王 耀，朱增偉，朱 荻，崔國威

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

機(jī)匣是航空發(fā)動機(jī)的一種核心零件，屬于典型的難加工薄壁零件，其加工變形問題一直是困擾業(yè)界的加工難題[1-2]。 旋印電解加工是針對回轉(zhuǎn)體表面凸臺等結(jié)構(gòu)特點設(shè)計相應(yīng)的陰極結(jié)構(gòu)，通過控制陰陽極之間的相對轉(zhuǎn)動及進(jìn)給方式，將陰極形貌“復(fù)印”到陽極輪廓上，從而加工出相應(yīng)結(jié)構(gòu)的一種技術(shù)，具有無切削力、無工具損耗等優(yōu)點，可避免加工帶來的變形，而且能實現(xiàn)薄壁機(jī)匣的一次電解加工成形，在機(jī)匣加工中具有獨特的優(yōu)勢[3]。

旋印電解加工不引入外力，但機(jī)匣毛坯在機(jī)械制造與加工過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力會在電解加工過程中不斷釋放并重新分布，造成機(jī)匣變形[4]。 目前有關(guān)機(jī)匣殘余應(yīng)力的研究多集中于切削方面。 劉海濤等[5]通過理論分析與仿真模擬相結(jié)合的方式，建立了薄壁回轉(zhuǎn)體零件切削加工表面殘余應(yīng)力影響預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)切削速度的增大會導(dǎo)致零件變形量的減小。 李忠群等[6]對薄壁機(jī)匣零件進(jìn)行了加工變形預(yù)測及補(bǔ)償方法研究，發(fā)現(xiàn)在工件剛度薄弱部位進(jìn)行切削深度加工變形補(bǔ)償可減小變形。 陳維克等[7]采用數(shù)值模擬的方法對航空薄壁機(jī)匣進(jìn)行仿真研究，提出對機(jī)匣內(nèi)外壁同時噴液的方式來降低切削力引起的塑性變形。 Masoudi 等[8]對薄壁回轉(zhuǎn)體零件進(jìn)行加工殘余應(yīng)力引起的變形研究，發(fā)現(xiàn)隨著加工引入的殘余應(yīng)力增加， 薄壁零件的加工變形增大，可通過優(yōu)化切削條件減小加工殘余應(yīng)力依次控制零件的加工變形。

相較之下，關(guān)于電解加工過程中機(jī)匣毛坯殘余應(yīng)力釋放變形的研究較為匱乏。 基于此，本文針對薄壁機(jī)匣的加工需求，以機(jī)匣毛坯圓筒件為研究對象，研究旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力釋放再分布情況及對變形的影響，為后期關(guān)于電解加工殘余應(yīng)力的研究提供參考。

1 試驗與仿真

1.1 旋印電解加工殘余應(yīng)力檢測

1.1.1 旋印電解加工

試驗采用外徑83 mm、壁厚8 mm、高度61 mm的圓筒件；加工系統(tǒng)有電源、控制單元、陰極工具、陽極工件、電解液循環(huán)系統(tǒng)等。 如圖1 所示，陰極工具與陽極工件均為圓筒件，加工時陰極工具連接電源負(fù)極，陽極工件連接電源正極，兩極之間保持較小的加工間隙以相同的角速度反向旋轉(zhuǎn)，高速流動的電解液從加工間隙流過。 隨著陰極工具勻速進(jìn)給，陽極工件發(fā)生氧化反應(yīng)，材料發(fā)生溶解逐漸被加工成形[9-11]。

圖1 旋印電解加工原理

試驗工件為GH4169 圓筒件和304 不銹鋼圓筒件， 控制陰極進(jìn)給速度分別為0.015 mm/min 和0.011 mm/min， 泵口壓力和陰極旋轉(zhuǎn)速度分別統(tǒng)一為0.2 MPa 和0.5 r/min。 每電解加工1 mm 厚材料后，取下工件進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測，然后再進(jìn)行試驗。

1.1.2 殘余應(yīng)力檢測

采用盲孔法通過JHYC-30 靜態(tài)應(yīng)變儀對圓筒進(jìn)行殘余應(yīng)力檢測。 使用直徑1 mm 的鉆頭在外表面打深度1 mm 的盲孔進(jìn)行檢測， 然后電解去除此厚度1 mm 的圓筒材料， 再次檢測相同位置殘余應(yīng)力并重復(fù)此過程， 獲取壁厚8 mm 共8 組殘余應(yīng)力數(shù)值 （最后一次檢測使用直徑0.9 mm 鉆頭， 孔深0.9 mm）。 選擇檢測點位時，在外表面選擇均勻分布的3 個角度120°的點，若某點檢測結(jié)果與其他值差異較大，則在該點附近再次進(jìn)行檢測，以盡可能消除操作誤差。

