脈動(dòng)態(tài)電解加工

朱荻，劉嘉，王登勇，房曉龍，劉言

南京航空航天大學(xué) 機(jī)電學(xué)院，南京 210016

電解加工是基于金屬陽極電化學(xué)溶解原理實(shí)現(xiàn)零件成形的一種特種加工方法。它具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如：可加工性與工件材料力學(xué)性能無關(guān)、無工具損耗、無重鑄層、少無加工力等。這些優(yōu)點(diǎn)使電解加工在難加工材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)零件制造方面受到“青睞”。以航空發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件整體葉盤制造為例，電解加工的下列優(yōu)點(diǎn)可得到充分體現(xiàn)：① 無工具損耗，整體葉盤通常由高溫鎳基合金、鈦合金等難加工材料制成，如用切削加工來制造，則存在著工具損耗嚴(yán)重、加工效率低下等問題，而電解加工是基于陽極溶解原理實(shí)現(xiàn)材料加工，溶解行為與材料硬度等性能無關(guān)，工具不會(huì)損耗，可節(jié)省巨額工具費(fèi)；② 少無加工力，整體葉盤具有通道狹窄、葉片扭曲、超薄掠形等特點(diǎn)，對(duì)此，銑削加工時(shí)因切削力的作用易引發(fā)振動(dòng)和變形現(xiàn)象發(fā)生，而電解加工是非接觸加工，一般不會(huì)出現(xiàn)加工振動(dòng)、變形等問題；③ 生產(chǎn)效率高，對(duì)制造由難加工材料制成的整體葉盤而言，切削加工通常耗時(shí)月余，而電解加工的耗時(shí)可縮短數(shù)倍，效率優(yōu)勢(shì)非常明顯。由于這些特點(diǎn)，電解加工在航空發(fā)達(dá)國(guó)家受到普遍重視，已成為葉盤、機(jī)匣等關(guān)鍵部件的主要制造技術(shù)。比如，德國(guó)MTU將電解加工技術(shù)作為難加工材料葉片、整體葉盤的首選制造技術(shù)；美國(guó)Sermatech在制造航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、低稠度整體葉盤、機(jī)匣等重要部件的制造時(shí)均采用電解加工技術(shù)；英國(guó)羅爾斯-羅伊斯公司將電解加工作為航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣制造的通用工藝，用于擴(kuò)散機(jī)匣、內(nèi)機(jī)匣、壓氣機(jī)中間機(jī)匣的加工成形。據(jù)MTU統(tǒng)計(jì)，在難加工材料整體葉盤制造中，電解加工占有主導(dǎo)地位。

雖然電解加工已經(jīng)承擔(dān)了很多重要產(chǎn)品核心部件的制造任務(wù)，但是由于這些產(chǎn)品發(fā)展很快，對(duì)其核心部件的技術(shù)要求日益提高，電解加工的精度已經(jīng)滿足不了產(chǎn)品高精度的發(fā)展需求。例如，對(duì)于整體葉盤精度要求來說，目前的電解加工技術(shù)已經(jīng)“窮其所能”，而新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)精度還在進(jìn)一步提高。電解加工目前承擔(dān)的其它很多重要零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣、炮管膛線、慣導(dǎo)撓性器件等，其精度要求也都在不斷提高。因此，提高加工精度已經(jīng)成為電解加工迫在眉睫的任務(wù)。另一方面，精度的提高也將顯著拓寬電解加工的應(yīng)用領(lǐng)域。因此，提高電解加工精度一直是國(guó)內(nèi)外電解加工領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。

精確地設(shè)計(jì)工具型面是保證加工精度的前提。早期的研究工作對(duì)建模過程進(jìn)行了過多的簡(jiǎn)化，依據(jù)歐姆定律和平衡條件建立了工具和工件之間的幾何關(guān)系公式。近些年的研究工作致力于更全面地綜合考慮電解加工平衡過程中的多種影響因素，以提高工件預(yù)測(cè)和工具設(shè)計(jì)的精度。美國(guó)Kenny等建立了加工間隙的數(shù)學(xué)模型，分析了加工間隙中的電位分布，利用拓?fù)鋬?yōu)化的水平集方法對(duì)工件型面的二維演變過程進(jìn)行了模擬。波蘭Paczkowski和Zdrojewski建立了復(fù)雜型面電解加工數(shù)學(xué)模型，計(jì)算加工間隙中的參數(shù)分布；俄羅斯 Bogoveev等專門針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片建立電解加工模型，進(jìn)行了加工過程的數(shù)字計(jì)算和仿真；日本Fujisawa等也建立了葉片型面的電解加工三維模型。中國(guó)Zhu等提出了可動(dòng)邊界雙約束條件下的非迭代工具邊界求解方法。

