馬 良,朱增偉,曲寧松,王登勇,王宏睿

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

在國防、汽車、航空航天等工業(yè)領(lǐng)域中,有很多回轉(zhuǎn)體零件發(fā)揮著重要作用,如:石油、化學(xué)及核工程中的容器和反應(yīng)塔、航空飛行器的外殼、發(fā)動機(jī)機(jī)匣、輥壓輥輪等。由于高溫合金、鈦合金等難加工材料的廣泛使用和回轉(zhuǎn)體零件表面的形貌輪廓趨于復(fù)雜化,使復(fù)雜型面回轉(zhuǎn)體零件的加工更加困難。目前,該類零件的加工主要依靠數(shù)控銑削等常規(guī)加工方法,而數(shù)控銑削加工存在一定缺陷,如:加工高溫合金等難加工材料時,切削成形困難,刀具消耗量大,加工硬化嚴(yán)重;數(shù)控銑削后,表面殘余應(yīng)力大,工件易變形,加工周期長,設(shè)備占用量大[1-3]。

電解加工具有加工表面無殘余應(yīng)力、陰極無損耗、不受材料強(qiáng)度、硬度的限制、可加工復(fù)雜型面等諸多優(yōu)點(diǎn)[4]。目前,國內(nèi)一些機(jī)構(gòu)已開始研究電解加工在高溫合金復(fù)雜型面回轉(zhuǎn)體零件加工中的應(yīng)用,針對航空發(fā)動機(jī)機(jī)匣零件,采取分度、分塊、分工序的電解加工方法,用不同規(guī)格形狀的陰極在不同工位上電解加工。該方法與國外先進(jìn)的電解加工技術(shù)相比,還存在較大差異,加工精度不高,效率偏低[5-6]。

旋印電解加工是針對復(fù)雜型面回轉(zhuǎn)體零件的一種電解加工工藝,采用陰陽極對輥反拷電解加工方式,使用特定窗口結(jié)構(gòu)的陰極,配合陰陽極之間的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動控制,將陰極形貌“反拷復(fù)印”到陽極上,經(jīng)過連續(xù)加工得到回轉(zhuǎn)體的型面輪廓。旋印電解作為一種新型電解加工工藝,在加工難加工材料復(fù)雜型面回轉(zhuǎn)體零件時具有一定的優(yōu)勢,針對回轉(zhuǎn)體工件的表面形貌,只需設(shè)計一個整體圓環(huán)形陰極,通過控制運(yùn)動進(jìn)給方式對工件進(jìn)行連續(xù)加工,完成對復(fù)雜回轉(zhuǎn)零件的成形[7]。

高溫合金材料屬于分解電壓較低的電極體系,電解液的電阻率也較低[8],同時,旋印電解加工中陰、陽極做特定的對滾運(yùn)動,陰陽極對滾加工出的陽極凸臺與陰極窗口錯開一段角度時,陽極凸臺與陰極之間依然存在一定強(qiáng)度的電場線,所以高溫合金凸臺表面易產(chǎn)生雜散腐蝕的現(xiàn)象,凸臺邊緣棱角處電場較強(qiáng),雜散腐蝕現(xiàn)象較明顯,凸臺邊緣易加工出圓角。

南京航空航天大學(xué)對旋印電解加工展開了一系列研究,針對不銹鋼材料驗(yàn)證了旋印電解加工方法,在不考慮電解因素的情況下,推導(dǎo)出了陽極工件上凸臺成形規(guī)律的數(shù)學(xué)表達(dá)式[7]。本文在前期研究的基礎(chǔ)上,以回轉(zhuǎn)體表面凸臺為加工目標(biāo),通過建立基于電場分布的旋印電解加工仿真模型,仿真其成形過程,針對高溫合金工件旋印電解加工過程中凸臺表面被雜散腐蝕的現(xiàn)象,提出采用陽極屏蔽的方法,開展相關(guān)工藝試驗(yàn)來驗(yàn)證方案的可行性。

1 基于APDL的電場仿真

為了避免高溫合金旋印電解加工中對陽極凸臺的雜散腐蝕現(xiàn)象,提出一種陽極局部屏蔽處理的方法(圖1)。根據(jù)陰極窗口的位置,在陽極相對應(yīng)的凸臺位置使用絕緣層進(jìn)行屏蔽,這樣凸臺的頂面就不會被雜散腐蝕掉,避免了凸臺頂面的雜散腐蝕現(xiàn)象。

圖1 陽極屏蔽示意圖

旋印電解加工過程的有限元模擬基于ANSYS Parametric Design Language(APDL)的電場有限元分析方法進(jìn)行模擬加工,使用APDL參數(shù)化設(shè)計語言在ANSYS平臺上實(shí)施。以二維實(shí)體為例,利用APDL語言模擬旋印電解加工的過程,分析過程如下:

(1)設(shè)定分析類型及仿真參數(shù)

