謝 洲，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 ）

液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈴澒苁前l(fā)動(dòng)機(jī)推力室的重要組成部件，肩負(fù)承重、耐高溫、耐高壓的重任，并應(yīng)適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)高速、富氧、高頻震動(dòng)的環(huán)境，對(duì)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及對(duì)材料性能的要求不斷提高[1]。燃?xì)鈴澒苁怯筛邷睾辖鸩牧现圃於?，待加工面是變曲率、變壁厚的空間復(fù)雜曲面，若用傳統(tǒng)數(shù)控機(jī)械加工方式，存在加工效率低、刀具磨損嚴(yán)重、易變形等問(wèn)題[2]，國(guó)內(nèi)常采用整體拷貝式電解加工，但因待加工面積大、形狀特殊、產(chǎn)品毛坯精度差等原因?qū)е伦罱K加工形貌和表面質(zhì)量不佳[3]。 對(duì)此，耿雪松等[4]通過(guò)電解液流向控制、電極設(shè)計(jì)及流場(chǎng)仿真分析等技術(shù)研究改善了加工成形過(guò)程。

電解銑削加工時(shí)，陽(yáng)極工件接電源正極、陰極中空管電極接電源負(fù)極，管電極采用射流方式噴液并在工件上方掃描移動(dòng)加工。 其原理是電極在電解液中與工件界面發(fā)生陽(yáng)極溶解而去除材料[2]，其優(yōu)點(diǎn)是不需要采用與加工工件形狀一樣的成形陰極電極工具，陰極工具沒(méi)有磨損和損耗，具有很好的靈活性與方便性，可實(shí)現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜三維型面的加工，加工后工件表面幾乎不存在缺陷且表面光滑、沒(méi)有毛刺[5-8]。

本文以新一代液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈴澒転檠芯繉?duì)象，首先等比縮小設(shè)計(jì)了樣件，在此基礎(chǔ)上研究采用316L 不銹鋼電極和質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaCl 溶液對(duì)弧面結(jié)構(gòu)316L 不銹鋼進(jìn)行電解銑削的加工特性，變量參數(shù)包括電壓、掃描速度、加工間隙，研究指標(biāo)包括材料去除率和表面幾何形貌。

1 試驗(yàn)原理及相關(guān)設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)原理

電解銑削加工一般使用中空金屬管作為電極，加工時(shí)通入電解液使其充滿電極與工件之間的加工間隙，在管電極接電源負(fù)極、工件接電源正極的同時(shí)，電極在工件上方做掃描運(yùn)動(dòng)，陽(yáng)極工件在電化學(xué)溶解原理的作用下發(fā)生腐蝕，以此達(dá)到去除材料的加工目的。 本試驗(yàn)加工對(duì)象為弧面，采用底面弧形的異形管作為電極，加工示意見(jiàn)圖1。

圖1 弧形電極電解銑削加工弧面工件示意圖

1.2 試驗(yàn)系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計(jì)

圖2 是本試驗(yàn)所采用的電解銑削加工系統(tǒng)裝置，包括三軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床本體、工裝夾具、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)及直流電源等。 其中，電解液循環(huán)系統(tǒng)由電解池、加熱冷卻裝置、過(guò)濾裝置等組成，電源采用80 V/40 A/1500 W 規(guī)格直流電源，并用數(shù)據(jù)采集模塊實(shí)時(shí)采集加工電流與電壓，加工裝置實(shí)物見(jiàn)圖3。

圖2 電解銑削加工系統(tǒng)示意圖

圖3 加工裝置實(shí)物圖

本試驗(yàn)旨在研究恒電壓加工模式下弧形電極電解銑削弧面工件的加工特性，控制電解液濃度及溫度、電解液入口處壓強(qiáng)等不變，具體加工條件見(jiàn)表1。 為更好地得到不同加工參數(shù)對(duì)加工表面幾何形貌和材料去除率的影響規(guī)律，本試驗(yàn)建立三因素五水平的因素水平表，且在不考慮不同因素之間的交互作用下研究單一因素對(duì)目標(biāo)參數(shù)的影響。 根據(jù)以往管電極電解銑削的加工經(jīng)驗(yàn)，各參數(shù)具體數(shù)值選擇見(jiàn)表2。