用脈沖電源替代直流電源可以提高加工精度。美國(guó)Rajurkar的研究結(jié)果表明使用脈沖電流可以減小加工間隙，提高加工精度和表面質(zhì)量。比利時(shí)Smets等研究了脈沖電解加工中的溫度場(chǎng)仿真問題。以色列Brusilovski分析了脈沖電解加工中峰值電壓、脈沖占空比、電解液壓力等參數(shù)對(duì)加工精度的影響。俄羅斯烏法航空學(xué)院提出了雙極性電流脈沖電解加工方法，有效改善了工件電化學(xué)極化行為，使得加工表面質(zhì)量得到提高。波蘭Kozak建立了脈沖電解加工的理論模型，分析了加工參數(shù)與加工間隙之間的關(guān)系，峰值電壓、脈沖占空比、電解液壓力等參數(shù)對(duì)加工精度的影響。

高頻脈沖電流改善加工過程最成功的例子在微細(xì)電解加工領(lǐng)域。2000年德國(guó)MPG采用納秒級(jí)超短脈寬脈沖電流技術(shù)，使得電化學(xué)溶解定域性突變性提高，從而實(shí)現(xiàn)了數(shù)十微米尺度的金屬三維型腔的微細(xì)加工。MPG的研究者建立了描述雙電層效應(yīng)的等效模型，論證了在超短脈寬條件下雙電層的電容效應(yīng)對(duì)溶解定域性產(chǎn)生很大影響，這是近些年電解加工最為世人所矚目的研究進(jìn)展。這一成果在《科學(xué)》雜志發(fā)表后，引起高度關(guān)注，美國(guó)、德國(guó)、日本、韓國(guó)、中國(guó)等國(guó)在微細(xì)電解加工方面研究更加活躍，進(jìn)展顯著。

振動(dòng)電解加工時(shí)，工具陰極被施以微幅振動(dòng)，使加工間隙交替擴(kuò)大和縮小，以強(qiáng)化電解液更新，提高加工穩(wěn)定性。對(duì)此的研究工作主要集中在小孔加工等小面積加工領(lǐng)域。俄國(guó)學(xué)者較早采用數(shù)十赫茲低頻振動(dòng)輔助進(jìn)行電解加工，獲得了較好的工藝效果。埃及Ebeid等采用管電極電解加工孔，研究了陰極振動(dòng)振幅、加工電壓、進(jìn)給速度和電解液壓力對(duì)加工質(zhì)量的影響，印度Bhattacharyya等采用陰極振動(dòng)方法加工微小孔，分析了陰極振動(dòng)頻率、振幅、電解液濃度等參數(shù)變化對(duì)加工效果的影響。

實(shí)際上，電解加工在精密、微細(xì)加工方面有著原理上的優(yōu)勢(shì)。一般來說，決定一種加工技術(shù)能否達(dá)到高精度與這種技術(shù)的最小去除量能力密切相關(guān)。切削加工欲獲得高精度，必須精細(xì)地控制切削用量、刀刃形貌和機(jī)床運(yùn)動(dòng)，形成極薄的切屑；放電加工欲實(shí)現(xiàn)精細(xì)加工，必須將單脈沖放電能量降低到盡可能小的程度，這樣才能產(chǎn)生極其微小的金屬液滴以及放電坑。雖然這些材料去除過程已經(jīng)被控制得非常精細(xì)，但究其實(shí)質(zhì)，材料轉(zhuǎn)移還是以切屑、液滴等微團(tuán)形式進(jìn)行的。而電解加工是陽極電化學(xué)溶解過程，工件材料的去除是以金屬離子轉(zhuǎn)移的形式進(jìn)行，而金屬離子的尺度遠(yuǎn)小于材料微團(tuán)的尺度。因此，從這個(gè)意義上說，電解加工在去除機(jī)理上潛在著微米、甚至納米精度的加工能力。但是，目前看來，電解加工精度尚沒有達(dá)到很高的水平，有時(shí)還難以滿足生產(chǎn)領(lǐng)域中某些零部件的精度要求，分析認(rèn)為，影響電解加工精度的主要原因有以下3個(gè)方面：

1) 間隙中產(chǎn)物積累多，嚴(yán)重影響了電導(dǎo)率的均勻分布，因此降低了加工精度。電解加工過程會(huì)生成各類產(chǎn)物，這顯著影響著加工過程。例如：從陽極工件上氧化溶解下的大量金屬離子多以氧化物形式影響著電解液的流動(dòng)狀態(tài)和電導(dǎo)率；加工電流會(huì)引起溶液溫升，使得電解液電導(dǎo)率發(fā)生不均勻變化；陰極上還原析出的氫氣以氣泡形式懸浮在溶液中，對(duì)電解液電導(dǎo)率產(chǎn)生顯著的影響。這些產(chǎn)物從時(shí)、空兩個(gè)方面來影響著加工過程。在空間上，產(chǎn)物沿電解液流程呈不均勻分布，影響著間隙內(nèi)電場(chǎng)、流場(chǎng)和電化學(xué)場(chǎng)的分布；在時(shí)間上，加工產(chǎn)物的分布狀態(tài)會(huì)隨機(jī)性地變化，給間隙內(nèi)電場(chǎng)、流場(chǎng)和電化學(xué)場(chǎng)的分布帶來不確定性。傳統(tǒng)的連續(xù)加工方式使間隙內(nèi)電解液得不到及時(shí)更新，產(chǎn)物積累多、隨機(jī)波動(dòng)大，嚴(yán)重降低了加工精度。

