劉海娟，彭保林，韓　麗，劉紅艷

（1.安徽文達(dá)信息工程學(xué)院，合肥 231201；2.合肥海德數(shù)控液壓設(shè)備有限公司，合肥 230601）

0　引言

電化學(xué)加工（ECM）也叫電解加工，加工原理是在電化學(xué)反應(yīng)條件下使陽極金屬溶解，從而去除陽極材料，實(shí)現(xiàn)工件加工成形[1]。發(fā)動(dòng)機(jī)的渦輪和壓氣機(jī)可提高發(fā)動(dòng)機(jī)引擎的性能，葉片是渦輪組件中的重要組成部分[2]。渦輪增壓器具有高效率、高技術(shù)含量和低耗能等特點(diǎn)，是一種環(huán)境友好型的裝置，具有一定節(jié)能減排作用。渦輪增壓通過壓氣機(jī)端進(jìn)行空氣壓縮動(dòng)作，使得壓縮腔里的氣體密度增大，提高發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力。大多數(shù)增壓器應(yīng)用在柴油機(jī)的動(dòng)力裝置上，進(jìn)入氣缸中的氣體增多，會(huì)導(dǎo)致噴入氣缸的柴油也相應(yīng)增多，進(jìn)而導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力性能也有所提高。氣體的增多也使柴油獲得更加充分的燃燒，從而使燃燒后排放的污染氣體減少。因此，增壓發(fā)動(dòng)機(jī)既具有良好的動(dòng)力性能，同時(shí)在經(jīng)濟(jì)性以及排放污染指標(biāo)上都有較好的作用，現(xiàn)已成為現(xiàn)代汽車和工程機(jī)械的標(biāo)準(zhǔn)配置[3]。

1　電化學(xué)加工原理與特點(diǎn)

1.1　加工原理

電化學(xué)加工是利用金屬在通電電解液中的電化學(xué)反應(yīng)使陽極工件溶解來進(jìn)行成型加工的，如圖1所示。1958年諾卡特公司研制出世界上第一臺(tái)應(yīng)用于葉片加工的電解加工機(jī)床。國內(nèi)電化學(xué)加工的研究最早始于20世紀(jì)60年代，并將研究應(yīng)用于加工許多難加工零件，如發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、火炮膛線等。

電化學(xué)加工的工件與電源（直流電源、脈沖電源等）的正極相連成為陽極，工具為陰極，與電源的負(fù)極相連，工具按待加工的工件形狀制成，即溶解陽極的模具。在電化學(xué)加工過程中，隨著電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，逐漸將工具形狀復(fù)制到陽極工件。陽極工件表面每個(gè)鐵原子在外電源作用下釋放出兩個(gè)電子，成為二價(jià)鐵離子進(jìn)入電解液中，其反應(yīng)為：Fe-2e＝Fe+2。溶入電解液中的Fe+2又與OH－離子結(jié)合生成Fe(OH)2沉淀，并而隨著流動(dòng)的電解液而被帶走。Fe(OH)2逐漸被電解液和空氣中的氧氣氧化為Fe(OH)3。氫離子被移動(dòng)至陰極表面，從電源得到電子而析出氫氣，其反應(yīng)為2H++2e=H2↑。電解液從陰陽兩極間隙（間隙大小一般為0.1～1mm）中以一定速度，一般為5～30 m/s[4]流動(dòng)，工具陰極向工件（陽極）進(jìn)給，在陰陽兩極的距離到達(dá)一定數(shù)值（兩極間隙）時(shí)就會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)，工件（陽極）被通電電解液電解。工件（陽極）金屬材料按陰極型面的形狀在電化學(xué)反應(yīng)過程中不斷地溶解到電解液中，隨著工件（陽極）材料的不斷溶解，陰極不斷地向陽極進(jìn)給，電解產(chǎn)物隨著電解液不斷被沖走，隨著電解加工的過程進(jìn)行，工件表面也就逐漸被加工成接近于陰極工具的形狀。

圖1　電化學(xué)加工簡圖

電解液在陰極與陽極的間隙間高速流動(dòng)，在外加電場（電源作用）作用下，正離子向陰極移動(dòng)，負(fù)離子向陽極移動(dòng)，這樣離子的移動(dòng)就形成電流場，電源可以維持持續(xù)不斷的電流，或脈沖電流（由脈沖電源提供），考慮加工間隙間的電場為恒穩(wěn)的電流場，并對電解液進(jìn)行各向同性假設(shè)[5]，由電場理論可得陰極和陽極表面的邊界條件為：

