仇 志，曲寧松，劉 洋

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

機(jī)械傳動(dòng)裝置中，軸、盤(pán)、套類(lèi)回轉(zhuǎn)體零件應(yīng)用十分廣泛，主要用于支撐傳動(dòng)裝置、傳遞扭矩并承受載荷，因此需要一定的強(qiáng)度與剛度。為了保證傳動(dòng)過(guò)程連續(xù)穩(wěn)定，對(duì)回轉(zhuǎn)體零件的圓度、旋轉(zhuǎn)精度等具有一定的設(shè)計(jì)要求[1]。近年來(lái)，隨著航空航天、武器裝備等領(lǐng)域的快速發(fā)展，許多設(shè)備需在高速、高溫、高壓等惡劣環(huán)境下工作，重要零部件的材料、表面質(zhì)量與精度都被提出了更高的要求。為適應(yīng)上述工作條件，關(guān)鍵重要設(shè)備多采用不銹鋼、鈦合金、高溫合金等難加工材料，這類(lèi)材料具有防銹蝕、耐高溫、比重輕、比強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn)[2]。目前，難加工材料軸盤(pán)類(lèi)零件的加工技術(shù)主要包括數(shù)控車(chē)削、電火花線(xiàn)切割和電解加工等。其中，數(shù)控車(chē)削難加工材料時(shí)效率較低，刀具損耗費(fèi)用高，加工周期長(zhǎng)，嚴(yán)重影響產(chǎn)品研發(fā)周期[3-4]；電火花線(xiàn)切割技術(shù)受工件形狀限制，電極損耗較嚴(yán)重，加工表面有變質(zhì)層、微裂紋等，影響加工效率及工件疲勞壽命[5]；電解加工是對(duì)電解液中的金屬工件進(jìn)行溶解而去除材料、實(shí)現(xiàn)工件成形的工藝過(guò)程，具有加工效率高、表面質(zhì)量好、工具無(wú)損耗、無(wú)切削力等優(yōu)點(diǎn)，適用于難加工導(dǎo)電金屬材料的加工[6]。采用射流電解車(chē)削加工時(shí)，電解液通過(guò)正流方式從陰極刀具內(nèi)部流出，經(jīng)加工間隙噴向陽(yáng)極工件，通過(guò)數(shù)控展成的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式對(duì)回轉(zhuǎn)體零件表面進(jìn)行電化學(xué)溶解，得到所需的工件形狀與尺寸，該方法具有定域性強(qiáng)、陰極制造簡(jiǎn)單、加工過(guò)程柔性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

康敏等[7-9]設(shè)計(jì)了單邊直線(xiàn)刃內(nèi)噴電解液陰極進(jìn)行電解車(chē)削加工研究，加工過(guò)程中電壓為20 V、陽(yáng)極工件轉(zhuǎn)速為0.125 r/min、陰極刀具進(jìn)給速度為0.125 mm/min，分層加工出表面質(zhì)量較好的直線(xiàn)、曲線(xiàn)輪廓的回轉(zhuǎn)體表面。葛永成等[10-11]令側(cè)面開(kāi)縫的管狀陰極刀具高速旋轉(zhuǎn)，加工過(guò)程由陰極刀具徑向切入和工件緩慢旋轉(zhuǎn)切除兩部分組成，對(duì)304不銹鋼工件余量進(jìn)行高效去除，加工后的工件表面粗糙度為Ra0.4 μm，但該方法需要兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸同時(shí)運(yùn)作，對(duì)機(jī)床要求較高。以上試驗(yàn)均是在工件轉(zhuǎn)速不超過(guò)10 r/min的低轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行的，本文將研究工件在較高轉(zhuǎn)速下的電解車(chē)削特性。為提高效率，本文設(shè)計(jì)更寬的陰極刀具，并通過(guò)流場(chǎng)仿真優(yōu)選出最佳刀具結(jié)構(gòu)；此外，采用陰極刀具逐漸向高速旋轉(zhuǎn)的陽(yáng)極工件徑向進(jìn)給的模式進(jìn)行加工試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)原理與系統(tǒng)裝置

1.1 試驗(yàn)原理

圖1是徑向進(jìn)給射流電解車(chē)削加工圓柱表面原理示意圖，陰極刀具接電源負(fù)極，陽(yáng)極工件接電源正極，電解液從陰極刀具內(nèi)部經(jīng)加工間隙快速?lài)娤蚬ぜ?。加工過(guò)程中，工件持續(xù)穩(wěn)定地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為n，陰極刀具以恒定速度Vc沿工件徑向進(jìn)給，實(shí)現(xiàn)材料溶解。