表1 弧形電極電解銑削加工試驗(yàn)條件

表2 弧形電極電解銑削加工試驗(yàn)參數(shù)

加工前用電子天平對(duì)工件稱重， 加工結(jié)束后，對(duì)工件沖洗、吹干并再次稱重，計(jì)算材料去除率；用3D 輪廓測(cè)量?jī)x拍照成像，用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)沿徑向掃描表面輪廓，利用Origin 軟件擬合測(cè)量半徑并計(jì)算圓度。

1.3 電極尺寸設(shè)計(jì)

試驗(yàn)所用弧形電極及工件尺寸以新一代液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈴澒艿耐獍牍芗庸楸尘霸O(shè)計(jì)。 圖4 是該彎管模型以及加工圖，外半管半徑在0°~90°變化截面下逐漸減小。 表3 列出了一組主要角度半徑數(shù)值。

表3 彎管外半管主要半徑尺寸

圖4 彎管模型及加工效果圖

外半管加工余量為3.5~6 mm，可接受誤差范圍在±2 mm，目前通常采用整體拷貝式電解加工方式。擬定加工方案陰極沿軸向掃描電解銑削，具體加工方案示意見(jiàn)圖5。

為簡(jiǎn)化加工過(guò)程，合理利用誤差范圍，設(shè)計(jì)單一電極尺寸能滿足所有半徑尺寸的加工。 圖6 是設(shè)計(jì)過(guò)程，角α 半徑R 的扇形對(duì)應(yīng)工件尺寸，角β 半徑r 的扇形對(duì)應(yīng)電極尺寸，Δ 為加工誤差，考慮大小端兩種極限情況得到加工彎管某一截面時(shí)所能用到的電極尺寸范圍。

圖5 加工方案

圖6 電極尺寸設(shè)計(jì)

對(duì)于極限情況（a），計(jì)算過(guò)程見(jiàn)方程組：

對(duì)于極限情況（b），計(jì)算過(guò)程見(jiàn)方程組：

分別代入表3 中彎管大小端半徑尺寸計(jì)算，結(jié)果取交集， 可得電極半徑取值范圍為87~211 mm，對(duì)應(yīng)角度為47°至26°。擬定電極半徑為150 mm，取圓弧角度為30°，試加工半徑150 mm 的弧面。 本文按1∶10 制作縮比件進(jìn)行試驗(yàn)， 研究其加工特性，采用的電極與工件實(shí)物見(jiàn)圖7。

圖7 電極與工件

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電壓變化對(duì)加工的影響

為研究電壓對(duì)加工特性的影響規(guī)律，固定加工間隙為0.3 mm、電極掃描速度為20 mm/min，分別選取電壓 20、30、40、50、60 V 進(jìn)行電解銑削試驗(yàn)，部分加工結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 不同加工電壓下的加工結(jié)果

對(duì)加工完的工件稱重并計(jì)算材料去除率，用三坐標(biāo)掃描后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 擬合圓弧測(cè)量半徑及其標(biāo)準(zhǔn)差，將電壓換算成電流密度后繪制結(jié)果折線見(jiàn)圖9。 可見(jiàn)，隨著加工電壓增大，加工區(qū)域內(nèi)電流密度逐漸增大，導(dǎo)致材料去除率增大，同時(shí)較高的電流密度也會(huì)使工件復(fù)刻電極幾何形狀的能力提高，因此增大電壓有利于減小圓度，獲得更好的弧面，但過(guò)高的電壓會(huì)造成更多的雜散腐蝕，從而又對(duì)圓度產(chǎn)生負(fù)面影響。 從折線圖可以看出，電壓在30~50 V 內(nèi)都能獲得較好的圓度，結(jié)合擬合的半徑值優(yōu)選40 V 作為最佳加工電壓， 對(duì)應(yīng)圖中的電流密度。

圖9 電流密度對(duì)加工結(jié)果的影響

2.2 間隙大小對(duì)加工的影響

為研究間隙大小對(duì)加工特性的影響規(guī)律，固定加工電壓40 V、電極掃描速度20 mm/min，分別選取加工間隙 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm 進(jìn)行電解銑削試驗(yàn)。 實(shí)際加工過(guò)程中，由于存在調(diào)整誤差，加工間隙0.1 mm 和0.2 mm 時(shí)存在打火現(xiàn)象， 故在此舍去，其余加工結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10 不同加工間隙下的加工結(jié)果

