□ 牛 屾 □ 李寒松 □ 王系眾

南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院 南京 210016

1 研究背景

Inconel 718鎳基高溫合金在高溫下具有較高的強(qiáng)度、良好的抗氧化腐蝕能力和抗疲勞性能,被廣泛應(yīng)用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵部件的制造,如整體機(jī)匣、整體葉盤等[1-4]。具有優(yōu)良特性同時(shí)使Inconel 718合金成為一種典型的難切削加工材料,在傳統(tǒng)機(jī)械加工過程中切削力大，切削溫度高,造成刀具損耗快，加工成本高，工件殘余應(yīng)力大且易變形,給航空制造業(yè)帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[5-8]。

電解銑磨加工采用形狀簡(jiǎn)單的棒狀磨料工具作為陰極,以類似數(shù)控銑削的方式進(jìn)行加工,基于電化學(xué)陽極溶解作用與機(jī)械磨削作用,實(shí)現(xiàn)材料去除[9]。電解銑磨加工具有加工效率高、加工柔性好、表面完整性佳、工具損耗低等特點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)難切削加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件高效、低成本加工的理想技術(shù)手段[10]。根據(jù)電解液的供液方式,電解銑磨加工技術(shù)可進(jìn)一步分為電解液外噴式電解銑磨加工和電解液內(nèi)噴式電解銑磨加工,前者采用外置噴嘴供給電解液,后者使用中空的棒狀工具,電解液直接從工具內(nèi)部噴向加工區(qū)[11-12]。與電解液外噴式相比,采用電解液內(nèi)噴式更容易保證加工區(qū)域內(nèi)電解液的供給,因此更適合用于難切削加工材料的大切深、大余量去除。

文獻(xiàn)[13]采用基體外徑為6 mm且具有單排側(cè)壁噴液孔的工具,在電壓30 V、切深3 mm等工藝參數(shù)下加工GH4169鎳基高溫合金溝槽結(jié)構(gòu),獲得了2.3 mm/min的最大進(jìn)給速度和44.44 mm3/min的材料去除率。為了提高加工效率,將切深與工具基體外徑均增大至10 mm,而且在保持5排1 mm直徑側(cè)壁噴液孔不變的情況下,確定具有6列側(cè)壁噴液孔的工具為優(yōu)選方案,在加工GH4169合金溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)實(shí)現(xiàn)了2.3 mm/min的最大進(jìn)給速度和188.47 mm3/min的材料去除率[14]。文獻(xiàn)[15]繼續(xù)保持10 mm切深及工具基體外徑不變,在選定6列1 mm直徑側(cè)壁噴液孔的前提下,進(jìn)一步比較側(cè)壁噴液孔排數(shù)對(duì)最大進(jìn)給速度的影響，以具有4排側(cè)壁噴液孔的工具為優(yōu)選方案,在加工Inconel 718合金溝槽結(jié)構(gòu)時(shí)實(shí)現(xiàn)了2.5 mm/min的最大進(jìn)給速度和216.6 mm3/min的材料去除率[15]。

綜上所述,對(duì)于基體外徑與切深均為10 mm的工具,當(dāng)保持噴液孔直徑為1 mm、側(cè)壁噴液孔列數(shù)為6列時(shí),采用4排側(cè)壁噴液孔相比采用5排側(cè)壁噴液孔，能夠獲得更快的最大進(jìn)給速度與更高的材料去除率。然而,文獻(xiàn)[15]在優(yōu)選出4排側(cè)壁噴液孔的方案后,并沒有再進(jìn)一步研究噴液孔列數(shù)對(duì)加工效率的影響。事實(shí)上,改變側(cè)壁噴液孔列數(shù)也會(huì)引起加工區(qū)域內(nèi)流場(chǎng)及電場(chǎng)變化,因此也可能會(huì)影響加工穩(wěn)定性及進(jìn)給速度。此外,文獻(xiàn)[14]與文獻(xiàn)[15]均聚焦于溝槽結(jié)構(gòu)的加工,未進(jìn)行薄壁結(jié)構(gòu)的加工。筆者繼續(xù)基于切深和外徑為10 mm的工具基體,在4排1 mm直徑側(cè)壁噴液孔的基礎(chǔ)上,研究側(cè)壁噴液孔列數(shù)對(duì)電解銑磨加工Inconel 718合金加工效率的影響,并完成薄壁結(jié)構(gòu)的大余量去除加工過程。

2 工具側(cè)壁噴液孔列數(shù)設(shè)計(jì)

