姚 俊 ，陳志同，聶玉軍

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191；2.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽110136）

排列管電極電解切割加工技術(shù)研究

姚 俊1，陳志同1，聶玉軍2

（1.北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京100191；2.沈陽航空航天大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，遼寧沈陽110136）

采用微細(xì)銅管排列組成具有任意待加工形狀的電極，可進(jìn)行高效率、低成本的切割加工。對排列管電極電解加工過程進(jìn)行了建模仿真，對電解加工過程機(jī)理的研究具有一定參考價(jià)值。采用排列管電極加工出深度分別為100、200 mm的圓弧形及“V”形切縫，加工過程穩(wěn)定，無火花短路現(xiàn)象發(fā)生。大深度試件的成功切割證明了排列管電極電解切割加工技術(shù)的可行性。

電解加工；排列管電極；切割加工；仿真模擬；難加工材料

航空航天、武器裝備等行業(yè)越來越多地采用鈦合金、高溫合金等難加工材料，且多數(shù)為大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)的整體構(gòu)件，其從毛坯到成品的材料去除量可達(dá)50%～90%。若采用傳統(tǒng)銑削方式，材料利用率低、加工效率低，且刀具和機(jī)床成本昂貴。

電解加工對于難加工材料具有先天的優(yōu)勢，且電解切割加工十分節(jié)省材料。曾永彬等提出了一系列增加微細(xì)線電極加工區(qū)通液傳質(zhì)的措施，在微小結(jié)構(gòu)件的精微加工中取得了較好的效果[1-2]。國外學(xué)者相繼研究了微細(xì)線陰極、高頻脈沖電壓、電極進(jìn)給速度、電解液種類等對電解切割加工的影響[3-4]。雖然上述研究對微細(xì)結(jié)構(gòu)的加工效果顯著，但對于大厚度結(jié)構(gòu)件不易實(shí)現(xiàn)。此外還有高壓水切割技術(shù)，其設(shè)備投資大，加工厚度影響顯著，且加工存在內(nèi)應(yīng)力[5]。

大型構(gòu)件電解加工的電極體積必然較大，本文采用化整為零的思路，用微細(xì)銅管排列成任意待加工形狀，組成的工具電極可對大尺寸、大厚度結(jié)構(gòu)進(jìn)行切割。排列管電極切割加工的技術(shù)基礎(chǔ)來源于微細(xì)管電極電解打孔技術(shù)[6-9]。本文從電解加工機(jī)理出發(fā)，建立了排列管電極電解加工模型，基于多物理場仿真軟件Comsol平臺進(jìn)行了模擬仿真，并做了實(shí)驗(yàn)對比分析。最后，采用排列管電極分別加工出深度為100、200 mm的圓弧形和“V”形切縫，加工過程穩(wěn)定，無火花短路現(xiàn)象發(fā)生。大深度試件的成功切割表明排列管電極切割加工技術(shù)的可行性。

1 排列管電極原理及結(jié)構(gòu)

如圖1所示，采用薄型中空切割電極或薄壁套料電極時，電極在較大的內(nèi)壓力作用下會發(fā)生膨脹變形，且電極的制作難度大。因此，本文采用微細(xì)銅管排列成任意待加工形狀組成工具電極的方案。該方案中，排列管電極的制作簡便，成本低，且電極不會因內(nèi)部電解液壓力過大而膨脹變形。由于銅管為圓形，將其按所需形狀排列后，電極兩側(cè)是鋸齒狀，按電解“拷形”加工理論，工件切割縫隙必然也為鋸齒狀。為此，需在電極前端焊接整流銅環(huán)，以使電極前端兩側(cè)平直（圖2）。

圖1 內(nèi)壓造成電極膨脹變形示意圖

圖2 任意形狀管電極加工示意圖

2 基于Comsol的電解仿真分析

電解加工中，陽極表面的電流密度分布直接決定著加工的區(qū)域及效率[10]。研究陽極的溶解過程，必須計(jì)算陽極表面的電流密度分布情況。然而，電解加工過程極其復(fù)雜，為了使計(jì)算更準(zhǔn)確，需做出如下簡化假設(shè)：①忽略電解液濃度的變化，從而認(rèn)為電解液的電導(dǎo)率一致；②電流效率恒定；③加工區(qū)各處的電解液溫度恒定。