2) 不能夠準(zhǔn)確地預(yù)知電場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)變化對(duì)加工間隙分布的綜合影響，從而就無法精確地設(shè)計(jì)工具形狀。在常規(guī)電解加工中，陽極溶解下來的金屬離子迅速反應(yīng)生成某種化合物，在間隙中占有很大的體積比；陰極析出的氫氣可使間隙內(nèi)電解液截面含氣率達(dá)20%～30%甚至更高；流過電解液的電流產(chǎn)生的焦耳熱可能引起幾度至幾十度的溫升。而且，這些影響具有一定的隨機(jī)性，像氫氣泡在溶液的存在形式就不太穩(wěn)定，可能在氣泡流、柱狀流等多種流態(tài)中變化。這些給準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)間隙中電解液電導(dǎo)率分布帶來很大的困難。電導(dǎo)率變化將影響加工間隙中的電場(chǎng)分布，從而影響間隙分布。由于無法準(zhǔn)確地描述電導(dǎo)率的變化規(guī)律，在工具設(shè)計(jì)時(shí)不得不粗略地估算甚至忽略電導(dǎo)率變化，從而帶來很大的誤差。

3) 有些情況下，毛坯余量分布差異大，有些加工場(chǎng)合進(jìn)給距離受限，來不及整平，帶來遺傳誤差。以整體葉盤電解加工為例，通常采取粗加工(開槽)和精加工(型面加工)兩個(gè)工步。對(duì)于葉間通道狹窄扭曲較顯著的情況，粗加工后的余量分布嚴(yán)重不均勻，精加工階段有限的進(jìn)給距離就來不及整平，必然會(huì)產(chǎn)生誤差。

1 脈動(dòng)態(tài)電解加工是提高加工精度的重要途徑

脈動(dòng)態(tài)電解加工是將工具振動(dòng)和脈沖給電加以優(yōu)化耦合的電解加工新模式。以脈動(dòng)態(tài)拷貝式加工為例，在加工過程中，在勻速進(jìn)給的工具上疊加一個(gè)振動(dòng)，在一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)工具接近工件的時(shí)候通電加工，回退時(shí)斷電。這樣使陽極溶解始終發(fā)生在間隙最小值附近，從而獲得高的復(fù)制精度；而在間隙拉大時(shí)電解液流阻減小，沖液效果得到加強(qiáng)。每次通電加工時(shí)間盡量短暫，不造成產(chǎn)物的顯著積累；每次斷電時(shí)間要適當(dāng)長(zhǎng)，使得間隙內(nèi)的溶液獲得徹底更新。從加工起始、過渡態(tài)、準(zhǔn)平衡狀態(tài)到加工結(jié)束的整個(gè)過程中，加工始終處于脈動(dòng)過程中。達(dá)到準(zhǔn)平衡狀態(tài)時(shí)，間隙周期性波動(dòng)，而工件形狀基本不變，僅隨著脈動(dòng)過程呈周期性微量變化。

這樣的脈動(dòng)態(tài)電解加工模式相比常規(guī)的連續(xù)平衡態(tài)電解加工，有下列優(yōu)點(diǎn)：

1) 加工產(chǎn)物積累少。脈動(dòng)態(tài)加工時(shí)每個(gè)脈動(dòng)周期的間歇期間都“重新清零”，產(chǎn)物、氫氣泡、溫升等被排除，每個(gè)加工周期起始于同樣的“純潔”狀態(tài)，在極短暫的加工周期內(nèi)產(chǎn)物積累很少，對(duì)電解液電導(dǎo)率的變化影響很小，因而避免了連續(xù)平衡態(tài)加工時(shí)產(chǎn)物的沿程積累，大大減少了電導(dǎo)率的變化和波動(dòng)，顯著提高了加工狀態(tài)的一致性、重復(fù)性，減少了加工的隨機(jī)誤差。

2) 加工間隙小。脈動(dòng)態(tài)電解加工由于每次加電時(shí)間的短暫和斷電時(shí)溶液的充分更新保證了加工的穩(wěn)定性，使得加工可以在遠(yuǎn)小于常規(guī)加工間隙下進(jìn)行。研究已表明，小間隙加工可獲得更高的加工精度。

3) 工具設(shè)計(jì)精度高。連續(xù)平衡態(tài)電解加工產(chǎn)物積累和過程波動(dòng)都非常顯著，無法準(zhǔn)確、有效地建模分析。脈動(dòng)態(tài)電解加工過程穩(wěn)定、產(chǎn)物積累少，這些特點(diǎn)為精確地建模分析、工件預(yù)測(cè)和工具設(shè)計(jì)提供了便利。

脈動(dòng)態(tài)電解加工除了上述原理上的優(yōu)勢(shì)外，通過科學(xué)、合理地設(shè)計(jì)加工模式和安排加工過程，還有下列優(yōu)點(diǎn)：