如圖1所示,工具基體A、B、C、D的側(cè)壁噴液孔列數(shù)依次為4列、6列、8列、10列。其中，工具基體B即為文獻(xiàn)[15]所優(yōu)選的側(cè)壁噴液孔排數(shù)設(shè)計(jì)方案。所有工具基體的外徑為10 mm,內(nèi)徑為8 mm,管壁厚度為1 mm,端部圓角半徑為0.5 mm,側(cè)壁噴液孔直徑為1 mm。這四種工具基體除了側(cè)壁噴液孔的列數(shù)不同之外,其余的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)均完全相同。

▲圖1 工具基體設(shè)計(jì)

3 流場(chǎng)仿真分析

加工間隙內(nèi)流場(chǎng)分布的均勻性是電解銑磨加工能否順利進(jìn)行的關(guān)鍵因素。如果流場(chǎng)分布嚴(yán)重不均,那么會(huì)導(dǎo)致電解產(chǎn)物在加工間隙內(nèi)堆積,進(jìn)而引發(fā)陰極、陽極短路,阻礙加工速度的加快。對(duì)此,利用計(jì)算流體力學(xué)數(shù)值模擬方法,分析不同側(cè)壁噴液孔列數(shù)對(duì)加工間隙內(nèi)流場(chǎng)分布均勻性的影響。

電解液流道三維示意圖如圖2所示。從圖2中可以看出,電解液流道包括工具基體和溝槽中流體的空間,該流體空間即為流場(chǎng)模型的三維實(shí)體空間。由于流場(chǎng)中工具基體旋轉(zhuǎn)而工件靜止,因此需要采用滑移網(wǎng)格技術(shù)模擬旋轉(zhuǎn)問題。

▲圖2 電解液流道三維示意圖

流場(chǎng)仿真幾何模型如圖3所示。這一流場(chǎng)模型由旋轉(zhuǎn)域和靜止域裝配而成。旋轉(zhuǎn)域?qū)⒐ぞ呋w的側(cè)壁和端面包裹起來,旋轉(zhuǎn)域的外表面即為邊界分界面。旋轉(zhuǎn)域外的區(qū)域即為靜止域,裝配時(shí)使旋轉(zhuǎn)域上某一列側(cè)壁噴液孔的軸線垂直于靜止域的背面。在流場(chǎng)模型中設(shè)置截面,該截面為過從下往上第三排側(cè)壁噴液孔軸線的水平面。這一流場(chǎng)模型的結(jié)構(gòu)參數(shù)如下:工具基體外徑及切深均為10 mm,側(cè)面及底面極間間隙均為0.2 mm,邊界分界面到工具基體外表面的距離為0.1 mm,槽長與工具基體高度分別為7 mm和11 mm。

應(yīng)用ANSYS FLUENT軟件有限元仿真模塊對(duì)所建立的流場(chǎng)模型進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算,邊界條件設(shè)置如下:電解液入口邊界條件為壓力入口,入口壓力為0.6 MPa;電解液出口邊界條件為壓力出口,出口壓力為0;旋轉(zhuǎn)域旋轉(zhuǎn)速度為1 000 r/min。非定常計(jì)算時(shí)間步長設(shè)置為0.25 ms,即每個(gè)時(shí)間步長內(nèi)旋轉(zhuǎn)1.5°，共計(jì)算0.15 s,即旋轉(zhuǎn)900°。當(dāng)ANSYS FLUENT軟件計(jì)算完成后,對(duì)于使用不同工具基體的流場(chǎng)模型,均選擇在0.03 s，即旋轉(zhuǎn)180°時(shí)觀察截面上的速度分布。