對(duì)加工完的工件稱重并計(jì)算材料去除率，用三坐標(biāo)掃描后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 擬合圓弧測(cè)量半徑及其標(biāo)準(zhǔn)差，繪制結(jié)果折線見(jiàn)圖11。可見(jiàn)，隨著加工間隙的增大，加工區(qū)域內(nèi)電流密度逐漸減小，導(dǎo)致材料去除率減小，且電場(chǎng)分布不均，使加工工件定域性及表面圓弧的幾何質(zhì)量變差。 因此，在保證不發(fā)生打火現(xiàn)象的前提下， 加工間隙應(yīng)盡可能小，此處選擇0.3 mm 作為最佳加工間隙。

圖11 加工間隙對(duì)加工結(jié)果的影響

2.3 電極掃描速度對(duì)加工的影響

為研究電極掃描速度對(duì)加工特性的影響規(guī)律，固定加工電壓40 V、加工間隙0.3 mm，選取電極掃描速度 3、6、10、20、30 mm/min 進(jìn)行電解銑削實(shí)驗(yàn)，部分加工結(jié)果見(jiàn)圖12。

圖12 不同掃描速度下的加工結(jié)果

對(duì)加工完的工件稱重并計(jì)算材料去除率，用三坐標(biāo)掃描后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 擬合圓弧測(cè)量半徑及其標(biāo)準(zhǔn)差，繪制結(jié)果折線見(jiàn)圖13?？梢?jiàn)，材料去除率隨掃描速度的加快逐漸增大，而工件表面圓度隨電極掃描速度的增加先減小后增大。 這是由于電場(chǎng)作用的差異， 對(duì)于工件垂直掃描速度的任意截面，快速掃描時(shí)電解作用時(shí)間短，此時(shí)電流密度保持中間小兩邊大的分布，材料去除量不一致，得到的半徑變小且圓度也大；而慢速掃描時(shí)電流密度的分布則為中間大兩邊小，故而得到半徑變大且圓度同樣大。 此外，較小的掃描速度不利于加工產(chǎn)物的排出，得到的表面質(zhì)量較差。 綜合來(lái)看，電極掃描速度達(dá)到20 mm/min 時(shí)，電場(chǎng)作用的平均電流密度分布均勻，能得到較小圓度的工件。

圖13 電極掃描速度對(duì)加工結(jié)果的影響

2.4 工件加工結(jié)果

在對(duì)加工電壓、加工間隙、電極掃描速度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行試驗(yàn)研究后，優(yōu)選加工電壓40 V、加工間隙0.3 mm、 電極掃描速度20 mm/min 作為最佳參數(shù)， 在此條件下加工一刀30°得到的工件圓弧半徑為14.96 mm，半徑標(biāo)準(zhǔn)差0.053 mm，材料去除率為0.351 g/min。最后，采用該參數(shù)進(jìn)行橫切加工得到圖14 所示的90°圓弧面，其半徑為15.18 mm，半徑標(biāo)準(zhǔn)差為0.085 mm，表面形貌良好且符合尺寸要求。

圖14 90°圓弧面加工件

3 結(jié)束語(yǔ)

基于新一代液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈴澒艿母咝Ъ庸みM(jìn)行分析，對(duì)具有弧面結(jié)構(gòu)的不銹鋼316L工件進(jìn)行了電解銑削加工特性研究，初步驗(yàn)證了采用電解銑削加工技術(shù)進(jìn)行宏觀尺度弧面結(jié)構(gòu)加工的可行性。 首先，依據(jù)彎管尺寸結(jié)構(gòu)等比縮小工件并完成了工具電極的設(shè)計(jì)，確定試驗(yàn)用工具電極和工件的尺寸；然后，針對(duì)加工中工件表面圓度和材料去除率，對(duì)加工電壓、加工間隙和工具電極掃描速度三個(gè)參數(shù)進(jìn)行針對(duì)性研究；最終，采用加工電壓40 V、加工間隙0.3 mm、掃描速度20 mm/min 的優(yōu)選參數(shù)加工出了半徑為15.18 mm、半徑標(biāo)準(zhǔn)差為0.085 mm 的90°圓弧面， 表面形貌良好且符合尺寸要求。