圖1 徑向進(jìn)給射流電解車(chē)削加工圓柱表面示意圖

1.2 系統(tǒng)裝置

圖2是電解車(chē)削系統(tǒng)裝置示意圖，主要包括三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床、加工電源、電解液系統(tǒng)、機(jī)床控制系統(tǒng)及工裝夾具。工件通過(guò)彈簧夾頭裝夾在機(jī)床主軸上并沿著Z軸進(jìn)給方向做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)速為100～950 r/min，陰極刀具通過(guò)陰極導(dǎo)電座裝夾在機(jī)床工作平臺(tái)上，可沿X、Y兩個(gè)自由度平動(dòng)，控制系統(tǒng)下達(dá)指令移動(dòng)主軸與工作平臺(tái)。

本文采用SPWM-40350型可控硅整流直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源，參數(shù)為40 V、350 A，電源正極通過(guò)碳刷接主軸與工件，負(fù)極通過(guò)陰極導(dǎo)電座與陰極刀具相連。電流采集系統(tǒng)由霍爾傳感器、開(kāi)關(guān)電源、數(shù)據(jù)采集卡及電腦組成；電解液循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)由離心泵、溢流閥、壓力表、流量計(jì)、加熱器、冷水機(jī)等組成，可為加工區(qū)域提供溫度恒定、壓力可調(diào)、清澈干凈的電解液。加工裝置實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖2 電解車(chē)削系統(tǒng)裝置示意圖

圖3 加工裝置實(shí)物圖

2 陰極設(shè)計(jì)與流場(chǎng)仿真

2.1 陰極設(shè)計(jì)

陰極刀具的結(jié)構(gòu)形狀對(duì)加工過(guò)程流場(chǎng)、電場(chǎng)具有一定影響，進(jìn)而影響加工效率與工件表面質(zhì)量。因此，陰極設(shè)計(jì)時(shí)，流場(chǎng)要求加工間隙內(nèi)的電解液快速均勻，無(wú)空穴、漩渦、死水區(qū)，電場(chǎng)要求加工區(qū)域處于均勻的高電流密度區(qū)。

試驗(yàn)中，陽(yáng)極工件為直徑20 mm、高度10 mm的圓柱，根據(jù)要求設(shè)計(jì)了三款陰極刀具，如圖4所示，刀具1凸起高度為12 mm，底面為寬度5 mm的平面，中心開(kāi)一條高度10 mm、寬度1 mm的出液縫，內(nèi)部流道由入口處收斂至出液縫，縫的高度與陽(yáng)極工件高度一致；刀具2在刀具1的基礎(chǔ)上將底面改成了弦長(zhǎng)8 mm、半徑10.3 mm的弧面；刀具3在刀具2的基礎(chǔ)上，底面由一條出液縫擴(kuò)展至三條。3種陰極刀具均由不銹鋼316L制作而成，底面經(jīng)磨削工序后表面光潔明亮。

圖4 陰極刀具

2.2 流場(chǎng)仿真

為了更好地確定刀具結(jié)構(gòu)，試驗(yàn)對(duì)3種陰極刀具的加工過(guò)程分別進(jìn)行流場(chǎng)仿真。圖5是刀具1加工過(guò)程的流場(chǎng)模型，截面A設(shè)置在刀具長(zhǎng)度方向中心面上，用于觀(guān)察加工間隙處的流速、壓力分布情況，模型加工間隙設(shè)定為0.3 mm，電解液入口壓力和出口壓力分別為0.6 MPa和0 MPa。刀具2和刀具3的流場(chǎng)建模、網(wǎng)格劃分、初始條件設(shè)定均與刀具1一致，并通過(guò)Ansys Fluent 17.0軟件計(jì)算結(jié)果。

圖5 陰極刀具1流場(chǎng)模型

圖6是3種刀具在不同流場(chǎng)下的模型流速、壓力分布情況。由圖6a可知，平底面的刀具1加工間隙處的流速大小與方向分布相比弧底面的刀具2、3均勻性較差，且加工間隙分布也不均勻，因此刀具底面為弧面設(shè)計(jì)更加合理。由圖6b可知，當(dāng)?shù)毒叩酌骈_(kāi)一條縫時(shí)，加工間隙處的流速分布較雜亂；當(dāng)?shù)毒叩酌骈_(kāi)三條縫時(shí)，加工間隙內(nèi)中間區(qū)域的流速分布均勻，這是因?yàn)椴捎靡粭l縫的刀具2加工時(shí)，間隙內(nèi)壓力較小甚至出現(xiàn)負(fù)壓，而采用三條縫的刀具3加工時(shí)，間隙中間區(qū)域仍保持較高壓力，見(jiàn)圖6c。綜合考慮加工間隙內(nèi)的流速大小與方向分布均勻性，采用底面三條縫的弧面刀具3為最優(yōu)刀具。