采用不同側(cè)壁噴液孔列數(shù)的工具基體時(shí)，流場(chǎng)截面速度云圖如圖4所示。仿真結(jié)果顯示,無論采用何種工具基體,面向已加工區(qū)噴液孔內(nèi)的流速總是明顯快于面向加工間隙噴液孔內(nèi)的流速,這說明電解液在加工間隙內(nèi)的流動(dòng)阻力很大,更容易從下方側(cè)噴液孔向已加工區(qū)流失。當(dāng)采用工具基體A時(shí),由于圓周方向上噴液孔數(shù)量較少,導(dǎo)致工具盲孔內(nèi)電解液流量較低,造成加工間隙內(nèi)同時(shí)出現(xiàn)了貧液區(qū)(流速慢于4 m/s)和低流速區(qū)(流速快于4 m/s且慢于8 m/s),即流場(chǎng)分布的均勻性較差。當(dāng)采用工具基體B時(shí),加工間隙內(nèi)的貧液區(qū)基本消失,并且每段低流速區(qū)的面積也明顯減小。這表明在噴液孔直徑不變的前提下,通過增加工具側(cè)壁噴液孔的列數(shù),可以有效增大流入加工間隙內(nèi)的電解液流量,使流場(chǎng)分布的均勻性得到大幅改善。當(dāng)采用工具基體C時(shí),盡管噴液孔列數(shù)繼續(xù)增加,但上方噴液孔內(nèi)的流速卻減慢,造成加工間隙內(nèi)流場(chǎng)的均勻性并沒有出現(xiàn)好轉(zhuǎn)。當(dāng)采用工具基體D時(shí),由于上方噴液孔內(nèi)電解液的流速進(jìn)一步減慢,導(dǎo)致加工間隙內(nèi)低流速區(qū)的面積顯著增大。由此說明,過多的側(cè)壁噴液孔列數(shù)會(huì)引起電解液向已加工區(qū)流失的現(xiàn)象加劇,造成噴入加工間隙中的電解液流量減小,從而使流場(chǎng)均勻性發(fā)生惡化。

▲圖3 流場(chǎng)仿真幾何模型

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

基于工具基體A、B、C、D，通過電鍍工藝制備工具A、B、C、D,如圖5所示。所用金剛石磨料的粒度為170目/200目,電鍍磨料后工具的外徑約為10.2 mm。

▲圖4 流場(chǎng)截面速度云圖

為驗(yàn)證上述流場(chǎng)模擬結(jié)果的有效性,利用文獻(xiàn)[15]所述的電解銑磨加工試驗(yàn)裝置對(duì)四種工具開展最大進(jìn)給速度測(cè)定試驗(yàn)。試驗(yàn)所用電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液,工件為Inconel 718鎳基高溫合金鍛制,其余主要工藝參數(shù)見表1。

▲圖5 試驗(yàn)用工具

表1 試驗(yàn)工藝參數(shù)

根據(jù)歐姆定律和法拉第定律,當(dāng)電化學(xué)溶解過程進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí),加工間隙Δ為[16]:

Δ=ηωκ(U-δE)/vf

(1)

式中:η為電流效率;ω為工件材料體積電化學(xué)當(dāng)量;κ為電解液電導(dǎo)率;U為陰極、陽極之間的電壓;δE為陰極、陽極極化電位值之和;vf為進(jìn)給速度。

由式(1)可知,當(dāng)其它工藝參數(shù)不變時(shí),加工間隙隨進(jìn)給速度的加快而減小。然而,隨著加工間隙減小,間隙內(nèi)電解液流動(dòng)阻力變大,使帶走熱量及移除電解產(chǎn)物的能力下降,可能造成工件加工表面局部的材料溶解速度變慢,導(dǎo)致工具在高速旋轉(zhuǎn)過程中與工件發(fā)生瞬時(shí)接觸,產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象,最終造成工具損耗及工件表面灼傷。因此,對(duì)于每組試驗(yàn),在工具切入工件后,首先以一個(gè)較慢的進(jìn)給速度開始加工,然后以0.1 mm/min為步長逐步加快進(jìn)給速度,而且每次提速后保持穩(wěn)定加工5 min,直至加工間隙出現(xiàn)火花放電現(xiàn)象時(shí)停止,此時(shí)可認(rèn)為進(jìn)給速度已經(jīng)快于最大進(jìn)給速度。為確保結(jié)果的可重復(fù)性,每組試驗(yàn)的最大進(jìn)給速度均重復(fù)測(cè)定三次。

