線性變電壓套料電解加工錐度改善研究

馬 越，朱 棟，朱 荻

（南京航空航天大學(xué)機電學(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，主要通過電化學(xué)陽極溶解實現(xiàn)工件的加工成形[1]。與機械加工相比，電解加工具有加工效率高、加工表面質(zhì)量好、工具無損耗、不存在機械切削力等優(yōu)點[2-4]。電解加工一般涉及電場、流場及陰陽極之間電化學(xué)反應(yīng)場，因而對電解加工的研究一般圍繞這三種場展開[5]。

盡管電解加工具有諸多優(yōu)勢，但也存在一些缺點，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)計了絕緣套對工件側(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極成功抑制了工件側(cè)壁雜散腐蝕；李冬林[12]采用輔助陽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。

套料電解加工過程受雜散腐蝕影響，加工的葉片存在嚴重的錐度問題。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，通過工件的錐度對比，選取了優(yōu)化的變電壓參數(shù)；在優(yōu)化變電壓參數(shù)下，對工件的錐度作進一步改善，通過試驗對仿真結(jié)論進行了驗證。

1 套料電解加工

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研究。

采用圖1所示的正向流動方式開展圓柱狀工件套料電解加工研究，電解液由進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，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

2 仿真分析

2.1 幾何模型構(gòu)建

針對圓柱狀工件套料電解加工過程開展仿真研究，通過分析成形工件的側(cè)壁輪廓得出工件的錐度變化情況。圓柱狀工件側(cè)壁各點電場、流場分布均勻，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。

2.2 邊界條件設(shè)置

整個電場仿真過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量電位作為因變量求解電流守恒方程，計算導(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)變化時對物理場變化的影響。

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'為陰極進給速度；v''為工件腐蝕速度；η為電流效率；ω為體積電化當量；i為電流密度。

電流與電勢滿足歐姆定律：

式中：E為電場強度。

2.3 仿真參數(shù)設(shè)置

基于以上幾何模型和邊界條件，使用COMSOL軟件進行套料電解加工仿真分析，其中仿真參數(shù)見表1。

表1 電場仿真參數(shù)

2.4 仿真結(jié)果

2.4.1 絕緣套對加工工件錐度的影響

為研究絕緣套對加工錐度的影響，以圖2去除絕緣套后的結(jié)構(gòu)作為參照，設(shè)定加工時間600 s、恒電壓20 V，開展了有、無絕緣套模型下套料電解加工對比仿真研究，得到的仿真結(jié)果見圖3。

圖3 20V恒電壓電場仿真電勢分布圖

由圖3可知，絕緣裝置對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，說明絕緣裝置不能完全屏蔽雜散腐蝕，需采取進一步措施解決錐度問題。

2.4.2 線性變電壓套料電解加工仿真

針對采用絕緣套后的工件仍存在錐度的問題，提出線性變電壓套料電解加工方法對工件側(cè)壁錐度進一步改善，分析不同斜率電壓曲線對工件錐度的影響，以獲取最優(yōu)的變電壓曲線。此處的“斜率”是指固定加工時間，通過改變電壓范圍得到的中間參數(shù)。結(jié)合實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)果見圖4?？梢?，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，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分布圖

為排除葉尖圓弧與葉根圓弧對工件錐度的影響，選取距離葉尖2～7 mm的部分計算工件的錐度值，具體示意見圖5。其中，工件錐度計算公式為：

式中：l為單邊輪廓偏差；h為檢測高度差，5 mm。

表2是由式（9）計算而得的工件錐度值。可知，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

3 套料電解加工試驗與結(jié)果分析

3.1 試驗裝置與加工參數(shù)

采用圖6所示的試驗裝置開展了圓柱狀工件變電壓套料電解加工試驗研究。其中，工件安裝在基座上，基座與電源正極相連，工具陰極通過陰極連接桿固定在機床主軸上，機床主軸與電源負極相連。加工時，陰極通過機床主軸向工件勻速進給，電解液通過入液口經(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

為驗證仿真結(jié)果的準確性，試驗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)見表3。

表3 電解加工參數(shù)

3.2 試驗結(jié)果

3.2.1 加工電流分析

加工電流可反映加工過程所處的狀態(tài)與穩(wěn)定性。在電解加工過程中，對加工電流進行記錄，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，加工過程處于過渡狀態(tài)；從1.8 min直至加工結(jié)束，電流緩慢增大，表示加工過程趨于穩(wěn)定，端面加工間隙趨近平衡間隙。

對比不同電壓參數(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，加工電流增速增大，當加工到1.8 min時，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，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，將工件置于三坐標測量機，采用掃描圓的方式對工件進行掃描，具體見圖8。

圖8 三坐標測量

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，且倒錐程度越來越大；此外，在葉根圓弧部分，變壓斜率越大，其輪廓越偏左，說明斜率大的變電壓參數(shù)會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）計算出不同電壓下的工件錐度值。與仿真工件錐度值對比可知，相同參數(shù)下試驗與仿真錐度值相差基本不超過0.3°，說明仿真與試驗的準確性高；從20 V恒電壓逐步至15～25 V變電壓，試驗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，但試驗與仿真錐度值仍相差0.177°，主要是因為仿真過程采用純電場模塊，未考慮流場等因素。

表4 不同電壓參數(shù)下工件的側(cè)壁錐度

4 結(jié)論

（1）開展了恒電壓下有、無絕緣套的套料電解加工的仿真與試驗研究，結(jié)果顯示：采用絕緣套后，雜散腐蝕對工件的影響較小，葉片錐度改善明顯，但工件仍存在一定的錐度，說明絕緣套不能完全屏蔽雜散腐蝕。

（2）針對用絕緣套后工件仍存在錐度的問題，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，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，試驗工件錐度為-0.063°，但與仿真錐度值仍相差0.177°，主要是因為仿真過程未考慮流場等因素。