設(shè)定仿真的分析類型為瞬態(tài)分析,設(shè)定相關(guān)參數(shù),為方便分析,將所有參數(shù)的單位統(tǒng)一轉(zhuǎn)化為μ MKS單位系統(tǒng)。

(2)建立模型

以加屏蔽的陽極為例,選一個截面進(jìn)行分析。由于電場分析要求是封閉的邊界區(qū)域,同時電解加工區(qū)域在陰極和陽極之間的電解液區(qū)域內(nèi),所以需要保證陰極邊界、陽極邊界及外邊界都封閉,建立電場模型(圖2)。工具陰極開設(shè)有窗口,封閉窗口的邊界線不施加電勢,所以封閉邊界線的形狀對電解加工結(jié)果沒有影響,用3條線段將陰極窗口封閉,外邊界設(shè)置為封閉的長方形。

圖2 電場模型

工件陽極邊界、工具陰極邊界及其他邊界是由關(guān)鍵點(diǎn)建立的,各個關(guān)鍵點(diǎn) p1,p2,…,pn連接形成整個邊界線。這樣,所有關(guān)鍵點(diǎn)的坐標(biāo)就是整個電場分析模型的參數(shù),參數(shù)化物理模型的數(shù)學(xué)表達(dá)式為:

建模過程所選的邊界關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)量越多,仿真得到的結(jié)果越精確,但仿真運(yùn)算量會加大。該仿真主要是描述陽極輪廓的變化蝕除情況,所以,在陽極邊界上選取的關(guān)鍵點(diǎn)較多,數(shù)量為160個,陰極的關(guān)鍵點(diǎn)為120個。建模后,需對模型加載,在陰極邊界和陽極邊界上施加第一類邊界條件,在陰極邊界上施加陰極邊界條件 Φ1=0,在陽極邊界上施加陽極邊界條件 Φ2=U,在其余邊界上施加第二類邊界條件:

式中:n為邊界表面各處法向向量;Φ3為陰極窗口邊界線的電勢;Φ4為陽極屏蔽處電勢;Φ5為外邊界電勢。

(3)分析電場

通過ANSYS有限元計算方法可算得陽極輪廓上關(guān)鍵點(diǎn)的電場強(qiáng)度,從而計算出陽極表面電場強(qiáng)度分布。其步驟依次為:劃分網(wǎng)格,計算封閉區(qū)域內(nèi)的電場,提取陽極輪廓上關(guān)鍵點(diǎn)的電場強(qiáng)度。

(4)更新與循環(huán)計算模型

根據(jù)導(dǎo)電媒介中的電場理論可知電流密度i和電場強(qiáng)度E有如下關(guān)系:

式中:κ為溶液電導(dǎo)率。

進(jìn)而可得在陽極邊界上任意一點(diǎn)的腐蝕速度:

式中:η為電流效率;w為體積電化學(xué)當(dāng)量。

在既定的加工條件下,為了方便計算工件的蝕除速度,一般將 η與w的乘積作為一個工藝參數(shù)來考慮,稱做實(shí)際體積電化學(xué)當(dāng)量。η w與所采用的電解液成分、溫度、濃度、電流密度和陽極材料等因素相關(guān),所以 η w-i曲線特性的計算非常困難,一般采用試驗(yàn)方法測得兩者與電流密度 i的關(guān)系曲線。文獻(xiàn)[9]采用陰極調(diào)速法測得在 10%的NaNO3溶液中,陽極材料為高溫合金GH4169的η ω-i曲線特性,有限元仿真過程可由該特性曲線得到與電流密度對應(yīng)的實(shí)際體積電化學(xué)當(dāng)量。

在工件陽極邊界上取若干個控制點(diǎn),則任意一點(diǎn)(xi,yi)在 Δ t后的新坐標(biāo)(xi+1,yi+1)有如下關(guān)系:

式中:Δ t為步長;Ex、Ey為在 x方向和y方向的電場強(qiáng)度。將新節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)連接形成陽極輪廓線。因此,根據(jù)初始電壓等條件,可求得任一時刻的陽極輪廓及電場分布情況。

仿真過程中,陰極、陽極以同樣的角速度對滾旋轉(zhuǎn),同時陰極以一定的速度沿徑向進(jìn)給,陽極工件與陰極工具的邊界線是動態(tài)變化的,每次仿真計算后得到的關(guān)鍵點(diǎn)連接成線,重新生成新的邊界輪廓,如此循環(huán)直到陰極的進(jìn)給量達(dá)到要求。圖3是有限元過程模擬流程圖。