1) 工具電極周期運(yùn)動(dòng)和間歇加電是機(jī)、電兩個(gè)獨(dú)立的脈動(dòng)過程，它們之間的適當(dāng)耦合方式對(duì)加工效果會(huì)有積極影響。當(dāng)通電發(fā)生在工具快速接近工件的時(shí)刻，電壓快速上升和間隙急劇變小的疊加提高電流的上升速率，急劇升高的脈沖電流會(huì)加速氫氣釋放并強(qiáng)化壓力擾動(dòng)，這有利于產(chǎn)物的排出。

2) 脈動(dòng)態(tài)加工過程中工具與工件之間具有較高速度的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，兩電極接近和遠(yuǎn)離過程將對(duì)溶液產(chǎn)生擾動(dòng)和沖擊，對(duì)加工區(qū)溶液產(chǎn)生一種抽吸作用，加速產(chǎn)物的排出；

3) 急劇的、周期變化的脈動(dòng)過程會(huì)改變固液界面處雙電層結(jié)構(gòu)和電化學(xué)溶解行為，出現(xiàn)一些有利于加工進(jìn)行的結(jié)果，例如擴(kuò)大極限電流密度等。

針對(duì)葉盤、機(jī)匣、榫槽等制造任務(wù)，提出了拷貝式、旋印式和削邊電極線切割等3種脈動(dòng)態(tài)電解加工方法。這3種方法通過不同的方式，變連續(xù)加工為斷續(xù)加工，加工精度得到了顯著的提升。

2 拷貝式脈動(dòng)態(tài)電解加工

整體葉盤脈動(dòng)態(tài)拷貝式電解加工原理如圖1所示。葉盆、葉背兩工具面向工件毛坯作勻速進(jìn)給運(yùn)動(dòng)+沿進(jìn)給方向的振動(dòng)，加工間隙與加工電壓值隨振動(dòng)呈周期性變化，在振動(dòng)周期內(nèi)，當(dāng)加工間隙達(dá)到最小值附近時(shí)通電加工，其余時(shí)刻斷電。脈動(dòng)態(tài)拷貝式電解加工，以脈動(dòng)態(tài)加工和準(zhǔn)平衡態(tài)取代傳統(tǒng)電解加工的連續(xù)加工和平衡態(tài)，使產(chǎn)物積累極少、過渡過程縮短、加工間隙減小，從而提高加工精度。

圖1 脈動(dòng)態(tài)拷貝式電解加工Fig.1 Copy-like ECM in pulse dynamic process

2.1 多場(chǎng)耦合仿真分析

為了掌握脈動(dòng)態(tài)拷貝電解加工多場(chǎng)耦合機(jī)制和產(chǎn)物輸運(yùn)規(guī)律，采用COMSOL軟件對(duì)0.2 mm加工間隙、30 mm加工區(qū)長(zhǎng)度條件下直流和脈動(dòng)態(tài)兩種電解加工模式開展了多場(chǎng)耦合仿真研究。建立的多場(chǎng)耦合模型如圖2所示。

圖2 拷貝式電解加工多場(chǎng)耦合仿真模型Fig.2 Multi-field simulation model of copy-like ECM in pulse dynamic process

仿真分析中，加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)分布情況滿足拉普拉斯方程：

(1)

電解液電導(dǎo)率和溫升與氣泡率的關(guān)系為

=(1+·Δ)(1-)

(2)

式中：為電解液初始電導(dǎo)率；Δ為電解液溫升；為溫度相關(guān)性梯度；為電解液中所含氣泡率；為氣泡率對(duì)電導(dǎo)率的影響系數(shù)。

直流加工仿真中，加工電壓為10 V，電解液進(jìn)液口壓力為0.6 MPa，出液口背壓為0.1 MPa，仿真結(jié)果如圖3(a)和圖3(b)所示。通電后加工間隙內(nèi)氣泡和焦耳熱溫升沿流程迅速積累，僅4 ms就達(dá)到穩(wěn)態(tài)狀態(tài)的90%以上，通電500 ms后可認(rèn)為達(dá)到穩(wěn)態(tài)。穩(wěn)態(tài)時(shí)氣泡和溫升均沿電解液流動(dòng)方向逐漸增加，在出液口處達(dá)到峰值，氣泡率峰值為21.1%，溫升峰值為14.3 ℃。

圖3 直流電解加工仿真結(jié)果Fig.3 Simulation results of DC ECM mode

脈動(dòng)態(tài)加工仿真中工具陰極往復(fù)振動(dòng)的振幅為0.3 mm，頻率為50 Hz，給電脈寬為0.5 ms，脈沖間隔為19.5 ms，其余參數(shù)與直流加工一致，仿真結(jié)果如圖4(a)和圖4(b)所示。在工具陰極往復(fù)振動(dòng)和間歇給電的雙重作用下，脈動(dòng)態(tài)加工出液口處的氣泡率僅為6.2%，溫升約3.1 ℃，較直流加工大幅減小。

