孟 陽，李寒松，吳紅傲，盧俞廷，崔 振

（ 南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016 ）

鈦基復合材料（TMCs）是在鈦及鈦合金中加入陶瓷增強相（如TiC、SiC、TiB、Al2O3等）的材料；與鈦合金相比，鈦基復合材料具有更高的強度、剛度、耐磨性及抗高溫等特性，在航空航天、國防軍事、汽車等領域得到廣泛應用[1-5]。 然而由于增強相的存在，TMCs 也成為一種典型的難加工材料， 在傳統(tǒng)機械加工過程中，會存在殘余應力、塑性變形、工件表面質(zhì)量差以及刀具磨損過快等問題[6-9]。

電化學銑削（ECM）加工是將傳統(tǒng)機械銑削加工與電化學加工技術結(jié)合的改進工藝， 是利用簡單形狀的工具沿規(guī)劃路徑移動加工以得到所需的幾何形狀，大大提高電解加工的靈活性[10]。 電解磨削（ECG）加工是基于工件材料在電解液中的旋轉(zhuǎn)磨輪上的電化學溶解與機械磨削的組合加工， 與傳統(tǒng)磨削加工相比具有較高的材料去除率、 更好的表面性能和較低的磨具磨損量[11]。 ECM 加工靈活性強，可大余量去除加工材料，但加工精度不高、表面質(zhì)量差；ECG加工精度高、表面質(zhì)量好，但材料去除率相對較低，難以加工復雜的零件。 因此，將兩者的優(yōu)勢相結(jié)合，形成一種電解加工與機械加工的柔性復合加工方法——電解銑磨（ECMG）加工。

王系眾等[12]利用內(nèi)噴液式刀具在側(cè)壁開出液孔并采用銑削方式加工GH4169 合金， 結(jié)果表明ECMG 可大余量深度去除難切削金屬，具有效率高、靈活性強等優(yōu)勢， 且在高電流密度下可降低表面粗糙度。Niu 等[13]設計了一種可用于金屬材料粗精一體化加工的ECMG 刀具進行Ti-6Al-4V 合金的加工，發(fā)現(xiàn)精加工階段側(cè)壁表面粗糙度和側(cè)壁平整度分別降低至Ra1.06 μm 和Ra76.8 μm， 相較粗加工階段提高了68%和79.2%。

本文提出一種針對ECMG 加工的刀具，并進行內(nèi)孔電解銑磨精加工。 首先為保證加工間隙中流場的均勻性，對刀具出液口的布局進行設計，并進行流場仿真；隨后，將設計的刀具用于（TiC+TiB）/TC4 鈦基復合材料內(nèi)孔的電解銑磨精加工，并在加工結(jié)束后通過高精度儀器分析結(jié)果。

1 理論分析與仿真研究

1.1 刀具加工原理及設計

ECMG 加工采用管狀帶磨料工具作為陰極，利用電化學陽極溶解和機械磨削去除實現(xiàn)對工件材料的加工。 如圖1 所示，管狀刀具陰極內(nèi)部通電解液，刀具側(cè)壁開通孔作為電解液的出液口，電解銑削區(qū)域旁是電解磨削區(qū)域，上面覆蓋了一層磨粒。 在加工過程中，工件、刀具分別接電源正、負極，陰極刀具相對于陽極工件旋轉(zhuǎn)和進給，電解液從管狀刀具的內(nèi)腔流入，從刀具側(cè)壁的噴液口流出進入加工間隙，并在流動的過程中將電解產(chǎn)物、焦耳熱等帶走，不斷更新加工間隙中的電解液，保障電解銑磨加工順利進行。

圖1 電解銑磨內(nèi)孔精加工原理圖

當外界施加的電壓大于陽極材料極化曲線中鈍化區(qū)的電壓時，材料的去除主要依賴于電解銑削或電化學溶解，可以去除加工工件的大部分余量，適用于粗加工；當外界電壓處于陽極材料極化曲線中鈍化區(qū)的電壓區(qū)間時，加工區(qū)域的陽極材料會在加工表面形成一層鈍化膜，此時機械磨削可以去除鈍化膜并使工件表面平整，適用于精加工[14-15]。 刀具在機床上按設定的程序進行加工，直至加工出所需的工件形狀和尺寸要求。