1.2 旋印電解加工殘余應(yīng)力釋放變化仿真

1.2.1 模型建立及初始應(yīng)力場賦值

在Abaqus 仿真平臺使用 “生死單元” 仿真技術(shù)， 以仿真旋印電解加工單凸臺GH4169 圓筒件應(yīng)力釋放變化為例，首先建立83 mm×8 mm×61 mm 圓筒模型，賦予GH4169 材料屬性，將模型沿軸向劃分成8 個壁厚1 mm 的同心圓柱體（圖2）。 將所測初始?xì)堄鄳?yīng)力按應(yīng)力坐標(biāo)變換公式轉(zhuǎn)換成全局柱坐標(biāo)系數(shù)值后分層施加給圓柱體作為初始應(yīng)力場。

圖2 圓柱體劃分圖

1.2.2 施加約束條件及網(wǎng)格劃分

如圖3 所示，為模擬實際電解加工上下端面蓋板壓緊情況，模型上下端面施加固定約束；網(wǎng)格劃分時，模型徑向種子密度定義為1 mm，這樣徑向網(wǎng)格便可與圓柱體壁厚相同，劃分為8 層。

圖3 約束及網(wǎng)格劃分

1.2.3 模型求解

將所需加工凸臺結(jié)構(gòu)外的網(wǎng)格從外向內(nèi)按層添加為7 個網(wǎng)格集，然后定義7 個分析步；在生死單元模塊，將分析步與每層網(wǎng)格集建立聯(lián)系，進(jìn)行求解， 之后可查看每層網(wǎng)格失效后的圓筒應(yīng)力、變形等變化情況（圖4）。

圖4 應(yīng)力和變形仿真云圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 材料種類對圓筒件殘余應(yīng)力影響

對鍛造工藝制造出的304 不銹鋼和GH4169 機(jī)匣毛坯圓筒件進(jìn)行旋印電解加工，分析不同材料種類圓筒件旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力釋放規(guī)律。圖5 是不同鉆孔深度兩種圓筒件在切向和軸向殘余應(yīng)力變化趨勢，圖中δx和δy分別為每層切向和軸向殘余應(yīng)力檢測均值， 縱坐標(biāo)正負(fù)代表應(yīng)力性質(zhì)，正為拉應(yīng)力、負(fù)為壓應(yīng)力。

圖5 不同材料鍛造的圓筒件旋印電解加工殘余應(yīng)力釋放規(guī)律

分析圖5 可知，304 不銹鋼和GH4169 圓筒件旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力隨深度變化具有相似規(guī)律，304 不銹鋼有超過60%的兩向主應(yīng)力為負(fù)，GH4169 有超過70%的兩向主應(yīng)力為負(fù)， 這說明鍛造的兩種材料圓筒件整體處于壓應(yīng)力狀態(tài)。 當(dāng)鉆孔深度為7 mm 時，兩向殘余壓應(yīng)力數(shù)值增至15 MPa以下， 而8 mm 時兩向殘余壓應(yīng)力增至45 MPa 以下，這可能是由于在圓筒件制造時，為保證尺寸精度，內(nèi)表面進(jìn)行了切削而引入了一定的應(yīng)力，這表明對于薄壁機(jī)匣，為減小應(yīng)力及變形，應(yīng)盡量減小機(jī)械加工應(yīng)力。

2.2 毛坯制造工藝對圓筒件殘余應(yīng)力影響

對鍛造和旋壓兩種毛坯制造工藝制造出的GH4169 圓筒件進(jìn)行旋印電解加工試驗， 檢測不同深度的殘余應(yīng)力，分析旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力釋放規(guī)律，得到的結(jié)果見圖6。

