馬 越,朱 棟,朱 荻
(南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院,江蘇南京210016)
電解加工是屬于電化學(xué)加工范疇的一種特種加工方法,主要通過(guò)電化學(xué)陽(yáng)極溶解實(shí)現(xiàn)工件的加工成形[1]。與機(jī)械加工相比,電解加工具有加工效率高、加工表面質(zhì)量好、工具無(wú)損耗、不存在機(jī)械切削力等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。電解加工一般涉及電場(chǎng)、流場(chǎng)及陰陽(yáng)極之間電化學(xué)反應(yīng)場(chǎng),因而對(duì)電解加工的研究一般圍繞這三種場(chǎng)展開[5]。
盡管電解加工具有諸多優(yōu)勢(shì),但也存在一些缺點(diǎn),典型的是由雜散腐蝕導(dǎo)致的加工工件側(cè)壁輪廓存在錐度[6]。為了減小加工錐度,國(guó)內(nèi)外學(xué)者采用了混氣電解法、陰極側(cè)壁絕緣法、輔助陽(yáng)極法等抑制雜散腐蝕。Ayyappan等[7]在NaCl電解液中混入氧氣加工20MnCr5材料,工件加工錐度得到顯著改善;陳濟(jì)輪[8]將混氣電解方法應(yīng)用到小噴管內(nèi)型面加工中,減小了雜散腐蝕;孫倫業(yè)[9]采用側(cè)壁絕緣陰極開展了葉盤通道的徑向電解加工,顯著提高了葉盤通道型腔的成形精度;谷洲之[10]設(shè)計(jì)了絕緣套對(duì)工件側(cè)壁設(shè)置絕緣,改善了加工葉片的錐度;王寧峰等[11]在旋印電解加工中使用輔助陽(yáng)極成功抑制了工件側(cè)壁雜散腐蝕;李冬林[12]采用輔助陽(yáng)極法提高了掩膜板電解加工的精度,有效抑制側(cè)壁雜散腐蝕,減小了孔的錐度。
套料電解加工過(guò)程受雜散腐蝕影響,加工的葉片存在嚴(yán)重的錐度問(wèn)題。盡管采用抑制雜散腐蝕方法可減小套料電解加工錐度,但無(wú)法完全抑制雜散腐蝕,因而加工的葉片仍存在一定錐度,需要采取進(jìn)一步措施。本文在采用絕緣裝置的基礎(chǔ)上開展了不同線性變電壓參數(shù)的套料電解加工仿真研究,通過(guò)工件的錐度對(duì)比,選取了優(yōu)化的變電壓參數(shù);在優(yōu)化變電壓參數(shù)下,對(duì)工件的錐度作進(jìn)一步改善,通過(guò)試驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。
由于雜散腐蝕的存在,套料電解加工工件的側(cè)壁存在錐度,為改善加工錐度,本文將開展線性變電壓仿真與試驗(yàn)研究。
采用圖1所示的正向流動(dòng)方式開展圓柱狀工件套料電解加工研究,電解液由進(jìn)液口流入陰極座與絕緣套之間的間隙,在陰極刃、絕緣套及加工工件側(cè)壁之間的間隙內(nèi)流動(dòng),最后由陰極刃前端的加工區(qū)流出。
圖1 圓柱狀工件套料電解加工示意圖
針對(duì)圓柱狀工件套料電解加工過(guò)程開展仿真研究,通過(guò)分析成形工件的側(cè)壁輪廓得出工件的錐度變化情況。圓柱狀工件側(cè)壁各點(diǎn)電場(chǎng)、流場(chǎng)分布均勻,各截面錐度大小相等,因此只需建立圖2所示的加工截面二維幾何模型進(jìn)行仿真分析。
圖2 帶絕緣套料電解仿真模型
在圖2中:Γ1為工件表面,Γ3與Γ17為陰極刃加工面,Γ6與Γ14為電解液進(jìn)液口,Γ2與Γ18為電解液出液口;r、a、d分別為陰極刃的圓角、厚度與內(nèi)徑,f為進(jìn)液口寬度,e為絕緣套內(nèi)腔寬度,Δ為端面間隙。其中,陰極刃圓角半徑r為定值0.5 mm,端面間隙Δ為0.5 mm。