圖2 是電解銑磨刀具的尺寸圖和實物圖，刀具外徑與內(nèi)徑分別為20、18 mm， 刀具側(cè)壁加工面上分布有4 排×8 列出液孔，孔直徑為2 mm，每排出液孔中心間距為4.5 mm。刀具側(cè)面電解銑削層和電解磨削層間隔分布，面積占比相同，高度為25 mm，電解銑削層向內(nèi)凹進0.1 mm， 電解磨削層鍍上一層0.1 mm 厚的金剛石鍍層，為精加工中電解銑磨形成鈍化膜提供加工間隙。

圖2 電解銑磨刀具示意圖和實物圖

1.2 流場仿真

圖3 是加工區(qū)域流場的物理模型， 重點示意電解液的入口、出口和流場邊界面，銑削層和磨削層的加工間隙分別為0.2、0 mm，切深為20 mm。 在電解銑磨過程中， 加工間隙內(nèi)電解質(zhì)的流速及均勻性是穩(wěn)定高效加工的重要因素， 在流場模型中設置截面觀察流場的速度分布云圖， 截面1 垂直于底面且處于流場對稱面上， 截面2 平行于底面且距底面高度12.5 mm。

圖3 流場仿真幾何模型剖面圖

將物理模型導入Ansys Fluent 流場仿真軟件，并為了簡化仿真計算，做出以下假設[15-16]：①流體為單相連續(xù)不可壓縮介質(zhì)，不考慮氣相、固相等多相流作用；②流場內(nèi)的溫度、流體黏度為恒量；③流體與壁面之間無滑移。

電解質(zhì)溶液從刀具出液口噴出后， 在空間上的分布不規(guī)則，速度快且具有很強的非定常性，因此加工區(qū)域中電解質(zhì)流動狀態(tài)認定為湍流， 利用Fluent軟件中κ-ε 湍流模型進行仿真運算，具體的流場仿真模型參數(shù)見表1。

表1 流場仿真參數(shù)表

圖4 是入口壓力分別為0.1、0.2 MPa 下的流速分布仿真云圖。可看出，噴液口噴向加工間隙的流速小于噴向其他區(qū)域的流速，根據(jù)伯努利原理可知，壓強越大的地方流速越小，因此，加工間隙內(nèi)的流動阻力大，電解液更易從其他區(qū)域流出。 對于圖4a，電解液入口壓力較低，平均流速較低，加工間隙內(nèi)平均流速約為4.77 m/s 且有較多的低流速區(qū)； 對于圖4c，電解液入口壓力較大，平均流速較高，加工間隙內(nèi)平均流速約為6.79 m/s， 加工間隙內(nèi)的低流速區(qū)面積減少，進入加工間隙內(nèi)的電解液流量增多，有助于促進加工過程中電解銑磨產(chǎn)物的排出。 因此在加工過程中，電解液設定的入口壓力應當不小于0.2 MPa。

圖4 不同入口壓力下的速度云圖分布

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

圖5 是內(nèi)噴射ECMG 的加工試驗裝置示意圖，由機床、直流電源、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)和過程監(jiān)測系統(tǒng)組成。 電源的正極連接在機床的工作槽底部，工件放在工作槽中并與之接觸形成電解陽極；電源負極接在導電滑環(huán)的接口處，刀具裝載在主軸上形成電解陰極。 機床通過步進電機和滾珠絲杠實現(xiàn)主軸在X、Y、Z方向上的直線進給運動，通過機床頂部的電機驅(qū)動皮帶輪帶動主軸旋轉(zhuǎn)，進而實現(xiàn)刀具的旋轉(zhuǎn)。 電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)中電解液通過壓力泵從電解液槽經(jīng)管道至機床上方的旋轉(zhuǎn)接頭與中空主軸， 通過主軸上刀具的出液口噴射至加工區(qū)域進行加工； 加工后的電解液帶走電解產(chǎn)物和焦耳熱并流入廢液槽中， 廢液槽中的水泵將廢液抽入過濾器中經(jīng)過濾后重新流入清液槽，完成循環(huán)。

圖5 電解銑磨加工試驗裝置

2.2 材料及電化學特性

實驗材料為 （TiB+TiC）/TC4 鈦基復合材料，密度約4.42 g/cm3，增強相材料TiB、TiC 體積分數(shù)占比分別為4.8%和1.2%，余下為基體材料。 為研究該鈦基復合材料合理的電解銑磨精加工參數(shù)， 使用電化學工作站測量該鈦基復合材料的電化學極化曲線，鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，1 cm×1 cm×1 cm 鈦基復合材料小塊為工作電極，三者處于同一基準面。 電解質(zhì)溶液為質(zhì)量分數(shù)20%的NaCl 溶液，溶液溫度為30 ℃，掃描速率為10 mV/s，掃描范圍為0～4 V。