圖4 脈動(dòng)態(tài)電解加工仿真結(jié)果Fig.4 Simulation results of pulse dynamic ECM mode

氣泡率和溫升改變了電導(dǎo)率分布，在通電周期內(nèi)電導(dǎo)率積分值體現(xiàn)了對(duì)間隙變化的實(shí)際影響。兩種加工模式電導(dǎo)率沿流程分布如圖5所示。從圖中可見，脈動(dòng)態(tài)加工電導(dǎo)率變化遠(yuǎn)小于直流加工。因此脈動(dòng)態(tài)電解加工模式可以獲得比直流電解加工更高的加工精度。

圖5 2種電解加工模式電導(dǎo)率分布情況Fig.5 Conductivity distribution of two ECM modes

2.2 給電脈寬與工具振動(dòng)耦合策略

在上述脈動(dòng)態(tài)多場(chǎng)耦合仿真分析中，給電脈寬和工具振動(dòng)是以陰陽極最小間距時(shí)刻為中心對(duì)稱分布的耦合模式，如圖6(a)所示。為了深入分析給電脈寬與工具振動(dòng)耦合方式對(duì)加工過程的影響，提出了前置式和后置式兩種脈寬與工具振動(dòng)錯(cuò)位耦合模式，如圖6(b)和圖6(c)所示。

圖6 3種給電脈寬和工具振動(dòng)耦合模式Fig.6 Three coupling modes of pulse width and tool vibration

3種耦合模式多場(chǎng)耦合仿真結(jié)果如圖7所示。仿真結(jié)果表明，在相同的給電脈寬、脈間和工具振動(dòng)參數(shù)條件下，前置式耦合的氣泡率約為5.98%，低于對(duì)稱式的6.22%和后置式的6.36%；3種耦合模式的溫升基本相當(dāng)；通電周期內(nèi)電導(dǎo)率積分均值沿流程分布的均勻性前置式>對(duì)稱式>后置式。前置式脈動(dòng)態(tài)加工氣泡率低于對(duì)稱式和后置式的主要原因?yàn)椋呵爸檬酵娭芷谥泄ぞ哧帢O快速接近工件，間隙不斷減小，在該過程中加工間隙內(nèi)的電解液壓力不斷提升，同時(shí)通電產(chǎn)生氣泡產(chǎn)生的壓力波也進(jìn)一步使加工間隙內(nèi)的壓力提升，壓縮氣泡體積，因此使前置式加工間隙內(nèi)的氣泡率低于另外兩種耦合模式。

圖7 3種耦合模式的多場(chǎng)耦合仿真結(jié)果Fig.7 Multi-field simulation results of three coupling modes

在上述分析基礎(chǔ)上，開展了前置、對(duì)稱和后置3種耦合模式的極限加工速度對(duì)比試驗(yàn)，并分析極限加工速度下加工試件的整平比情況，試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。試驗(yàn)結(jié)果表明，前置耦合模式下的極限進(jìn)給速度和整平比均最高。

圖8 3種耦合模式的工藝對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Process test results of three coupling modes

采用前置式給電脈寬和工具振動(dòng)耦合模式，以航空發(fā)動(dòng)機(jī)鎳基高溫合金(GH4169)整體葉盤扇段模擬件為對(duì)象進(jìn)行了脈動(dòng)態(tài)電解加工工藝試驗(yàn)。試驗(yàn)分2個(gè)工步完成，首先采用直流電解加工方式進(jìn)行葉柵通道預(yù)加工，其后采用前置式脈動(dòng)態(tài)電解加工方法使葉片最終成型。脈動(dòng)態(tài)電解加工參數(shù)為脈沖峰值電壓20 V，前置式耦合占空比1/12，工具陰極振動(dòng)頻率10 Hz，進(jìn)給速度0.05 mm/min，電解液20%的NaNO溶液，電解液溫度30±1 ℃。加工的整體葉盤扇段樣件如圖9所示。以右起第1片葉片為例，葉盆型面的輪廓度誤差為-0.023 ～ +0.011 mm，葉背型面的輪廓度誤差為-0.008 ～ +0.019 mm，加工試件具有較高的葉型輪廓精度，見圖10所示。

圖9 電解加工整體葉盤扇段樣件實(shí)物圖Fig.9 Fan-shaped specimen of ECM blisk

圖10 葉盤葉片輪廓度三坐標(biāo)測(cè)檢測(cè)結(jié)果Fig.10 Three coordinate measurement results of blade profile