電解加工過程中，反應(yīng)區(qū)的電流密度為：

式中：i為電流密度，A/m2；F 為法拉第常數(shù)，A·s/mol；zi為離子 i的化合價(jià)；Ni為離子 i的流量，mol·m2/s。 Ni滿足下列方程[11]：

式中：ci為離子 i的濃度，mol/m3；Di為擴(kuò)散率，m2/s；mi為遷移率，mol·m2(s·V·A)；φl為電解液電勢，V；u為電解液流速，m/s。

將式（2）代入式（1），可得：

在電解加工過程中，高壓泵不斷地對加工區(qū)提供新鮮電解液，使加工產(chǎn)物和電解熱被及時排出，電解液離子濃度也基本一致。對應(yīng)上述三個假設(shè)，則▽ci表示濃度梯度，應(yīng)為0；ciu表示離子的對流效應(yīng)，也應(yīng)為 0。 因此，式（3）變?yōu)椋?/p>

由電荷連續(xù)性方程得出：

式中：q 為電荷密度，C/m2；t為時間，s。

電解加工達(dá)到平衡狀態(tài)時的電場為穩(wěn)恒電場，電流分布不隨時間變化，故則：

可將離子化合價(jià)、離子遷移率、離子濃度和法拉第常數(shù)等幾個確定值集合為一個替代值電導(dǎo)率κ，其單位為[1/(W·m2)]，則式（4）代入式（6）可得：

該方程即為基本的歐姆定律。

然而，電化學(xué)過程并不是在電極兩端施加電壓就能立刻進(jìn)行，而應(yīng)將電化學(xué)電極動力學(xué)過程考慮進(jìn)去。在此模型中，電流密度公式遵循Butler-Volmer公式[12]：

式中：i0為交換電流密度；αa、αc分別為陽極、陰極的表面轉(zhuǎn)移系數(shù)；T為電解液溫度；R為理想氣體常數(shù)；ηs為電極電位φs與平衡電位之間φl的差值，稱為過電位，可表示為：

電解加工過程中，工件表面幾何形狀會發(fā)生變化，其法向去除速度vn可表示為：

式中：M為摩爾質(zhì)量，kg/mol；ρ為溶解金屬的密度，kg/m3；η為電流效率。

排列管電極切割加工的數(shù)值仿真借助于有限元軟件Comsol，仿真參數(shù)見表1。電位、電流密度的仿真結(jié)果分別見圖3和圖4?？梢?，0 s時電極還未進(jìn)入工件內(nèi)部，電流分布較發(fā)散，作用于工件表面的區(qū)域也較大，并不集中在電極正下方，該現(xiàn)象造成切縫入口處寬度W入較?。患庸ぶ?00 s時，電極已進(jìn)入工件內(nèi)部，電流分布集中于切縫內(nèi)，造成切縫中部寬度W中變大，如圖5所示W(wǎng)中>W入。在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)，切縫的寬度隨著加工深度的增加而增大，尤其是入口處寬度W入最小，該現(xiàn)象除了因切縫入口處流場存在畸變外，也與電流分布情況有著密切的關(guān)系。

表1 仿真參數(shù)

圖3 不同時刻的加工區(qū)電位分布

圖4 不同時刻的工件表面電流密度分布

圖5 不同時刻的工件切縫形貌

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)在數(shù)控電解加工平臺上進(jìn)行，加工參數(shù)如下：頻率20 kHz、占空比90%的矩形脈沖電壓，電壓峰值20 V；電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%NaCl+10%NaNO3溶液，入口壓力0.5 MPa；初始加工間隙0.5 mm；細(xì)管外徑為3 mm、內(nèi)徑為2 mm，加上端部銅環(huán)，電極端部厚度為4 mm。加工試件材料為鈦合金TB6和高強(qiáng)鋼Q460。