圖6 不同流場(chǎng)模型的流速、壓力分布情況

試驗(yàn)將刀具3加工圓柱表面時(shí)的加工間隙分為4個(gè)區(qū)域，分別為區(qū)域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，見(jiàn)圖7。其中，區(qū)域Ⅰ、Ⅳ為低壓區(qū)，流速快，但由于加工間隙內(nèi)壓力低，流速方向較雜亂；區(qū)域Ⅱ、Ⅲ（前文的中間區(qū)域）為高壓區(qū)，流速大小、方向均勻性都優(yōu)于低壓區(qū)。

圖7 刀具3加工時(shí)的間隙區(qū)域劃分

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加工試驗(yàn)

試驗(yàn)中，陽(yáng)極選用不銹鋼316L圓柱，電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的NaNO3溶液，溫度恒定30℃，工具陰極為底面三條縫的弧面刀具3。

電解加工過(guò)程中，間隙大小對(duì)材料去除率和表面質(zhì)量有重要影響，故需首先確定平衡間隙的大小，隨后研究加工電壓、工件轉(zhuǎn)速、電解液壓力對(duì)結(jié)果的影響時(shí)均采用此平衡間隙。由于平衡間隙主要受陰極進(jìn)給速度和電壓的影響，為保證平衡間隙為設(shè)定值，試驗(yàn)將陰極進(jìn)給速度作為可變量，初始間隙值等于設(shè)定平衡間隙值，在加工過(guò)程中觀(guān)察電流變化，多次試驗(yàn)并調(diào)整陰極進(jìn)給速度，直至加工過(guò)程電流從開(kāi)始到結(jié)束均保持恒定，這能說(shuō)明該進(jìn)給速度使加工迅速進(jìn)入平衡狀態(tài)、且平衡間隙等于初始間隙即設(shè)定平衡間隙。試驗(yàn)每次均進(jìn)給500 μm，其他參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加工參數(shù)表

加工開(kāi)始前，稱(chēng)重工件并用PS1型表面粗糙度儀測(cè)量原始工件表面粗糙度為Ra0.8～0.9 μm；加工結(jié)束后，將工件洗凈烘干、再次稱(chēng)重并測(cè)量表面粗糙度。

3.2 結(jié)果分析

3.2.1 平衡間隙對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

選取電壓32 V、工件轉(zhuǎn)速500 r/min、電解液壓力0.6 MPa，在不同平衡間隙條件下進(jìn)行圓柱表面射流電解車(chē)削加工試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)圖8和圖9。可看出，設(shè)定平衡間隙從0.2 mm增大到0.6 mm時(shí)，進(jìn)給速度需從120 μm/min逐漸減小至40 μm/min，加工間隙內(nèi)低壓區(qū)Ⅰ、Ⅳ流速方向雜散減小，表面粗糙度值從Ra0.437 μm減小至Ra0.083 μm，但電流密度的降低也會(huì)導(dǎo)致材料去除率從0.56 g/min降至0.197 g/min。綜合考慮，平衡間隙從0.2 mm增大到0.3 mm時(shí)，材料去除率略有降低但表面粗糙度改善明顯，繼續(xù)增大平衡間隙表面粗糙度改善較小。因此，選用0.3 mm作為平衡間隙，此時(shí)陰極進(jìn)給速度為80 μm/min，表面粗糙度為Ra0.186 μm，材料去除率為0.391 g/min。

圖8 進(jìn)給速度隨平衡間隙變化

3.2.2 加工電壓對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

圖9 材料去除率和表面粗糙度隨平衡間隙變化

初始間隙選取0.3 mm并作為平衡間隙，在工件轉(zhuǎn)速500 r/min、電解液壓力0.6 MPa及不同電壓條件下進(jìn)行圓柱表面射流電解車(chē)削加工試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)圖10和圖11。可看出，加工電壓從16 V增大到32 V時(shí)，陰極進(jìn)給速度從25 μm/min增大至80 μm/min，才能使加工迅速進(jìn)入平衡狀態(tài)，且平衡間隙等于初始間隙。由于加工電壓增大，導(dǎo)致電流密度提高，較高的電流密度往往會(huì)帶來(lái)更好的材料去除率和表面質(zhì)量，材料去除率和表面粗糙度分別從 0.116 g/min和 Ra0.288 μm 改善至 0.391 g/min和Ra0.186 μm，因此電壓選取32 V。