在不同電壓下,采用工具A、B、C、D所能達(dá)到的最大進(jìn)給速度如圖6所示。從圖6中可以看出,隨著電壓升高,四種工具的最大進(jìn)給速度均加快。根據(jù)式(1)可知,電壓升高會(huì)引起實(shí)際加工間隙變大,因此可通過加快進(jìn)給速度來減小加工間隙,從而提高加工效率。對(duì)于這四種工具,在每一組試驗(yàn)中，工具A的最大進(jìn)給速度最慢。對(duì)于后三種工具,當(dāng)電壓從15 V升高至30 V時(shí),工具D最大進(jìn)給速度的加快幅度最小。這表明,工具側(cè)壁噴液孔的列數(shù)過少或者過多,均可導(dǎo)致加工間隙內(nèi)流場(chǎng)的均勻性出現(xiàn)嚴(yán)重惡化,所以都不利于加快最大進(jìn)給速度,在工具設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)予以排除。與工具B相比,采用工具C后,最大進(jìn)給速度已不能繼續(xù)加快,甚至在30 V電壓時(shí)開始減慢。根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知,相比于工具實(shí)體面,工具側(cè)壁噴液孔正對(duì)的工件加工表面區(qū)域，材料溶解速度會(huì)明顯減慢。根據(jù)仿真結(jié)果可知,相比于6列側(cè)壁噴液孔,采用8列側(cè)壁噴液孔不但會(huì)增加電解液向已加工區(qū)的流失,還可能加劇工件加工表面上各處材料溶解速度的不一致性,導(dǎo)致陰極、陽極發(fā)生瞬時(shí)接觸的概率增大,從而制約最大進(jìn)給速度的加快。此外,考慮到較多的噴液孔列數(shù)設(shè)計(jì)也會(huì)延長工具制備的周期，增加成本,所以最終確定具有6列側(cè)壁噴液孔的工具B為優(yōu)選方案。當(dāng)電壓為30 V時(shí),采用工具B獲得了2.5 mm/min的最大進(jìn)給速度。

▲圖6 不同電壓下工具最大進(jìn)給速度

采用工具B進(jìn)行Inconel 718合金薄壁結(jié)構(gòu)的電解銑磨加工試驗(yàn)。試驗(yàn)得到的薄壁結(jié)構(gòu)實(shí)物如圖7所示。加工所用電壓為30 V,切深為10 mm,其余主要工藝參數(shù)與表1相同。加工的總進(jìn)給量為74.5 mm,先以1 mm/min的進(jìn)給速度從工件側(cè)壁處切入進(jìn)給量5.2 mm,再以2.5 mm/min的進(jìn)給速度執(zhí)行進(jìn)給量69.3 mm,并且此階段的走刀方向改變兩次,兩次走刀的偏移量分別為12.5 mm和25 mm。試驗(yàn)前后經(jīng)精度為0.01 g的電子天平稱量并計(jì)算,得該薄壁結(jié)構(gòu)加工時(shí)的材料去除質(zhì)量為71.26 g,材料去除率為262.7 mm3/min。

利用橋式坐標(biāo)測(cè)量機(jī)測(cè)量出該薄壁結(jié)構(gòu)在圖7虛線處的輪廓曲線,如圖8所示。根據(jù)測(cè)量結(jié)果可知,該薄壁結(jié)構(gòu)平均壁厚為1.08 mm,最薄處為0.675 mm。

▲圖7 薄壁結(jié)構(gòu)實(shí)物▲圖8 薄壁結(jié)構(gòu)輪廓曲線

電壓為30 V時(shí)采用工具B加工薄壁結(jié)構(gòu)的加工電流曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出,在加工開始后,隨著工具逐步進(jìn)入工件,電流逐漸增大至85.6 A左右。通過加快進(jìn)給速度,電流迅速增大至205.8 A左右。當(dāng)加工方向改變時(shí),電流會(huì)先急劇減小至150 A左右,再重新增大至205.8 A左右。分析原因,可能是在加工方向改變后,工件加工表面的面積會(huì)先急劇減小,然后再逐漸增大,造成加工電流也出現(xiàn)相似變化。結(jié)果顯示,整個(gè)加工過程中沒有產(chǎn)生火花放電現(xiàn)象,由此表明電解銑磨加工在難切削加工材料薄壁結(jié)構(gòu)的大余量去除制造領(lǐng)域具有很大的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié)束語

在側(cè)壁噴液孔直徑及排數(shù)不變的前提下,隨著側(cè)壁噴液孔從4列增加到10列,電解液向已加工區(qū)的流失增多,加工間隙內(nèi)電解液流速分布均勻性先改善后惡化。

在電解液壓力不變的前提下,最大進(jìn)給速度隨著電壓的升高而加快。確定具有6列側(cè)壁噴液孔的工具為優(yōu)選方案,當(dāng)電壓為30 V、切深為10 mm時(shí),獲得2.5 mm/min的最大進(jìn)給速度。

▲圖9 薄壁結(jié)構(gòu)加工電流曲線

利用優(yōu)選工具在30 V電壓、10 mm切深下加工薄壁結(jié)構(gòu),加工電流達(dá)到205.8 A,材料去除率達(dá)到262.7 mm3/min,所得到薄壁結(jié)構(gòu)的平均壁厚為1.08 mm,最薄處壁厚僅為0.675 mm。