(5)仿真結(jié)果

選取陰陽極的中心端面仿真成形過程。陰極電壓為0 V,陽極電壓為25 V,陰極、陽極的半徑均為100 mm,陰極窗口的弧長為30 mm,陰極的進(jìn)給速度為0.2 μ m/s,仿真加工時間為120 min。圖4和圖5是分別采用屏蔽式陽極和非屏蔽陽極的仿真加工結(jié)果,屏蔽式陽極的凸臺高度約為1.28 mm,凸臺輪廓較銳利,成形情況較好;非屏蔽陽極的凸臺因?yàn)殡s散腐蝕現(xiàn)象,凸臺高度約為1.24 mm,凸臺輪廓存在圓角,成形效果不理想。仿真結(jié)果表明,采用屏蔽式陽極能減少雜散腐蝕現(xiàn)象,加工出的凸臺高度及凸臺輪廓更理想。

2 試驗(yàn)與分析

2.1 試驗(yàn)條件及試驗(yàn)參數(shù)

為了驗(yàn)證分析結(jié)果,進(jìn)行了旋印電解加工試驗(yàn)。工藝試驗(yàn)開展初期,以簡單的正方形凸臺和U形凸臺作為研究對象,根據(jù)所需凸臺的形狀與尺寸,設(shè)計了具有相同形狀與尺寸的陰極窗口,開展旋印電解加工試驗(yàn)。工件材料為高溫合金GH4169,電解液為NaNO3水溶液,采用脈沖電源加工,加工參數(shù)見表1,分別對局部屏蔽的陽極工件和非屏蔽陽極工件進(jìn)行加工,加工時間均為120 min。

加工結(jié)束后,使用JB-5C表面粗糙度輪廓儀對加工的工件凸臺輪廓進(jìn)行檢測,得到凸臺曲線點(diǎn)的坐標(biāo)值,然后通過ProE軟件建模,得到工件的輪廓曲線,并將試驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析。

表1 加工參數(shù)

2.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)結(jié)果見圖6和圖7。局部屏蔽的陽極工件方形凸臺高度為1.18 mm,U形凸臺高度為1.24 mm;非屏蔽的陽極工件方形凸臺高度為1.00 mm,U形凸臺高度為1.08 mm。兩組實(shí)驗(yàn)中,U形與方形凸臺高度不同,是由于試驗(yàn)裝置及工裝夾具精度誤差所致。通過對比可知,局部屏蔽的陽極加工得到的凸臺高度更高,輪廓邊緣處非常銳利分明,圓角更小;而非屏蔽陽極工件因?yàn)殡s散腐蝕影響,加工出的凸臺高度減小約0.2 mm,輪廓邊緣存在一定的圓角,凸臺成形不夠理想。

試驗(yàn)中陰極 U形窗口的尺寸與仿真中陰極的窗口尺寸均為30 mm,將該試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果進(jìn)行比較,由圖8和圖9可看出,試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的凸臺邊緣輪廓基本吻合。采用非屏蔽陽極的試驗(yàn)曲線與仿真曲線相比,凸臺輪廓棱角處更圓滑。因?yàn)樵趯?shí)際加工過程中,由于流場及電場的綜合作用,對于凸臺邊角的雜散腐蝕作用更嚴(yán)重。

圖8 非屏蔽式陽極試驗(yàn)結(jié)果與仿真

采用局部屏蔽陽極的試驗(yàn)曲線與仿真曲線相比,凸臺底部的輪廓邊緣存在圓角。不同于非屏蔽陽極實(shí)驗(yàn)的情況,局部屏蔽方法加工的凸臺頂部長度尺寸小于仿真長度尺寸,原因主要有兩方面:①為了方便噴涂屏蔽操作以及陰、陽極加工前的對刀,設(shè)置陽極工件上屏蔽的區(qū)域小于陰極窗口的相應(yīng)尺寸約1 mm;②實(shí)驗(yàn)過程中凸臺的輪廓側(cè)面依然存在少量雜散腐蝕現(xiàn)象,使凸臺輪廓側(cè)面被腐蝕掉一部分。

圖9 屏蔽式陽極試驗(yàn)結(jié)果與仿真

3 結(jié)論

(1)建立了旋印電解加工的電場仿真模型,模擬了屏蔽式工件陽極和非屏蔽式工件陽極加工的成形過程,分析了局部屏蔽式陽極和非屏蔽式陽極的成形差異。結(jié)果表明:采用局部屏蔽式陽極比起非屏蔽式陽極的加工方式,可有效抑制凸臺表面的雜散腐蝕,使輪廓邊緣成形更加銳利分明。

(2)分別采用高溫合金材料的屏蔽式工件陽極和非屏蔽式工件陽極進(jìn)行電解加工試驗(yàn),結(jié)果表明:采用屏蔽式工件陽極,可有效抑制高溫合金凸臺表面的雜散腐蝕現(xiàn)象,完全阻止了凸臺頂面的雜散腐蝕。屏蔽式工件陽極的方形凸臺高度比非屏蔽式工件陽極高出0.18 mm,U形凸臺高度高出0.16 mm,凸臺的輪廓邊緣更銳利清晰。

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