3 脈動(dòng)態(tài)旋印式電解加工

3.1 原 理

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣等薄壁回轉(zhuǎn)體復(fù)雜型面，提出脈動(dòng)態(tài)旋印式電解加工新方法。如圖11所示。該方法采用回轉(zhuǎn)體電極作為陰極工具，根據(jù)陽極工件表面的凸臺(tái)形狀與尺寸要求，在陰極工具表面設(shè)計(jì)出不同形狀的窗口；在加工過程中，陽極工件與陰極工具以相同的轉(zhuǎn)速相對(duì)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)陰極工具沿陽極工件法向不斷進(jìn)給；電解液從陰陽極之間高速流過。在施加電壓后，陽極表面大部分區(qū)材料被電化學(xué)溶解，而陰極窗口所對(duì)應(yīng)區(qū)域的材料幾乎不被溶解，隨著加工的持續(xù)逐漸“長(zhǎng)”出凸臺(tái)結(jié)構(gòu)。旋印式電解加工是一個(gè)脈動(dòng)態(tài)過程。當(dāng)施加直流電壓時(shí)，工件上各部位相繼周期性地進(jìn)入和脫離加工區(qū)完成選擇性電化學(xué)腐蝕，工件上特定點(diǎn)的電流密度隨著工件運(yùn)動(dòng)呈周期性變化，工件材料轉(zhuǎn)至中間區(qū)域時(shí)處于高電流密度加工區(qū)，其他大部分時(shí)間都處于大間隙的非加工狀態(tài)，旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)使得工件上電流密度呈現(xiàn)以轉(zhuǎn)數(shù)為頻率的周期性脈動(dòng)變化，如圖12所示。

圖11 脈動(dòng)態(tài)旋印式電解加工Fig.11 Counter-rotating ECM in pulse dynamic process

圖12 旋印式電解加工陽極特定點(diǎn)的加工電流波形Fig.12 Current waveform of anode specified position in counter-rotating ECM process

旋印加工方式具有如下優(yōu)勢(shì)：① 可實(shí)現(xiàn)全型面加工，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期；② 無 “出水痕”“接刀痕”；③ 可精確控制壁厚，無加工變形；④ 工件部位動(dòng)態(tài)“逃逸”出加工區(qū)，降低了加工短路風(fēng)險(xiǎn)，加工穩(wěn)定性好。

3.2 脈動(dòng)態(tài)旋印式電解加工成型規(guī)律

脈動(dòng)態(tài)旋印式電解加工陽極成形過程是由電極相對(duì)運(yùn)動(dòng)和陽極電化學(xué)溶解作用兩方面因素共同決定。圖13為旋印式電解加工陽極成型過程仿真物理模型。為便于模擬陽極輪廓成形過程，假定在加工過程中陽極工件固定不動(dòng)，工件的圓心為坐標(biāo)系的原點(diǎn)，則陰極工具可等效為以下3個(gè)分運(yùn)動(dòng)：① 以角速度繞陰極工具圓心逆時(shí)針自轉(zhuǎn)；② 隨陰極工具以角速度繞陽極工件圓心逆時(shí)針公轉(zhuǎn)；③ 陰極工具以恒定的速度沿連心線方向進(jìn)給。根據(jù)旋印式電解加工電極相對(duì)運(yùn)動(dòng)和電場(chǎng)分布特性對(duì)不同進(jìn)給深度下的陽極輪廓成型過程進(jìn)行仿真模擬。針對(duì)鎳基高溫合金GH4169和不銹鋼SUS304兩種不同材料，其實(shí)際體積電化學(xué)當(dāng)量通過試驗(yàn)測(cè)量獲得。

圖13 旋印式電解加工成型過程仿真模型Fig.13 Simulation model of forming process in counter-rotating ECM

圖14為GH4169和SUS304兩種材料的凸臺(tái)仿真輪廓。初始工件陽極半徑和工具陰極半徑分別為100 mm，加工電壓為20 V，陰極進(jìn)給速度為0.024 mm/min，電極轉(zhuǎn)速1 r/min。可以發(fā)現(xiàn)這兩種材料的凸臺(tái)成形輪廓存在顯著差異。如圖14(a)所示，對(duì)于GH4169材料，隨著加工的持續(xù)，凸臺(tái)高度不斷增加，凸臺(tái)側(cè)壁錐度不斷減小，當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到16.8 mm(700 min)時(shí)，凸臺(tái)側(cè)壁錐度為4.8°，在凸臺(tái)頂部存在一定程度的雜散腐蝕，這是由于GH4169材料在低電流密度下電流效率依然很高，其溶解定域性較差所致。如圖14(b)所示，對(duì)于SUS304材料，隨著陰極工具的不斷進(jìn)給，凸臺(tái)側(cè)壁輪廓錐度逐漸減小，當(dāng)進(jìn)給量達(dá)到7.2 mm(300 min)時(shí)，凸臺(tái)側(cè)壁錐度為0.8°，隨著陰極進(jìn)一步進(jìn)給，側(cè)壁變成倒錐形。由于SUS304材料具有較好的溶解定域性，加工過程中凸臺(tái)表面幾乎不受雜散腐蝕影響。

圖14 GH4169和SUS304兩種材料的凸臺(tái)仿真輪廓Fig.14 Simulation results of boss profile in GH4169 and SUS304 workpiece

圖15為工件材料沿徑向方向蝕除速率及加工間隙隨進(jìn)給量的變化趨勢(shì)。如圖15(a)所示，在加工初始階段，材料蝕除速率變化十分顯著，存在明顯的過渡階段，隨著進(jìn)給量的進(jìn)一步增加，材料蝕除速率變化逐漸趨于平緩，加工進(jìn)入準(zhǔn)平衡階段，在該階段材料蝕除速率始終略高于陰極進(jìn)給速率，導(dǎo)致加工間隙隨著進(jìn)給量增加近似呈緩慢線性增長(zhǎng)趨勢(shì)，如圖15(b)所示，這主要是由加工過程中陽極工件的曲率半徑不斷減小所致。