式中，φ：電場中各點(diǎn)電位（φ＝φ（x，y，z）；U：陽極表面電位值；n：陽極表面各點(diǎn)處法向坐標(biāo)；η：電流效率；θ：陽極表面法向與陰極進(jìn)給速度方向夾角；η0：θ=0時(shí)的電流效率；γ：電解液電導(dǎo)率；i0：θ=0時(shí)陽極表面法向電流密度。

由電流守恒方程，有：

式中，Q：電量；ε0：真空介電常數(shù)；▽：哈密頓算子；εr：相對介電常數(shù)。

電化學(xué)加工的電解液可分為：中性鹽溶液、酸性鹽溶液和堿性鹽溶液。常用的電解液有NaCl、NaNO3和NaClO3。由所述電化學(xué)加工原理可知，電化學(xué)加工需要大量的電解液，因此對電解液的要求也較高，如要求電解液無毒、價(jià)廉、性能穩(wěn)定等。

1.2　加工特點(diǎn)

電化學(xué)加工是目前發(fā)展較迅速的特種加工方法之一，主要原因就是電化學(xué)加工在對高強(qiáng)度、硬度和難切削材料等的加工具有很大的優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的機(jī)加工方法作對比，電化學(xué)加工有以下優(yōu)勢[6-7]：

（1）加工范圍廣。可加工各種難切削材料工件，并且不受加工材料的限制，只要材料能夠在通電電解液中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)溶解。同時(shí)也可以加工異形孔以及深小孔等難加工機(jī)械形狀。

（2）表面質(zhì)量好。由陽極溶解來去除材料，故加工后的工件不會(huì)出現(xiàn)冷作硬化、殘余應(yīng)力和裂紋等缺陷，電化學(xué)加工成型后的表面粗糙度可達(dá)到Ra=0.8～1.25 μm。

（3）效率高。對于復(fù)雜型面的一次性加工成型工件，電化學(xué)加工效率遠(yuǎn)高于一般的機(jī)械加工。

（4）工具陰極在理論上無損耗。工具陰極可在一定條件下重復(fù)使用，不會(huì)發(fā)生溶解，在加工時(shí)也無火花和短路現(xiàn)象，可長時(shí)間使用。

2　葉片的電化學(xué)加工

葉片是噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽輪機(jī)中增壓器的重要零件，如圖2所示，其型面形狀復(fù)雜且精度要求高。常規(guī)的葉片加工方法，須先經(jīng)過精密鑄造后再進(jìn)行機(jī)加工，拋光后鑲嵌至葉輪的樺槽中，最后再焊接而成。普通的葉片加工方法的加工工作量大，加工周期長，效率低，且加工質(zhì)量不容易得到保證，很難達(dá)到葉片的形位要求。

圖2　Ti-48Al-2Cr-2Nb合金鑄造低壓渦輪葉片

發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工設(shè)計(jì)過程比較復(fù)雜，需要考慮包括流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、材料強(qiáng)度和疲勞壽命等方面的問題。隨著發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的發(fā)展，葉片的結(jié)構(gòu)向著輕型、復(fù)雜型面、超薄、動(dòng)力學(xué)性能更好等方向發(fā)展，葉片所用的材質(zhì)向鈦合金[8]、鈷基超耐熱合金等難加工材料的方向發(fā)展，所以普通的機(jī)加工很難滿足葉片加工的形位要求，而電化學(xué)加工對各種復(fù)雜形狀的零件和難切削材料具有高效加工的優(yōu)勢，因此電化學(xué)加工方法也被廣泛應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工中。

2.1　葉片加工的多場耦合

電化學(xué)加工涉及電場、流場、溫度場等多個(gè)物理場的耦合，所以電化學(xué)加工過程難以被準(zhǔn)確預(yù)測和評估，工具陰極也無法被精確設(shè)計(jì)。針對這一問題，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的仿真研究，主要是仿真預(yù)測在加工進(jìn)入平衡狀態(tài)下陽極型面狀態(tài)和通過仿真能夠較為精確地進(jìn)行陰極設(shè)計(jì)。

（1）流體運(yùn)動(dòng)方程

在電化學(xué)加工過程中，流道中的流體處于湍流狀態(tài)，以便有效地帶走加工產(chǎn)物和熱量。RNS k-ε模型能夠更好地滿足工程實(shí)際的需求，方程如下：

