对喷嘴内部流道型线影响的研究多着眼于收缩‐扩张型的超音速喷嘴 以及不可压的低速射流状况(100m/s 以下) 。

Vasi1’evO.A.、 MininS.N. 、 ShipovskikhA。

从理论和实验两个方面分析了在收缩‐扩张型喷嘴中喉部长度对流动参数的影响。

YangGeunyoung、ChoiMansoo、LeeJoonSik以及V.W.R.Quinn、itzer 曾经分别运用 实验和计算的方法对不可压的低速射流下不同流道型线的喷嘴进行了研究,指出射流
初始段截面上速度的衰减以及轴心速度的衰减与喷嘴内部流道型线有关 [14] 。

本文选用通过对不同流道型线的喷嘴射流的数值模拟,根据射流速度和压力分布 计算结果的比较,研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气体动特性参数的影响, 根据清华大学何枫、谢峻石、杨京龙教授数值计算及模拟研究。

选取两组不同形状的喷嘴进行数值模拟,研究喷嘴内部流道型线对射流流场的气 体动特性参数的影响。

图3‐3显示的一组等直径平直圆管喷嘴，上游管半径D = 36mm,喷嘴出口直径d = 6mm,在进口截面处，喷嘴(b) 与喷嘴(a) 的不同之处在于进口处有1mm×45°倒角。

（a） (b)
图 3-3 平直圆管喷嘴
喷嘴(a) 和(b)的条件一致,计算域的入流边界取在喷嘴的上游，上游来流总压为 01145MPa,计算域的入口采用入流条件,给定总压、 总温和速度的方向,出口采用出流条 件, 给定环境压力，对称轴处采用轴对称条件，人工边界用无反射边界条件，固壁处 采用无滑移边界条件。

图 3-4 喷嘴出口截面上的速度分布 图 3-5 轴线上的速度分布
喷嘴(a)的直角过渡直接导致产生的局部损失比喷嘴(b) 大，因此喷嘴(a)出口截 面上的速度剖面衰减较快，流量损失大(见图3-4)。

从图3-5 轴线上的速度分布可以 看出，喷嘴(a)射流的轴线速度衰减快，等速核区短，约为3d ,而喷嘴(a)射流核心区 约为6d 。

在来流条件相同的情况下,喷嘴(b)流场的气体动特性参数优于喷嘴(a)。

对 于平直圆喷嘴，喷嘴进口截面处的流道形状对外流场射流的影响是不可忽视的。

（c） （d） （e）
图3-6 收缩喷嘴及非结构网格示意图
图3-6所示的收缩喷嘴示意图，上游直径D = 9mm,喷嘴出口直径d = 3mm。

其中 喷嘴(c)、(d)内部流道为锥状收缩，其内锥半夹角α分别为30°、60°;喷嘴(e) 内流
道满足维多辛斯基曲线计算公式。

( ) [ ] ( )
3 2 2 2 2 1 0 0
3 1 1 1 1 1 ú û ù ê ë é + - ú ú
û ù ê ê ë é ÷ ÷ ø ö ç ç è æ - - = l x l x R R R R 式中R 0 、R 1 是喷管进口和出口截面的半径, l为喷管进口到喷管出口的距离，x 为壁
面上任一点至喷管进口的轴向距离。

具体的
维多辛斯基曲线图像说明如图6。

图
3‐7 维多辛斯基曲线 图3-8 喷嘴出口同上的速度分布
图3-9 喷嘴出口界面上的静压分布 对于收缩喷嘴(c) 、(d) ，射流在管道内部并没有完全膨胀，出口截面静压大于 环境压力；内部锥角越大，管内膨胀得越不充分,出口截面静压越高，而且出口截面 上的速度越小。

在相同的来流条件下，锥角越大对射流的阻滞效果越明显。

内部流道 为维多辛斯基曲线的喷嘴(e)，气流在喷管中逐渐趋于完全膨胀，气流在进口截面产
生的径向分速度逐渐减小，并在出口之前趋于零，从而获得均匀的出流速度场。

图3-10 喷嘴轴线上的速度分布 图3-11 轴线上的速度分布（试验与计算比较）
图3‐12 截面上的速度分布（实验与计算比较）
从图3-9和图3-10喷嘴(c)、(d)、(e)轴线上的速度和总压分布可以看出，对于锥 状的收缩喷嘴(c)、(d)气流在射出喷嘴后还要继续膨胀，轴线上的速度加速至完全膨 胀。

当气流完全膨胀后，三个喷嘴轴线上的速度最大值基本相同。

但维多辛斯基曲线 的喷嘴(e) 等速核心区略长于锥状喷嘴，轴线上的速度衰减慢。

对于收缩喷嘴，在出 口附近的速度和压力分布差异较大，若内部流道型线设计为维多辛斯基曲线可以获得
更好的流场动特性参数， 有利于提高喷嘴的工作效率。

利用热线测速仪测量了喷嘴(e) 轴线及截面上的速度分布。

图3-11是轴线速度分布比较，图3-12是轴向x/ d = 1、4、 12、16处速度剖面的实验测量与计算结果的比对，两者吻合基本一致。

从以上理论知识基础上可得到结论：
（1) 对于等直径平直圆管喷嘴，射流流场对进口处的几何形状非常敏感；
（2) 对于内部流道为锥状的收缩喷嘴，锥角越大，对射流的阻滞效果越明显，内 部型线的不同主要影响喷嘴出口附近的速度和压力分布；
（3) 对于收缩喷嘴，内部流道型线设计为维多辛斯基曲线可以获得更好的流场动 特性参数，有利于提高喷嘴的工作效率。

2.喷嘴射流流道的设计
喷嘴是射流设备的重要元件,它最终形成了射流工况,同时又制约着系统的各个
部件。

对于喷嘴的设计要求对流过来的水流进行加速，所以对其设计基本要求是：流体 从金属柱塞流过喷嘴的时候，流速要单调递增，出口处的液体流分布均匀且稳定。

当 然由于喷嘴的内流道比较复杂而且要加工的孔直径非常的小，从加工工艺方面考虑， 喷嘴不宜做的过长，过长的话不仅建造成本高，能量损耗也大。

喷嘴的进出口的面积 比称为收缩比，必须选择合适的收缩比，一般而言，收缩比越大，则收缩流体的出口 速度分布就越均匀，流体的湍流度也越小，但收缩比过大，则会导致洞身也会变长。

根据科学家的反复验算及实际的运用经验，一般收缩比取4-10之间也可适当的调整， 平滑段一般取0.4R。

喷嘴曲线流道长度一般取L=（1.2‐2.4）R1。

喷嘴的曲线对流体分布的均匀程度有较大的影响，靠近出口端的曲线变化应该 放缓些，以稳定流体。