整個(gè)電場(chǎng)仿真過(guò)程采用了電流模塊與變形幾何模塊。電流模塊基于歐姆定律使用標(biāo)量電位作為因變量求解電流守恒方程,計(jì)算導(dǎo)電介質(zhì)中忽略感應(yīng)條件下的電流及電位分布;變形幾何模塊主要研究幾何隨某參數(shù)變化時(shí)對(duì)物理場(chǎng)變化的影響。
在電流模塊中,加工間隙電位分布符合拉普拉斯方程:
電場(chǎng)的邊界條件設(shè)置為:
變形幾何模塊的邊界條件為:
式中:v'為陰極進(jìn)給速度;v''為工件腐蝕速度;η為電流效率;ω為體積電化當(dāng)量;i為電流密度。
電流與電勢(shì)滿足歐姆定律:
式中:E為電場(chǎng)強(qiáng)度。
基于以上幾何模型和邊界條件,使用COMSOL軟件進(jìn)行套料電解加工仿真分析,其中仿真參數(shù)見(jiàn)表1。
表1 電場(chǎng)仿真參數(shù)
2.4.1 絕緣套對(duì)加工工件錐度的影響
為研究絕緣套對(duì)加工錐度的影響,以圖2去除絕緣套后的結(jié)構(gòu)作為參照,設(shè)定加工時(shí)間600 s、恒電壓20 V,開展了有、無(wú)絕緣套模型下套料電解加工對(duì)比仿真研究,得到的仿真結(jié)果見(jiàn)圖3。
圖3 20V恒電壓電場(chǎng)仿真電勢(shì)分布圖
由圖3可知,絕緣裝置對(duì)雜散腐蝕具有很好的抑制作用,使用絕緣裝置可大大改善葉片錐度。但是,帶絕緣的陰極裝置成形的葉片依然存在錐度,說(shuō)明絕緣裝置不能完全屏蔽雜散腐蝕,需采取進(jìn)一步措施解決錐度問(wèn)題。
2.4.2 線性變電壓套料電解加工仿真
針對(duì)采用絕緣套后的工件仍存在錐度的問(wèn)題,提出線性變電壓套料電解加工方法對(duì)工件側(cè)壁錐度進(jìn)一步改善,分析不同斜率電壓曲線對(duì)工件錐度的影響,以獲取最優(yōu)的變電壓曲線。此處的“斜率”是指固定加工時(shí)間,通過(guò)改變電壓范圍得到的中間參數(shù)。結(jié)合實(shí)際葉片套料電解加工情況,確定具體變電壓參數(shù):19~21、18~22、17~23、16~24、15~25 V,得到的工件成形結(jié)果見(jiàn)圖4??梢?jiàn),從19~21 V到15~25 V變電壓加工,工件側(cè)壁由正錐度逐步變?yōu)榈瑰F度,且倒錐程度逐步變大。在15~25 V變電壓加工時(shí),除了葉尖圓弧與葉根圓弧,工件中間部分完全呈倒錐度。
圖4 不同參數(shù)線性變電壓仿真電勢(shì)分布圖
為排除葉尖圓弧與葉根圓弧對(duì)工件錐度的影響,選取距離葉尖2~7 mm的部分計(jì)算工件的錐度值,具體示意見(jiàn)圖5。其中,工件錐度計(jì)算公式為:
式中:l為單邊輪廓偏差;h為檢測(cè)高度差,5 mm。
表2是由式(9)計(jì)算而得的工件錐度值??芍?,從20 V的恒電壓到17~23 V變電壓,工件側(cè)壁錐度由1.466°逐步改善到0.114°;從變電壓16~24 V到15~25 V,工件呈現(xiàn)倒錐度,由-0.291°變至-0.433°。因此,在17~23 V變電壓參數(shù)下,加工的工件具有最小的錐度值0.114°。
圖5 工件錐度示意圖
表2 不同電壓參數(shù)下工件側(cè)壁錐度
采用圖6所示的試驗(yàn)裝置開展了圓柱狀工件變電壓套料電解加工試驗(yàn)研究。其中,工件安裝在基座上,基座與電源正極相連,工具陰極通過(guò)陰極連接桿固定在機(jī)床主軸上,機(jī)床主軸與電源負(fù)極相連。加工時(shí),陰極通過(guò)機(jī)床主軸向工件勻速進(jìn)給,電解液通過(guò)入液口經(jīng)陰極連桿及陰極內(nèi)腔流向工件,最后沿陰極外壁流出。
