周　超，張永俊，劉桂賢，吳　明，姚冶冰

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

型孔電解加工陰極優(yōu)化試驗(yàn)研究

周超，張永俊，劉桂賢，吳明，姚冶冰

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

為解決電解加工型孔的加工穩(wěn)定性和形狀精度等問(wèn)題，建立了異形孔電解加工穩(wěn)定過(guò)程中加工間隙數(shù)學(xué)模型，分析了工具陰極結(jié)構(gòu)對(duì)加工區(qū)域和非加工區(qū)域的電場(chǎng)及其均勻性以及其對(duì)電流密度與加工效果的影響，通過(guò)優(yōu)化工件結(jié)構(gòu)改善了加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)分布，使工件形狀精度顯著提高，并進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證。得出結(jié)論：在相同的電解加工參數(shù)下，工具電極的結(jié)構(gòu)對(duì)工件的形狀精度有著顯著的影響，通過(guò)優(yōu)化工具電極結(jié)構(gòu)，改善加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)分布與電流密度，讓加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)更為穩(wěn)定，使工件側(cè)壁垂直度提高，提高了電解加工的形狀精度與加工穩(wěn)定性。

型孔；電場(chǎng)；形狀精度；數(shù)學(xué)模型

近年來(lái)，隨著機(jī)械零件不斷向著結(jié)構(gòu)復(fù)雜化和零件材料多樣化、加工難度大的方向發(fā)展的同時(shí)，零件的精度要求不斷提高、材料強(qiáng)度不斷增大，尤其像一些整體構(gòu)件的型孔、型面，加工可達(dá)性很差，且薄壁整體構(gòu)件較多，采用常規(guī)工藝進(jìn)行加工極易變形，給現(xiàn)代制造業(yè)帶來(lái)了很大的困難。大量實(shí)踐證明這些零件的物理、機(jī)械性能在很大程度上取決于它們的表面質(zhì)量。故提高零件加工后的表面質(zhì)量問(wèn)題是提升零件性能的核心問(wèn)題之一。研究人員提出了許多新的加工方法，以達(dá)到優(yōu)質(zhì)、高效、低成本、良好表面質(zhì)量的目標(biāo)。其中，電解加工技術(shù)是實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的重要技術(shù)方法。

電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理對(duì)工件進(jìn)行加工的，沒(méi)有宏觀“切削力”和“切削熱”的作用，因此，工件表面不會(huì)產(chǎn)生切削加工中所形成的塑性變形層，且無(wú)殘余應(yīng)力；更不會(huì)產(chǎn)生電火花加工在工件表面形成的再鑄層。電解加工無(wú)顯微裂紋，無(wú)飛邊毛刺，具有很低的表面粗糙度值，且不受加工材料本身力學(xué)性能的限制，適用于復(fù)雜型面零件的加工。同時(shí)，在電解加工過(guò)程中，工具陰極在理論上無(wú)損耗，可長(zhǎng)期重復(fù)使用［1］。

針對(duì)鈦合金型孔電解加工過(guò)程中出現(xiàn)的加工后工件側(cè)壁粗糙、型孔形狀精度差問(wèn)題。本文通過(guò)對(duì)工具陰極進(jìn)行仿真觀察其加工過(guò)程中電場(chǎng)分布情況，優(yōu)化其結(jié)構(gòu)，從而改善加工電場(chǎng)分布，使電解加工過(guò)程中電流密度更均勻，解決鈦合金電解加工工件側(cè)壁質(zhì)量問(wèn)題。

1　加工間隙內(nèi)的電解液流動(dòng)模型

圖1所示為穩(wěn)定電解加工狀態(tài)下的電解液流動(dòng)示意圖。電解液通過(guò)管電極內(nèi)孔進(jìn)入由夾具、工件和陰極頭形成的密閉腔，經(jīng)密閉腔產(chǎn)生的背壓將電解液從加工間隙中擠出。在此過(guò)程中，電解液參與了兩電極間化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)將加工產(chǎn)物、電解加工產(chǎn)生的焦耳熱從加工間歇中帶出。根據(jù)文獻(xiàn)［2］，管電極內(nèi)孔尺寸越大，加工區(qū)流場(chǎng)的分布越均勻，加工穩(wěn)定性越好、加工間隙尺寸一致性越高，從而提高了工件的表面精度。