式中，ε：湍流耗散率；pk：平均速度梯度產(chǎn)生的湍流動(dòng)能；σk、σε、C1s、C2s：模型常數(shù)。

（2）熱傳遞過程

熱傳遞過程即熱量的傳遞過程，熱力學(xué)第二定律表明：熱量總是自發(fā)地、不可逆地從高溫物體流向低溫物體，即只要有溫差存在，就會(huì)出現(xiàn)熱量的傳遞。根據(jù)傳熱的機(jī)理不同，熱傳遞過程可以分為三種形式：熱傳導(dǎo)、對流和輻射。

根據(jù)熱力學(xué)第一定律和傅里葉定律可建立三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱微分方程如下：

式中，ρ：物體的密度（kg/m3），λ：導(dǎo)熱系數(shù)（W/(m2·K)），φ：單位體積的發(fā)熱率（W/m3）。

電解液的溫度場分布可由對流－擴(kuò)散方程進(jìn)行描述如下：

式中，Qb：加工中產(chǎn)生的熱量；kt：電解液熱導(dǎo)率；cp：電解液質(zhì)量定壓熱容。

電化學(xué)加工過程所產(chǎn)生的熱量來源主要有兩個(gè)：電解液的焦耳熱；電極－電解液邊界的反應(yīng)熱。

由于絕大多數(shù)反應(yīng)熱通過電極的熱傳導(dǎo)作用傳入電極中，所以反應(yīng)熱對溫度場的影響很小。

（3）電場特性

陰極和陽極材均是金屬材料，其導(dǎo)電性能都較好，因此陰極表面和陽極表面均可視作等勢面?；陔娊庖旱母飨蛲约僭O(shè)，可知電位分布滿足拉普拉斯方程[9]：

電化學(xué)加工的兩極表面的邊界條件滿足式（1），由電荷守恒可知：

式中k表示電解液的電導(dǎo)率。

由法拉第定律可知，工件（陽極）溶解的速度取決于兩極加工間隙內(nèi)的電場分布，而極間的電場分布又受電解液的電導(dǎo)率和兩極形狀結(jié)構(gòu)的影響，電導(dǎo)率又跟極間溫度場分布有關(guān)。正是由于電化學(xué)加工受多種物理場的影響，所以其加工過程的預(yù)測也變得極其復(fù)雜。研究人員通常是通過計(jì)算機(jī)仿真的方法來研究電化學(xué)加工的多場耦合過程，并加以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

2.2　電化學(xué)加工仿真平臺(tái)

目前主流的電化學(xué)加工仿真平臺(tái)是COMSOL Multiphysics。COMSOL集成了建模、算法、和求解等模塊為一體，由于它強(qiáng)大的多場耦合仿真功能，現(xiàn)已廣泛地應(yīng)用在工程中面臨的電場、流場、以及多場耦合分析等方面。COMSOL可與如MATLAB、Excel、CAD等軟件建立無縫連接，為用戶提供了更大的方便，同時(shí)可與MATLAB進(jìn)行聯(lián)合仿真，使仿真效果更加貼合實(shí)際，也可以進(jìn)行參數(shù)化仿真和設(shè)計(jì)優(yōu)化，進(jìn)行優(yōu)化時(shí)將所需幾何尺寸、計(jì)算步長、邊界條件、材料屬性等參數(shù)定義為變量，根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)函數(shù)，運(yùn)行求解，即可得出優(yōu)化的結(jié)果。

圖3　COMSOL葉片電化學(xué)加工仿真示例

COMSOL的電化學(xué)模塊涵蓋了涉及電化學(xué)反應(yīng)的一系列應(yīng)用。電化學(xué)模塊中的接口用于模擬具有一次、二次或三次電流分布假設(shè)的系統(tǒng)[6]。通過仿真，電化學(xué)模塊擴(kuò)展了電化學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、理解和優(yōu)化的能力，為研究人員提供了很大的便利。葉片電化學(xué)加工在COMSOL中的仿真示例[10]如圖3所示。

3　結(jié)語

電化學(xué)加工是在陽極金屬在通電電解液中產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)條件下去除材料，實(shí)現(xiàn)陽極工件的加工成型，其加工范圍廣、加工效率高、表面質(zhì)量好。發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的加工設(shè)計(jì)過程很復(fù)雜，要考慮包括流體動(dòng)力學(xué)、傳熱學(xué)、強(qiáng)度等方面的問題。利用電化學(xué)加工方法對葉片進(jìn)行電化學(xué)加工涉及多種物理場的耦合問題，包括電場、流場、熱場等，其加工過程很難被準(zhǔn)確預(yù)測，通常采用計(jì)算機(jī)仿真模擬的方式預(yù)先模擬葉片的加工過程，然后再做實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證對比。電化學(xué)加工的高效率和無殘余應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，將使其在葉片加工方面發(fā)揮更大的作用。