圖6 圓柱狀工件套料電解加工裝置
為驗(yàn)證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性,試驗(yàn)采用與仿真一致的電壓參數(shù),即19~21、18~22、17~23、16~24、15~25 V,其他加工參數(shù)見(jiàn)表3。
表3 電解加工參數(shù)
3.2.1 加工電流分析
加工電流可反映加工過(guò)程所處的狀態(tài)與穩(wěn)定性。在電解加工過(guò)程中,對(duì)加工電流進(jìn)行記錄,從加工開始每隔0.5 min記錄一次加工電流,得到不同電壓參數(shù)下的加工電流見(jiàn)圖7。
圖7 不同電壓參數(shù)下的加工電流
從圖7的整體趨勢(shì)可知,開始加工到1.8 min,電流由170 A劇增至350 A,端面間隙不斷減小,加工過(guò)程處于過(guò)渡狀態(tài);從1.8 min直至加工結(jié)束,電流緩慢增大,表示加工過(guò)程趨于穩(wěn)定,端面加工間隙趨近平衡間隙。
對(duì)比不同電壓參數(shù)下的加工電流,從20 V恒電壓逐步變至15~25 V變電壓,初始電流呈減小趨勢(shì),加工電流增速增大,當(dāng)加工到1.8 min時(shí),加工電流基本相交于同一電流值;從1.8 min至加工結(jié)束,加工電流緩慢增大,電壓變化斜率越大,電流增速越快;加工結(jié)束時(shí),15~25 V加工電流最大,20 V恒電壓加工電流最小。
3.2.2 錐度分析
為分析加工工件的錐度變化趨勢(shì),將工件置于三坐標(biāo)測(cè)量機(jī),采用掃描圓的方式對(duì)工件進(jìn)行掃描,具體見(jiàn)圖8。
圖8 三坐標(biāo)測(cè)量
圖9是由掃描數(shù)據(jù)繪制出工件的右半部側(cè)壁輪廓??芍?,從20 V恒電壓到15~25 V變電壓,工件由正錐度逐步變?yōu)榈瑰F度,且倒錐程度越來(lái)越大;此外,在葉根圓弧部分,變壓斜率越大,其輪廓越偏左,說(shuō)明斜率大的變電壓參數(shù)會(huì)加重工件根部的腐蝕。在17~23 V變電壓參數(shù)下,工件錐度最小。
圖9 工件右部側(cè)壁輪廓曲線
表4是由式(9)計(jì)算出不同電壓下的工件錐度值。與仿真工件錐度值對(duì)比可知,相同參數(shù)下試驗(yàn)與仿真錐度值相差基本不超過(guò)0.3°,說(shuō)明仿真與試驗(yàn)的準(zhǔn)確性高;從20 V恒電壓逐步至15~25 V變電壓,試驗(yàn)與仿真得到的工件錐度都是由正錐度逐步變?yōu)榈瑰F度。在17~23 V下,線性變電壓參數(shù)加工工件的錐度最小,這與仿真結(jié)果一致,但試驗(yàn)與仿真錐度值仍相差0.177°,主要是因?yàn)榉抡孢^(guò)程采用純電場(chǎng)模塊,未考慮流場(chǎng)等因素。
表4 不同電壓參數(shù)下工件的側(cè)壁錐度
(1)開展了恒電壓下有、無(wú)絕緣套的套料電解加工的仿真與試驗(yàn)研究,結(jié)果顯示:采用絕緣套后,雜散腐蝕對(duì)工件的影響較小,葉片錐度改善明顯,但工件仍存在一定的錐度,說(shuō)明絕緣套不能完全屏蔽雜散腐蝕。
(2)針對(duì)用絕緣套后工件仍存在錐度的問(wèn)題,開展了不同斜率的線性變電壓套料電解加工仿真,結(jié)果顯示:采用17~23 V變電壓參數(shù)加工的工件具有最小的錐度值。
(3)開展了不同斜率的線性變電壓套料電解加工試驗(yàn),結(jié)果表明:采用17~23 V線性變電壓參數(shù)加工工件的錐度最小,與仿真結(jié)果一致,試驗(yàn)工件錐度為-0.063°,但與仿真錐度值仍相差0.177°,主要是因?yàn)榉抡孢^(guò)程未考慮流場(chǎng)等因素。