圖10 進(jìn)給速度隨電壓變化

圖11 材料去除率和表面粗糙度隨電壓變化

3.2.3 工件轉(zhuǎn)速對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

初始間隙選取0.3 mm并作為平衡間隙，在電壓32 V、電解液壓力0.6 MPa及不同工件轉(zhuǎn)速條件下進(jìn)行圓柱表面射流電解車(chē)削加工試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)圖12。由于工件轉(zhuǎn)速對(duì)平衡間隙影響較小，試驗(yàn)表明不同轉(zhuǎn)速下采用80 μm/min的陰極進(jìn)給速度均可使加工迅速進(jìn)入平衡狀態(tài)，且平衡間隙等于初始間隙。從圖12可看出，工件轉(zhuǎn)速對(duì)材料去除率影響極小，可忽略不計(jì)；而當(dāng)工件轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到500 r/min時(shí)，表面粗糙度從Ra0.213 μm持續(xù)降低至Ra0.186 μm，但當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增至900 r/min時(shí)，表面粗糙度值逐漸增大。綜合考慮選取工件轉(zhuǎn)速500 r/min作為最優(yōu)參數(shù)。

圖12 材料去除率和表面粗糙度隨工件轉(zhuǎn)速變化

3.2.4 電解液壓力對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響

初始間隙選取0.3 mm并作為平衡間隙，在電壓32 V、工件轉(zhuǎn)速500 r/min及不同電解液壓力條件下進(jìn)行圓柱表面射流電解車(chē)削加工試驗(yàn)，所得結(jié)果見(jiàn)圖13。由于工件轉(zhuǎn)速對(duì)平衡間隙影響較小，試驗(yàn)表明不同電解液壓力條件下采用80 μm/min的陰極進(jìn)給速度均可使加工迅速進(jìn)入平衡狀態(tài)，且平衡間隙等于初始間隙。從圖13可看出，當(dāng)電解液壓力從0.2 MPa增至0.8 MPa時(shí)，加工間隙內(nèi)低壓區(qū)域Ⅰ、Ⅳ處的電解液流速方向雜散變強(qiáng)，導(dǎo)電能力減弱，使材料去除率下降；當(dāng)電解液壓力從0.8 MPa增至1.0 MPa時(shí)，材料去除率變化不明顯。隨著電解液壓力增大，更快的流速可及時(shí)帶走加工產(chǎn)物與熱量，使得工件表面粗糙度值一直呈下降趨勢(shì)。同時(shí)，當(dāng)電解液壓力從0.6 MPa增大到0.8 MPa時(shí)，材料去除率下降明顯而表面粗糙度改善較小，因此選取0.6 MPa作為電解液壓力較優(yōu)值。

3.3 樣件加工

采用底面為弧面三條縫的刀具3作為陰極，加工參數(shù)選取電壓32 V、初始間隙0.3 mm、陰極進(jìn)給速度80 μm/min、工件轉(zhuǎn)速500 r/min、電解液壓力0.6 MPa，對(duì)直徑 20 mm、高度 10 mm的316L不銹鋼圓柱表面單邊電解車(chē)削500 μm，加工所得樣件見(jiàn)圖14。經(jīng)測(cè)量計(jì)算，材料去除率為0.391 g/min，工件表面粗糙度為Ra0.186 μm。同時(shí)，從樣件加工電流變化趨勢(shì)可知，加工過(guò)程中電流持續(xù)穩(wěn)定，初始加工間隙和結(jié)束加工間隙均為0.3 mm，證明加工過(guò)程能迅速進(jìn)入平衡狀態(tài)并保持平衡間隙為0.3 mm。

圖13 材料去除率和表面粗糙度隨電解液壓力變化

圖14 樣件加工圖

4 結(jié)論

本文使用10%的NaNO3溶液對(duì)316L不銹鋼工件進(jìn)行了徑向進(jìn)給射流電解車(chē)削加工圓柱表面的試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）流場(chǎng)仿真表明刀具底面為弧面、且設(shè)置三條出液縫時(shí)，加工間隙內(nèi)的流速大小、方向均勻性較好。

（2）增加電壓、減小平衡間隙可顯著提高材料去除率，工件轉(zhuǎn)速和電解液壓力對(duì)材料去除率影響較小。

（3）本試驗(yàn)條件下，增加電壓、增大平衡間隙、提高電解液壓力均可改善工件表面質(zhì)量，但工件表面質(zhì)量隨工件轉(zhuǎn)速增大先改善后變差，保持轉(zhuǎn)速在500～700 r/min時(shí)可達(dá)到最優(yōu)加工效果。

（4）利用優(yōu)選參數(shù)對(duì)直徑20 mm、高度10 mm的316L不銹鋼圓柱表面單邊電解車(chē)削500 μm時(shí)，材料去除率可達(dá)0.391 g/min，工件表面粗糙度為Ra0.186 μm。