Page 108 - 《应用声学》2022年第1期

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工的方式对传统射流电解加工缺陷进行改善，其装
0 引言
置示意如图 1 所示。该装置由超声加载与射流电解
两部分组成，其中超声加载部分包括压电超声换能
射流电解加工又称为电液束加工，是一类特殊
器与超声电源，射流电解部分包括射流电解电源、液
的电化学加工方法，其主要特征为通过将电解液以
压泵、电解液池、电解液腔室、射流喷嘴和待加工工
微细射流 (液束) 的方式喷射在待加工金属表面，同
件等。
时直流电压通过喷嘴或喷嘴内电极丝施加在电解
该复合加工技术原理在于：谐振频率为28 kHz
液中，从而达到溶解金属的目的。该加工方式具有
的压电超声换能器在超声电源的驱动下产生纵向
不与零件接触，可实现特殊角度加工，不受材料强
振动，该纵向振动激发电解液腔室顶盖圆盘产生弯
度、硬度等物理、机械性能的影响，无冷作硬化层、无
曲振动，并以超声波的形式在腔室内电解液中继续
热再铸层和微裂纹等优势 [1−4] ，因此在微小孔加工
传播，超声波再通过锥形结构不断聚集至射流喷嘴
中具有很好的应用价值。
出口处使声强达到最大，进而强化电解液对工件的
射流电解加工因在微小孔加工中所具有的优
射流冲击作用。同时超声波在电解液中产生的空化
点，国内外学者对其进行了比较丰富和深入的研究。
效应、机械效应、化学活化效应等 [15−17] 可提高加
Hewidy 等 [5] 建立了理论数学模型用于预测孔的形
工速率，改善过切现象。
状、有效加工时间和有效进给速度；文献 [6–7] 在脉
冲射流电解加工技术基础上，对工具阴极施加了轴
+
向的往复运动，提高了加工的稳定性。此外，由于 ԍႃᡔܦ૱ᑟ٨ ᡔܦႃູ
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单独通过射流电解加工得到的小孔形状尺寸难以
控制，且会在小孔出口产生腐蚀的圆角，因此一些 ႃᝍ๯ᑿࠉ -
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射流电解复合加工的方式开始出现并得以应用。文 +
献 [2,8–9] 将射流电解加工和磨料射流加工相结合， ࠱ืإٙ
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提出了混合式磨料电解磨料射流复合加工技术；文
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献 [10–11] 将射流电解加工与激光加工相结合；文
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献 [12–14] 结合微细电解加工技术和气膜保护原理，
提出了气膜屏蔽微细电解加工技术。上述 3 种射流
电解复合加工技术均不同程度提高了加工质量、加 图 1 超声辅助射流电解加工装置
工速度，改善了过切现象。 Fig. 1 Ultrasonic-assisted electrochemical jet ma-
chining device
本文将射流电解加工和超声波相结合，在电解
液腔室内施加超声波改善电解液的流动状态，通过
2 超声换能器及电解液腔室的振动特性
提高射流喷嘴出口压力，以及超声波在液体中产生
的空化效应、化学活化效应等提高加工效率及改善
2.1 超声换能器的设计及振动特性分析
其过切现象。首先从超声加载与射流电解两部分结
超声换能器由后盖板、压电陶瓷堆、前盖板与
构出发，搭建了超声辅助射流电解加工装置；然后结
变幅杆组成，其中后盖板作为背衬，压电陶瓷堆将电
合多物理场仿真软件对模型进行了声场仿真、射流
压转换为机械振动，前盖板为声波辐射端口，变幅杆
电解加工仿真，初步验证了超声辅助效果；最后实验
起到放大超声振动振幅的作用。
验证了超声波对射流电解加工的加工速率、小孔形
设置后盖板材料为 45 钢，压电陶瓷堆材料为
#
状的辅助效果，探究了超声电源功率与加工速率的
PZT-8，前盖板与变幅杆材料为 7075 硬铝，再进行
关系。
压电效应多物理场仿真 [18] ，该多物理场通过压电方
1 超声辅助射流电解加工原理 程将结构力学物理场与静电物理场耦合，其中结构
力学物理场包含超声换能器的所有部件，静电物理
超声辅助射流电解加工技术是一种基于射流 场仅包含压电陶瓷堆。在28 kHz 谐振频率下，超声
电解加工方法的复合加工技术，采用超声波辅助加 换能器的振型如图 2 所示，其保持纵振模态，且在