由圖6、圖7可看出，當(dāng)電極進(jìn)給速度較低時，切縫較寬且直線度較差；隨著進(jìn)給速度的提高，切縫變窄且直線度越來越好。其原因是因?yàn)殡姌O進(jìn)給速度較快時，切縫較窄，電解液流速更均勻，使切縫的直線度更好。當(dāng)電極進(jìn)給速度達(dá)到2 mm/min時，經(jīng)三坐標(biāo)測量機(jī)測得其切縫寬度為4.31 mm，直線度誤差為0.23 mm。如圖7所示，切縫平均寬度為切縫入口、中部及出口寬度三者的平均值，其實(shí)驗(yàn)值比模擬值小，分析原因可能是工件表面產(chǎn)生的鈍化層使得電流效率降低。

最后，采用圓弧形電極和“V”形電極進(jìn)行電解加工，為了減輕切縫入口處寬度W入較小的情況，電極在前10 mm行程的進(jìn)給速度為1.0 mm/min，后續(xù)進(jìn)給速度為1.2 mm/min，加工過程穩(wěn)定，無火花和短路現(xiàn)象發(fā)生。加工結(jié)果見圖8，圓弧形切縫試件深100 mm，入口平均寬度為6.51 mm，出口平均寬度為7.73 mm；“V”形切縫試件深200 mm，入口平均寬度為6.31 mm，出口平均寬度為8.11 mm。該結(jié)果可滿足難加工材料大型復(fù)雜構(gòu)件的快速粗加工要求，較大程度提高了加工效率，且降低了成本。

圖6 不同進(jìn)給速度下的切縫形貌

圖7 不同進(jìn)給速度下的切割質(zhì)量

4 結(jié)論

（1）采用多個微細(xì)銅管排列組成任意形狀的陰極進(jìn)行電解切割加工的方案是切實(shí)可行的，即使是形狀復(fù)雜的電極也可輕易地制作，大大降低了電極的制作成本。加工過程較平穩(wěn)，針對難加工材料大型結(jié)構(gòu)的快速近凈成形加工具有一定的適用性。

（2）在切割較大厚度零件時，隨著切割深度的增加，切縫寬度增大，即切割壁面易出現(xiàn)錐度。在實(shí)際加工中，可隨著切割深度的增加適當(dāng)增大電極進(jìn)給速度，以減小壁面錐度。

（3）排列管電極電解切割加工技術(shù)還處于初級階段，有許多技術(shù)難點(diǎn)仍有待解決，如加工區(qū)電解液流場進(jìn)一步均勻化、加工精度和效率提高等。

圖8 加工試件

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Study on Electrochemical Cutting Processing of Arranged Tube Electrode

YAO Jun1，CHEN Zhitong1，NIE Yujun2
（ 1.School of Mechanical Engineering&Automation，Beihang University，Beijing 100191,China；2.School of Mechatronics Engineering，Shenyang Aerospace University，Shenyang 110136，China ）

Micro copper tubes are arranged to electrode with shape to be processed，which could cut the components with a high efficiency and low cost.The model of electrochemical machining(ECM)by arranged tube electrode is built and simulated which has some reference value for the research of mechanism of ECM.The circular arc slot(depth of 100 mm)and V-shaped slot(depth of 200 mm)are cut respectively by circular arc electrode and V-shaped electrode.The machining process is stable without spark and short circuit.The successful cutting of the large depth specimen proves the feasibility of the cutting technique by arranged tube electrode.

ECM；arranged tube electrode；cutting processing；modeling and simulation；difficultto-machine material

TG662

A

1009-279X（2017）04-0025-04

2017-06-01

國家科技重大專項(xiàng)（2015ZX04001201）；中航工業(yè)產(chǎn)學(xué)研專項(xiàng)（cxy2013BH04）

姚俊，男，1988年生，博士研究生。