圖6 不同工藝制造的圓筒件旋印電解加工殘余應(yīng)力釋放規(guī)律

分析圖6 可知， 鍛造和旋壓的GH4169 圓筒件在旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力隨深度的變化規(guī)律存在明顯區(qū)別，這表明毛坯制造工藝對旋印電解加工殘余應(yīng)力變化規(guī)律影響較大。 鍛造GH4169 圓筒件不同深度兩向應(yīng)力波動范圍在-40～15 MPa 之間，而旋壓的波動范圍在-85～20 MPa 且前5 mm 深的應(yīng)力梯度變化超過70 MPa，這表明鍛造工藝圓筒件旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力變化梯度小，應(yīng)力狀態(tài)較為穩(wěn)定；旋壓工藝圓筒件旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力變化梯度大，應(yīng)力狀態(tài)不穩(wěn)定。

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 初始?xì)堄鄳?yīng)力檢測

進(jìn)行Abaqus 旋印電解應(yīng)力變化仿真需要預(yù)先定義應(yīng)力場，即給工件賦予初始應(yīng)力。 選擇旋壓工藝制造的GH4169 機(jī)匣毛坯圓筒件， 進(jìn)行不同深度毛坯初始?xì)堄鄳?yīng)力檢測，獲得初始?xì)堄鄳?yīng)力場。 為了盡量不破壞圓筒內(nèi)部應(yīng)力場來獲取不同深度殘余應(yīng)力數(shù)值，采用電火花打孔的方式，對盲孔周圍的材料進(jìn)行去除。 每進(jìn)行一次檢測后進(jìn)行一次電火花打孔， 按此方式重復(fù)獲取圓筒件1～8 mm 厚度共8組初始?xì)堄鄳?yīng)力檢測數(shù)值，結(jié)果見表1。

表1 圓筒件初始?xì)堄鄳?yīng)力檢測結(jié)果

將所測初始?xì)堄鄳?yīng)力分層施加給圓筒模型作為初始應(yīng)力場進(jìn)行凸臺結(jié)構(gòu)圓筒件旋印電解加工應(yīng)力變化仿真，以分析殘余應(yīng)力釋放再分布情況以及對變形的影響。

3.2 殘余應(yīng)力釋放再分布仿真分析

3.2.1 凸臺面積對殘余應(yīng)力釋放再分布的影響

圖7 是仿真旋印電解加工4 mm 深度單一凸臺結(jié)構(gòu)殘余應(yīng)力釋放的再分布情況，凸臺大小分別為10 mm×10 mm、20 mm×20 mm、30 mm×30 mm，面積占比分別為0.78%、3.16%、7.24%。 可見，凸臺結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)會引起圓筒件殘余應(yīng)力的不均勻分布，凸臺周圍殘余應(yīng)力分布不均程度相對較大；此外，對于相同加工深度，凸臺面積占比越大，殘余應(yīng)力分布不均勻程度越大。

圖7 仿真電解加工單凸臺圓筒件殘余應(yīng)力變化云圖

3.2.2 凸臺數(shù)量對殘余應(yīng)力釋放再分布的影響

在單一凸臺仿真基礎(chǔ)上，仿真旋印電解加工不同凸臺數(shù)量圓筒件的殘余應(yīng)力釋放再分布情況，凸臺大小統(tǒng)一為20 mm×20 mm，相隔120°夾角。 圖8是仿真電解加工6 mm 深度不同凸臺數(shù)量圓筒件的殘余應(yīng)力釋放再分布情況，可見凸臺數(shù)量的增加會導(dǎo)致殘余應(yīng)力分布不均勻程度加劇，凸臺及周圍依然是殘余應(yīng)力分布不均勻程度較大區(qū)域。

圖8 仿真電解加工不同凸臺數(shù)圓筒件殘余應(yīng)力變化云圖

綜合以上分析，在電解加工圓筒件時，凸臺的出現(xiàn)會擴(kuò)大圓筒殘余應(yīng)力釋放再分布的不均勻性，凸臺面積和數(shù)量的增加都會進(jìn)一步加劇不均勻程度，其中凸臺周圍分布不均程度相對較大。

3.3 殘余應(yīng)力釋放變形仿真分析

3.3.1 無凸臺圓筒件變形仿真

旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力的釋放再分布會導(dǎo)致圓筒產(chǎn)生一定變形，針對圓筒件殘余應(yīng)力釋放再分布導(dǎo)致的變形進(jìn)行分析。 圖9 是無凸臺圓筒件不同加工深度的徑向變形云圖，可見在電解加工過程中圓筒整體向內(nèi)彎曲且同一橫截面變形相同。

圖9 圓筒不同加工深度徑向變形云圖

如圖10 所示， 為便于對變形大小進(jìn)行對比分析，將圓筒件從軸向剖開，提取電解加工過程中內(nèi)壁徑向形變量數(shù)值。 圓筒件高度為61 mm，劃分網(wǎng)格時，沿圓筒軸向劃分為12 段，每段長度約5 mm。