本文在具有矩形通孔的零件上，通過(guò)電解加工獲得規(guī)定的形狀。實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)的工具陰極如圖1所示，考慮導(dǎo)流管外形尺寸較大對(duì)加工孔造成二次電解加工，以及導(dǎo)流管內(nèi)孔較大造成管壁薄剛度不夠等因素，綜合分析，取導(dǎo)流管外徑8 mm，內(nèi)徑5 mm。經(jīng)檢驗(yàn)，電解液入口面積S1＞出口面積S2，可實(shí)現(xiàn)4 m3/h的大流量電解加工。

圖1　電解加工穩(wěn)態(tài)電解加工模型

電解加工中的工件蝕除過(guò)程是在電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下在加工間隙內(nèi)發(fā)生的，因而加工過(guò)程中加工間隙的空間電場(chǎng)分布與幾何形狀決定了所得工件的尺寸和形狀；而加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)影響著加工間隙內(nèi)的離子分布，從而影響著電化學(xué)蝕除過(guò)程。故要獲得理想的形狀精度和尺寸精度，需對(duì)加工間隙的電場(chǎng)和流場(chǎng)的作進(jìn)一步研究［3-5］。

2　電解加工工具陰極結(jié)構(gòu)分析與加工過(guò)程仿真

本文采用COMSOL軟件分析陰極側(cè)壁傾斜角度對(duì)型孔側(cè)壁的影響，通過(guò)調(diào)整傾斜角度觀察電解加工穩(wěn)定過(guò)程中陰極與工件側(cè)壁的電場(chǎng)分布，結(jié)合仿真分析結(jié)果設(shè)計(jì)最優(yōu)傾斜角度工具陰極結(jié)構(gòu)。

2.1陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

工具電極在電解加工中起著決定性的作用，工具電極設(shè)計(jì)得是否合理直接關(guān)系到加工過(guò)程能否順利進(jìn)行。工具電極要具有正確的幾何形狀、良好的尺寸精度、足夠的導(dǎo)電能力。電解加工中，電極以及電極間的間隙有很大的電流通過(guò)，因而產(chǎn)生（與電流值的平方成正比）巨大的焦耳熱。故選擇導(dǎo)電性能良好的電極材料以減少電阻，不致于因溫升和熱變形影響陰極形狀，本文采用紫銅工具陰極進(jìn)行試驗(yàn)研究。

如圖2a所示，陰極的進(jìn)給路徑與對(duì)型孔的噴液方向平行。為避免陰極對(duì)加工面造成二次腐蝕破壞已加工表面，須對(duì)陰極側(cè)壁進(jìn)行絕緣。目前國(guó)內(nèi)外已見(jiàn)諸報(bào)道的電極側(cè)壁絕緣方法主要有化學(xué)氣相沉積法、浸漬提拉法和滴涂法［6］。工具電極的涂層應(yīng)均勻光滑，與管壁結(jié)合牢固，涂層中不允許有氣孔或夾雜物，不允許漏電。為增強(qiáng)絕緣層吸附強(qiáng)度，工具電極表面需做吹砂處理。且涂層過(guò)薄易漏電，過(guò)厚吸附強(qiáng)度減弱，工具電極使用過(guò)程中，絕緣層易崩落，特別是工具電極圓弧轉(zhuǎn)接部分和工作部分更為明顯，且不利于電解液返液。而本實(shí)驗(yàn)屬于大流量電解加工，采用側(cè)壁絕緣方法，會(huì)導(dǎo)致絕緣層易脫落，造成加工效果不理想。鑒于此，本實(shí)驗(yàn)對(duì)陰極工具頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，將其設(shè)計(jì)成正梯形結(jié)構(gòu)，工具側(cè)壁與加工后的工件側(cè)壁存在一定距離與角度（圖2b），從而避免二次加工影響已加工表面的精度［7］。

圖2　電解加工示意圖

2.2間隙內(nèi)實(shí)際電場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型

電解加工間隙的電場(chǎng)屬于導(dǎo)電媒質(zhì)中的電場(chǎng)類(lèi)型。當(dāng)加工處于平衡狀態(tài)時(shí)，間隙內(nèi)的電勢(shì)分布符合Laplace方程：