圖6 是（TiB+TiC）/TC4 鈦基復合材料的極化曲線， 結(jié)果表明，（TiB+TiC）/TC4 在質(zhì)量分數(shù)20%的NaCl 電解液中溶解電位約為2.1 V。 當外加電壓小于2.1 V 時，材料處于鈍化狀態(tài)，電流密度幾乎為0；當外加電壓大于2.1 V 時，材料處于超鈍化狀態(tài)，電流密度隨著外加電壓的增加而增大。

圖6 （TiB+TiC）/TC4 在NaCl 溶液中的極化曲線

因此，在進行粗加工時，外加電壓應當遠大于溶解電位，以獲得大電流密度而使陽極材料被電解銑削高速去除；在進行精加工時，外加電壓應當不大于2.1 V，此時陽極電流幾乎為0，陽極材料表面不溶解而生成一層鈍化膜，在電解磨削作用下被去除，得到更好的加工表面質(zhì)量。

2.3 加工參數(shù)設置

實驗采用20%的NaCl 溶液作為電解質(zhì)溶液，采用逐層加工方式，使刀具自轉(zhuǎn)并沿著孔壁公轉(zhuǎn)進給電解銑磨。 精加工目的是提高孔壁的表面質(zhì)量，因此加工電壓小于溶解電壓，其他加工參數(shù)見表2。

表2 精加工試驗參數(shù)

3 結(jié)果與分析

圖7 是用三維掃描儀掃描的內(nèi)孔三維輪廓與實物圖， 初始孔深和孔徑分別為20 mm 和29.7 mm。為對比電解銑磨前后的表面質(zhì)量，對孔進行13 mm的電解銑磨，電解銑磨后的孔徑為30.1 mm，實際電解銑磨厚度為0.2 mm。 從實物圖中可以觀察到，電解銑磨的方向是沿著孔的圓周方向，并因此產(chǎn)生了橫向的磨痕，側(cè)壁表面質(zhì)量得到了改善。

圖7 電解銑磨內(nèi)孔三維輪廓圖與實物圖

電解銑磨加工面被分為區(qū)域1 和區(qū)域2， 兩區(qū)域均可觀察到明顯的金屬光澤，但是區(qū)域1 的平整性和均勻性比區(qū)域2 的更好， 這可能是由于區(qū)域2的原始表面部分區(qū)域受電解鉆孔粗加工的電解腐蝕較大，對加工后的側(cè)壁表面電解腐蝕出大于0.2 mm的磨削深度。區(qū)域3 是內(nèi)孔的原始側(cè)壁面，即電解鉆孔后的表面痕跡，壁面凹凸不平，表面質(zhì)量非常差。

為進一步了解內(nèi)孔表面的質(zhì)量改善情況， 用表面粗糙度檢測儀測算原始壁面和電解銑磨壁面的表面粗糙度值，三個區(qū)域分別測量兩次，結(jié)果見表3?？梢?，經(jīng)過電解銑磨內(nèi)孔的表面質(zhì)量得到大幅提高，且區(qū)域1 的表面質(zhì)量要比區(qū)域2 的更好。

表3 壁面的表面粗糙度

4 結(jié)論

本文針對鈦基復合材料難加工的問題， 設計刀具并對（TiC+TiB）/TC4 鈦基復合材料內(nèi)孔進行電解銑磨精加工，得到以下結(jié)論：

（1）建立流場仿真模型，通過比較不同入口壓力下加工間隙的流場， 得知加工間隙處的流動阻力較大，在入口壓力0.2 MPa 的情況下，加工間隙的平均速度為6.79 m/s， 低流速區(qū)域的面積相比于入口壓力0.1 MPa 的情況下明顯減小。

（2）溫度30 ℃時，在質(zhì)量分數(shù)20%的NaCl 電解液中加入6%的（TiB+TiC）/TC4 鈦基復合材料，所得溶液的溶解電位約為2.1 V； 外加電壓小于2.1 V時，材料處于鈍化狀態(tài)，電流密度幾乎為0；外加電壓大于2.1 V 時， 電流密度隨著外加電壓的增加而增加。

（3） 比較電解銑磨精加工孔側(cè)壁與未加工孔側(cè)壁區(qū)域的表面形貌， 可知電解銑磨后的內(nèi)孔壁面表面質(zhì)量得到改善， 未加工孔側(cè)壁區(qū)域表面粗糙度為Ra14.851 5 μm，而孔口區(qū)域和孔中間區(qū)域的表面粗糙度下降至Ra0.441 3 μm 和Ra0.617 6 μm。