圖10 圓筒件軸向位置劃分示意圖

3.3.2 單凸臺圓筒件變形仿真分析

將圓筒件沿軸向從凸臺中間對等剖開，得到凸臺剖切面及對角非凸臺剖切面。 取不同加工深度非凸臺剖切面與凸臺剖切面內(nèi)壁形變量進(jìn)行比較，如圖11 所示， 縱坐標(biāo)正負(fù)代表方向， 負(fù)代表向內(nèi)彎曲。 可見，對于單凸臺結(jié)構(gòu)圓筒件，凸臺位置處（方框區(qū)域）內(nèi)壁形變量比非凸臺剖切面同位置的內(nèi)壁形變量小。

圖11 不同加工深度凸臺剖面與非凸臺剖面內(nèi)壁的徑向形變量

取不同加工深度非凸臺剖切面與無凸臺件圓筒件同位置內(nèi)壁形變量相比較，如圖12 所示，具有凸臺結(jié)構(gòu)后，相同電解加工深度，單凸臺圓筒件較無凸臺圓筒件形變量均有所增加。

圖12 不同加工深度無凸臺圓筒件剖面與單凸臺圓筒件剖面內(nèi)壁的徑向形變

凸臺結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，縮小了凸臺處變形，加劇了非凸臺處變形，這可能是由于在電解加工凸臺結(jié)構(gòu)圓筒件過程中，相比于無凸臺結(jié)構(gòu)圓筒件，凸臺結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)減少了殘余應(yīng)力的釋放量，剩余殘余應(yīng)力變多，整體形變量上升；同時，由于凸臺位置處處壁厚較大，降低剩余殘余應(yīng)力對此處形變量的影響。

3.3.3 多凸臺圓筒件變形仿真分析

圖13 是單凸臺和三凸臺圓筒件徑向變形云圖。 可見隨著凸臺數(shù)量增多，云圖顏色分布不均勻程度增加，反映出圓筒件各處徑向變形差異加劇。

圖13 單凸臺和三凸臺圓筒件徑向變形云圖

將單凸臺與三凸臺圓筒件沿軸向從凸臺所在位置中間軸剖開，得到對角非凸臺剖切面。 取不同加工深度非凸臺剖切面、單凸臺剖切面與三凸臺剖切面內(nèi)壁形變量相比較，如圖14 所示，縱坐標(biāo)正負(fù)代表方向，負(fù)代表向內(nèi)彎曲。 可見，隨著電解加工的進(jìn)行，壁厚在減薄過程中，圓筒件形變量逐漸增大；同時，凸臺數(shù)量越多，圓筒各處變形差異及整體形變量越大，這是由于凸臺增多后相互影響，使得殘余應(yīng)力分布不均勻程度加劇，剩余殘余應(yīng)力增多。

圖14 不同凸臺數(shù)量圓筒非凸臺剖面內(nèi)壁徑向形變量比較

4 結(jié)論

本文針對薄壁機(jī)匣的加工需求，以機(jī)匣毛坯圓筒件為研究對象， 通過Abaqus 仿真研究旋印電解加工過程中圓筒件殘余應(yīng)力釋放再分布情況及對變形的影響，得到以下結(jié)論：

（1）鍛造304 不銹鋼和鍛造GH4169 圓筒件在電解加工過程中殘余應(yīng)力釋放規(guī)律相近，而鍛造和旋壓制造的GH4169 圓筒件電解加工過程中殘余應(yīng)力釋放規(guī)律區(qū)別較大。 這表明毛坯制造工藝對旋印電解加工過程中殘余應(yīng)力釋放規(guī)律影響較大。

（2）殘余應(yīng)力的釋放再分布狀態(tài)導(dǎo)致了圓筒的變形，隨著電解加工的進(jìn)行，剩余殘余應(yīng)力對圓筒變形影響加劇，形變量逐漸增大。 在電解加工圓筒件過程中，凸臺結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，降低了殘余應(yīng)力對凸臺區(qū)域圓筒變形的影響， 加劇了非凸臺區(qū)域形變量，且隨著凸臺數(shù)量的增多，殘余應(yīng)力分布不均勻程度及剩余殘余應(yīng)力數(shù)值均有所增加，導(dǎo)致圓筒形變量增加。