平衡狀態(tài)時(shí)，工件加工面的去除速度為：

當(dāng)θ=0°時(shí)，即工件電解表面與陰極進(jìn)給速度方向vf垂直時(shí)，則有：

僅考慮κ和E的量值關(guān)系，易推出工件陽(yáng)極表面各處的電勢(shì)梯度為：

式中：η0為θ=0°處的電流效率；J0為θ=0°處的電流密度，A/cm2。歸納上述各式，得到描述間隙內(nèi)實(shí)際電場(chǎng)分布的數(shù)學(xué)模型為：

陽(yáng)極邊界條件為：

陰極邊界條件為：φc=0。

式中：φa和φc分別為陽(yáng)極和陰極電勢(shì)，V；φa=20 V。

根據(jù)變分原理，求解式（7）的方程組等價(jià)于求解一個(gè)位函數(shù)φ，使下列泛函最小：

圖3　間隙內(nèi)電場(chǎng)分布數(shù)學(xué)模型

2.3電場(chǎng)仿真結(jié)果分析

考慮到陰極頭側(cè)壁傾斜角度是影響工件側(cè)壁質(zhì)量的主要因素，通過(guò)對(duì)側(cè)壁間隙的電場(chǎng)電流密度分布的分析，對(duì)陰極與工件側(cè)壁的電場(chǎng)分布情況進(jìn)行比較，觀察工具陰極結(jié)構(gòu)改變電場(chǎng)的實(shí)際分布情況。

加工過(guò)程穩(wěn)定進(jìn)行時(shí)，加工間隙為0.2 mm，加工電壓為20 V，電解液電導(dǎo)率為6.2 S/m，相對(duì)介電常數(shù)為82.5，分別對(duì)不同陰極結(jié)構(gòu)角度的電解加工進(jìn)行電場(chǎng)分析，仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4　陰極仿真結(jié)果分析圖

圖4a是直角陰極頭加工穩(wěn)定時(shí)，加工間隙內(nèi)電場(chǎng)數(shù)學(xué)模型分布情況。除了尖角地方電流密度較大外，加工間隙內(nèi)的空間電流密度梯度較小，平均電流密度為6.0×105A/m2，加工面與非加工面的電流密度近乎相同，造成非加工面的二次腐蝕，嚴(yán)重影響工件的形狀精度。同時(shí)，間隙距離過(guò)長(zhǎng)，造成電解液更新更困難和不充分，電解加工過(guò)程產(chǎn)生的電解產(chǎn)物與焦耳熱不易排除。

圖4b是陰極工具頭側(cè)壁向內(nèi)側(cè)傾斜5°時(shí)，加工穩(wěn)定時(shí)的電場(chǎng)分布情況?？煽吹椒羌庸っ娴碾娏髅芏葴p小，空間電流密度主要分布在加工面區(qū)域，對(duì)非加工面的作用和范圍減小。

圖4c～圖4e分別表示陰極傾斜角為10°、15°、20°。由分析結(jié)果可明顯觀察到陰極側(cè)壁與工件側(cè)壁的空間電流密度減小，非加工區(qū)域間隙內(nèi)平均電流密度為2.5×105A/m2，相對(duì)于直角的電流密度小很多。從仿真結(jié)果可觀察到陰極側(cè)壁傾斜角度越大，對(duì)工件側(cè)壁的影響越小，工件形狀精度更好。

同時(shí)，根據(jù)圖4所示的仿真結(jié)果不難看出，隨著陰極傾斜角度越大，電場(chǎng)分布更集中，并主要集中于加工區(qū)域，且加工區(qū)域間隙內(nèi)的電流密度越來(lái)越大、越來(lái)越均勻。針對(duì)這一結(jié)果，選取隨機(jī)加工間隙內(nèi)工件表面的點(diǎn)，得到如圖5所示規(guī)律。COMSOL的仿真結(jié)果充分說(shuō)明，改變陰極傾斜角度能明顯改善電解加工過(guò)程中工具陰極側(cè)壁對(duì)工件側(cè)壁的電場(chǎng)分布，使空間電流密度集中分布在加工區(qū)域，一定程度提高了電解加工的效率。