圖15 材料蝕除速率與加工間隙隨進(jìn)給量變化趨勢(shì)Fig.15 Variation trend of material removal rate and machining gap in tool feeding

3.3 典型結(jié)構(gòu)加工

針對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)匣表面典型島嶼狀和柵格狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，分別采用GH4169和SUS304材料開展了加工試驗(yàn)研究。圖16為加工出的島嶼狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)高度為6.16 mm，側(cè)壁錐度為11.1°，凸臺(tái)頂部雜散腐蝕量為0.9 mm。圖17為加工出的柵格狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，凸臺(tái)高度為5.94 mm，側(cè)壁錐度為5.64°，凸臺(tái)頂部無明顯雜散腐蝕。

圖16 GH4169表面加工的島嶼狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.16 GH4169 surface processing island-like boss structure

圖17 SUS304表面加工的柵格狀凸臺(tái)結(jié)構(gòu)Fig.17 Grid boss structure of SUS304 surface processing

4 脈動(dòng)態(tài)電解線切割加工

電解線切割加工采用金屬線作為工具陰極，基于金屬電化學(xué)陽極溶解原理去除材料，通過線電極的多軸數(shù)控運(yùn)動(dòng)對(duì)零件加工成形。如圖18所示，削邊形狀線電極工作面(圓弧部分)進(jìn)入端面加工間隙時(shí)，電源上電；電極工作面轉(zhuǎn)出加工間隙時(shí)，電源斷電。削邊電極旋轉(zhuǎn)和電源斷續(xù)給電配合，產(chǎn)生周期性脈動(dòng)變化的電場(chǎng)和流場(chǎng)：一方面，擾動(dòng)加工間隙內(nèi)電解液，使其產(chǎn)生強(qiáng)對(duì)流運(yùn)動(dòng)，促進(jìn)加工產(chǎn)物排出和電解液更新；另一方面，減少或消除已加工表面的雜散電流，避免二次加工，提高加工精度。

圖18 削邊電極脈動(dòng)態(tài)電解線切割加工Fig.18 Wire-ECM in pulse dynamic process with edged electrode

4.1 脈動(dòng)電場(chǎng)特性

建立圖19所示加工間隙內(nèi)電解液電場(chǎng)模型(1/2削邊線電極以角速度旋轉(zhuǎn)，間隙長(zhǎng)=1.5 mm，寬=0.6 mm)，研究削邊線電極、斷續(xù)給電對(duì)加工表面電場(chǎng)的影響。假設(shè)加工過程為理想狀態(tài)：① 在加工過程中，電解液的電導(dǎo)率為常數(shù)；② 間隙內(nèi)電場(chǎng)是穩(wěn)恒電流場(chǎng)。間隙內(nèi)電位由拉普拉斯方程描述，邊界條件按照接地(Г)、絕緣(Г)、等電勢(shì)(Г)處理。陽極電位10 V，電解液電導(dǎo)率10 S/m，削邊線電極直徑為0.5 mm。

圖19 削邊線電極電解切割加工電場(chǎng)模型Fig.19 Electric field model of Wire-ECM with edged electrode

工件表面不同位置電流密度隨削邊線電極旋轉(zhuǎn)的變化情況如圖20所示。使用削邊線電極時(shí)，工件端面間隙內(nèi)C點(diǎn)電流密度在0～180 A/cm之間周期性波動(dòng)，已加工表面D點(diǎn)電流密度在0～20 A/cm之間周期性波動(dòng)；使用圓柱截面電極時(shí)，端面間隙內(nèi)A點(diǎn)電流密度穩(wěn)定在180 A/cm，而已加工表面B點(diǎn)電流密度穩(wěn)定在48 A/cm，存在著明顯的二次腐蝕。因此，使用削邊線電極能顯著降低已加工表面電流密度，減小已加工壁面的二次腐蝕，加工精度得到提高。

圖20 工件表面電流密度變化過程Fig.20 Changing process of current density on workpiece surface

圖21(a)為直流電壓下，不同轉(zhuǎn)速下削邊線電極加工電流波形，可以看出電流脈動(dòng)變化周期和電極轉(zhuǎn)速一致：電極轉(zhuǎn)速12 000 r/min時(shí)，電流周期為5 ms；而圓柱電極的加工電流信號(hào)波形平穩(wěn)，沒有明顯的脈動(dòng)現(xiàn)象，如圖21(b)所示。

圖21 直流加工電流波形Fig.21 Current waveform in DC wire-ECM

圖22 脈沖電流疊加線電極脈動(dòng)態(tài)加工電流波形Fig.22 Current waveform in pulse Wire-ECM with edged electrode

圖22為脈沖電壓下，不同轉(zhuǎn)速下削邊線電極加工電流波形。此時(shí)，脈沖電流與削邊線電極旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的周期性變化效果疊加，每個(gè)電極轉(zhuǎn)動(dòng)周期內(nèi)脈沖電流峰值呈脈動(dòng)態(tài)變化。

4.2 脈動(dòng)流場(chǎng)特性

借助ANSYS Fluent 16.0采用滑移網(wǎng)格進(jìn)行非定常計(jì)算，模擬間隙流場(chǎng)的流量和速度脈動(dòng)特性。圖23為不同削邊線電極的尺寸和截面形狀。

圖23 不同類型的削邊電極Fig.23 Different types of edged electrodes

圖24為削邊線電極加工間隙流場(chǎng)模型，幾何參數(shù)為：間隙區(qū)域長(zhǎng)=1.5 mm，寬=0.6 mm，線電極直徑為0.5 mm。計(jì)算時(shí)假設(shè)流體為單相不可壓縮連續(xù)流體，并忽略電解切割加工過程中氣泡的影響。

圖25為轉(zhuǎn)速為20 000 r/min時(shí)，通過不同電極側(cè)面間隙取樣線1的流量情況。采用圓柱電極時(shí)，流量隨電極旋轉(zhuǎn)變化很小，平均流量約為63 mm/s；采用削邊線電極時(shí)，流量隨電極的旋轉(zhuǎn)呈周期性脈動(dòng)態(tài)變化，流量最大170 mm/s，流量最小約40 mm/s；對(duì)稱1/4削邊線電極的流量脈動(dòng)變化最快，是其他電極的兩倍，流量波動(dòng)小(在55～90 mm/s之間)。

圖24 削邊線電極電解切割加工流場(chǎng)模型Fig.24 Flow field model of Wire-ECM with edged electrode

圖25 削邊線電極電解切割加工流場(chǎng)特性Fig.25 Characteristics of flow field in Wire-ECM with edged electrode

4.3 工藝效果

定義穩(wěn)定加工2 mm長(zhǎng)切縫的電極最大進(jìn)度速度為最大速度，來評(píng)判不同電極的脈動(dòng)傳質(zhì)效果。圖26(a)為不同電極最大速度隨電極轉(zhuǎn)速的變化情況?？梢钥闯觯孩?旋轉(zhuǎn)速度小于10 000 r/min時(shí)，5種電極的最大進(jìn)給速度均呈現(xiàn)增大趨勢(shì)，且削邊線電極能達(dá)到的最大速度均高于圓柱電極。這主要?dú)w因于削邊線電極擾動(dòng)加工間隙內(nèi)電解液的范圍更寬廣、更充分排出電解產(chǎn)物、更好的加工間隙環(huán)境和更快的傳質(zhì)使得電化學(xué)反應(yīng)速率更快。② 旋轉(zhuǎn)速度大于10 000 r/min時(shí)，3/4削邊線電極和光桿電極的最大進(jìn)給速度隨旋轉(zhuǎn)速度緩慢下降；1/4削邊線電極最大進(jìn)給速度則急劇下降，在20 000 r/min時(shí)降為0.1 μm/s；1/2削邊線電極的最大進(jìn)給速度繼續(xù)增大，直到2.4 μm/s的峰值；對(duì)稱1/4削邊線電極的最大進(jìn)給速度可持續(xù)增大達(dá)到3.6 μm/s。1/4、1/2、3/4削邊線電極均為細(xì)長(zhǎng)且偏心的結(jié)構(gòu)，在高速旋轉(zhuǎn)時(shí)容易發(fā)生變形和顫動(dòng)，導(dǎo)致其與工件接觸造成短路，使加工無法繼續(xù)。最終采用削邊電極穩(wěn)定加工出20 mm厚榫槽試件和35 mm厚低壓渦輪葉片葉冠試件，經(jīng)測(cè)量工作面輪廓精度達(dá)到0.02 mm。

圖26 脈動(dòng)態(tài)電解線切割加工效果Fig.26 Performances of Wire-ECM in pulse dynamic process

5 結(jié) 論

1) 脈動(dòng)態(tài)電解加工將工具振動(dòng)和脈沖給電進(jìn)行優(yōu)化耦合，加速加工產(chǎn)物的排除，實(shí)現(xiàn)每個(gè)加工周期的“清零重啟”，減小了加工間隙，增強(qiáng)了過程穩(wěn)定性，提高了加工精度。

2) 拷貝式脈動(dòng)態(tài)加工降低了加工產(chǎn)物對(duì)電解液電導(dǎo)率的影響，顯著提高葉片類零件加工精度。前置式耦合表現(xiàn)出更好的工藝效果。

3) 旋印式脈動(dòng)態(tài)電解加工是針對(duì)大型回轉(zhuǎn)薄壁件的一種特殊形式的脈動(dòng)態(tài)電解加工技術(shù)，在控制壁厚精度、消除加工變形等方面具有很好的效果。

4) 在電解線切割加工中，采用削邊線電極旋轉(zhuǎn)和電源斷續(xù)給電配合，產(chǎn)生周期性脈動(dòng)變化的電場(chǎng)和流場(chǎng)，促進(jìn)加工產(chǎn)物排出和電解液更新；減弱已加工表面的雜散電流，避免二次加工。