圖5　不同角度加工間隙電流密度

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為進(jìn)一步驗(yàn)證工具陰極側(cè)壁傾角θ對(duì)工件已加工側(cè)壁的影響，結(jié)合仿真結(jié)果，進(jìn)行了一組對(duì)比工藝實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為自主研發(fā)的多軸數(shù)控電解加工系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括機(jī)床、高頻脈沖電源、伺服控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)和恒溫控制系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)材料采用標(biāo)準(zhǔn)的TC4鈦合金試件，工具陰極材料為紫銅，低濃度電解液（NaCl質(zhì)量分?jǐn)?shù)4%），具體實(shí)驗(yàn)工藝參數(shù)見(jiàn)表1。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖6a是加工前的預(yù)留孔，圖6b是優(yōu)化工具電極加工出的工件俯視圖，可見(jiàn)加工獲得的型孔形狀精度高。

圖6　優(yōu)化電極加工的工件

圖7是工具陰極優(yōu)化前后，加工型孔側(cè)壁示意圖。其中，圖7a為工具陰極結(jié)構(gòu)未優(yōu)化加工得到的工件，形狀精度差，側(cè)壁有明顯雜散腐蝕現(xiàn)象，且局部有氧化膜堆積；圖7b為優(yōu)化后加工得到的工件，形狀精度高，側(cè)壁無(wú)明顯雜散腐蝕，型孔錐度小，表面光整。

圖7　工件側(cè)壁形貌

4　結(jié)論

本文建立了鈦合金型孔電解加工的數(shù)學(xué)模型，利用COMSOL軟件分析了不同工具陰極結(jié)構(gòu)對(duì)加工間隙電場(chǎng)分布的影響規(guī)律，并針對(duì)其對(duì)電流密度和形狀精度的影響進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，得到如下結(jié)論：

（1）未改變工具陰極角度時(shí)，工具陰極與加工面和非加工面的間隙電流密度梯度較小，造成非加工面發(fā)生嚴(yán)重的二次加工與雜散腐蝕。

（2）調(diào)整陰極角度后，陰極與工件側(cè)壁間的電流密度明顯減小，傾斜角度越大，這種效果越明顯。限于本試驗(yàn)中的工具材料強(qiáng)度，傾斜角度存在理論極限，故只取最大傾斜角20°進(jìn)行研究。

（3）隨著傾斜角度越大，間隙內(nèi)的空間電流密度集中分布于加工區(qū)域，且加工區(qū)域間隙內(nèi)的電流密度分布更均勻，電流密度更高，改善電場(chǎng)的同時(shí)提高了電解加工效率。

文中通過(guò)建立電解加工過(guò)程的數(shù)學(xué)模型，對(duì)比仿真后優(yōu)化的陰極工具頭加工得到的側(cè)壁和初始未優(yōu)化加工質(zhì)量，并驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果和確定優(yōu)化后的陰極結(jié)構(gòu)。電解加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)和流場(chǎng)密不可分，后續(xù)將會(huì)進(jìn)一步研究電解加工穩(wěn)態(tài)間隙內(nèi)電場(chǎng)和流場(chǎng)的關(guān)系。

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Experimental Study On Cathode Optimized ECM-shaped Hole

Zhou Chao，Zhang Yongjun，Liu Guixian，Wu Ming，Yao Yebing
（Guangdong University of Technology School of Electromechanical Engineering，Guangzhou 510006，China）

To solve the processing stability and shape precision electrochemical machining type holes and other issues，this paper established the hole electrochemical machining stability during machining gap mathematical model to analyze the tool cathode structure and the uniformity of the electric field processing region and non-processing areas and its impact on the current density and processing effects，improved by optimizing the structure of the electric field distribution of the workpiece machining gap，so that significantly improve the accuracy of the workpiece shape，and the relevant test to verify the results of the simulation.Concluded:under the same electrolysis process parameters，tool electrode structure has a significant influence on the shape accuracy of the workpiece，by optimizing the tool electrode structure，improve the electric field distribution and current density machining gap，so that the flow field inside the machining gap more stable，so that the workpiece sidewall verticality increase and improve the shape accuracy and process stability ECM.

type hole；electric field；shape precision；mathematical model

TG662

A

1009－279X（2016）03－0020-04

2006-01-05

國(guó)家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51105080）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（S2011040003991）

周超，男，1989年生，碩士研究生。