徐 波 干為民 何亞峰 李文靜 王祥志

1.常州工學(xué)院航空與機械工程學(xué)院,常州,213002 2.江蘇省高校特種加工重點實驗室,常州,213002 3.常州大學(xué)機械工程學(xué)院,常州,213164

0 引言

進口小、內(nèi)腔大的瓶狀階梯孔廣泛用于汽車、航天航空及醫(yī)療等領(lǐng)域[1],目前主要采用機械加工方法對其進行加工,加工過程中存在難裝夾、精度不高、排屑不暢、冷卻條件差等問題[2]。國內(nèi)學(xué)者對階梯孔的加工已有一定的研究。劉玉杰等[3]基于數(shù)值分析和實驗驗證的方法優(yōu)化陰極結(jié)構(gòu),提出了階梯式變電壓加工方法；張京超等[4]針對細(xì)長孔難以擴孔加工的問題,設(shè)計并搭建了細(xì)長孔脈沖電解擴孔裝置；唐霖[5]采用立式安裝的固定式陰極,搭建了立式刻槽和擴孔電解加工裝置,可對長度不超過600 mm的刻槽和孔類零件進行加工。在國外,JONES等[6]研究發(fā)現(xiàn),在長流道變截面電解加工中,空隙率對加工平衡時間影響最大；DAS等[7]以稀硫酸為電解液,在自行研制的變參數(shù)加工裝置上進行圓孔加工實驗,研究了流場分布對加工所得孔錐度角的影響規(guī)律。電解鏜孔具有加工效率高,在加工過程中無機械切削力,加工后的表面無毛刺[8]等優(yōu)點,克服了傳統(tǒng)機械加工產(chǎn)生的微裂紋、殘余應(yīng)力、冷作硬化等缺陷,且加工表面質(zhì)量好,是加工階梯孔較合適的工藝方法之一。因此,筆者設(shè)計了一種成形陰極來實現(xiàn)階梯孔的數(shù)控電解鏜孔加工,以提高加工效率和表面質(zhì)量。

1 階梯孔的數(shù)控電解鏜孔加工原理

為實現(xiàn)對階梯孔的加工,擬采用如圖1所示的數(shù)控電解鏜孔加工工藝。成形陰極進入工件預(yù)制孔后,電解液從陰極螺旋出液口噴入加工間隙,陰極高速旋轉(zhuǎn)的同時行走一圓形鏜孔軌跡,在電場和流場的耦合作用下,陰極進給方向上的工件材質(zhì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕而被去除,從而鏜出階梯孔內(nèi)腔。數(shù)控電解鏜孔所用陰極如圖1a所示,陰極上半段為直徑D1的中空圓柱體,用于裝夾和通液；陰極下半段為電解鏜孔加工刃,其直徑為D3,上下端各有一半徑為R1的圓角,加工刃表面設(shè)有螺旋形出液口。陰極的主要尺寸關(guān)系為

D3=D4-2Δb-2r

(1)

L3=L1-Δs1-Δs2

(2)

R1=R2-Δs

(3)

式中,D4為階梯孔大孔直徑；Δb為電解加工間隙；L3為陰極鏜孔加工部分長度；L1為工件所需鏜孔長度；Δs1、Δs2分別為上下圓角端面加工間隙；R2為階梯孔的圓角半徑；Δs為加工間隙;2r為陰極鏜孔加工時所運行軌跡直徑值。

除鏜孔加工刃部分和夾持部分外,陰極裸露外表面均有絕緣層,以防止雜散腐蝕，提高加工精度。

數(shù)控電解鏜孔加工過程如圖1c所示,陰極與加工電源負(fù)極相連,工件接電源正極,電解液從陰極出口以一定壓力流入加工間隙,陰極旋轉(zhuǎn)并切入工件某一深度后,再行走一半徑為r的圓形軌跡,基于電化學(xué)陽極溶解原理即可鏜出階梯內(nèi)孔,其鏜孔加工結(jié)果如圖1d所示(δ為尺寸允許誤差)。

圖1 階梯孔的數(shù)控電解鏜孔加工Fig.1 NC ECM boring of stepped holes

為研究電解鏜孔各加工參數(shù)對成形過程的影響,按照水平剖面方向觀測圖1c,根據(jù)去除量的不同將整個鏜孔過程分為陰極切入工件、陰極運行圓形軌跡進行鏜孔加工和鏜孔加工結(jié)束前三個階段,如圖2所示。

圖2 電解鏜孔加工過程Fig.2 Diagram of ECM boring processing

圖2a中,陰極切入工件的設(shè)定切深b1和實際切深b2分別為

b1=r+(D3-D1)/2

(4)

b2=b1+Δb

(5)

根據(jù)電解加工平衡間隙理論,有

Δb=ηwκ(U-ΔE)/vx

(6)

式中,η為電流效率；w為工件體積化學(xué)當(dāng)量,mm3/(A·min)；κ為電解液電導(dǎo)率,S/m；U為陰陽極間電壓,V；ΔE為陰極和陽極極化電位值總和,V；vx為陰極以某一速度進給時工件在進給方向上大圓處電解速度,mm/min[1]。

圖1c中,圓角處的加工間隙

Δs=Δb/cosθ

(7)

式中,θ為陰極加工刃圓角處任一角度值。

Δb、R2一定時,根據(jù)式(3)、式(7)可得陰極工作刃圓角半徑R1為一變化值,需根據(jù)計算和實驗修正獲得。上下端面加工間隙Δs1、Δs2的理論值應(yīng)相同,但實際加工時的工件是豎立的,電解液在重力作用下使得Δs2處較Δs1處分布更充盈且流速快,加工間隙中各處電解液流速分布不均時,工件去除速率不同,因此實際加工中的Δs1與Δs2有較小差值。

圖2b所示為陰極切入深度b后繞工件圓心o1行走的圓形(半徑為r)軌跡,此時的去除量為切入時的一半,需調(diào)整進給速度以保證加工間隙與切入時最終間隙Δb一致。對于小直徑陰極,每旋轉(zhuǎn)一圈其間隙內(nèi)的電解液溫度、導(dǎo)電率κ和氣泡率的變化都是很微小的,可假設(shè)某時間段內(nèi)保持不變,將三者視為常數(shù),則可推導(dǎo)出加工間隙

(8)

式中,α為陰極鏜孔刃加工段的圓心角,45°<α<135°。

由式(8)可見,電壓、電解液參數(shù)、進給速度都是影響加工間隙的因素。若陰極進給速度小于金屬的溶解速度,則加工間隙過大,精度降低；若陰極進給速度大于金屬溶解速度,則容易發(fā)生短路,燒傷陰極和工件,影響試驗的順利進行；金屬溶解速度與陰極進給速度相同,則加工過程達到平衡狀態(tài),此時的加工間隙為電解鏜孔平衡間隙,效率和精度最好。

圖2c為數(shù)控電解鏜孔加工結(jié)束前某一時刻加工狀態(tài)圖,由于陰極切入時已經(jīng)去除部分余量,此時的電解去除量逐漸減小,為防止加工過切需增大陰極進給速度。

2 階梯孔的數(shù)控電解鏜孔陰極設(shè)計

數(shù)控電解鏜孔加工參數(shù)中,在電源參數(shù)(電壓峰值、脈沖頻率、占空比等)、電解液參數(shù)(電解液壓力、溫度、酸堿度、成分、濃度等)和機床加工參數(shù)(機床進給速度、主軸轉(zhuǎn)速、運行軌跡等)一定的情況下, 影響加工間隙大小的主要因素為流場分布情況。

2.1 陰極形狀和流道設(shè)計

陰極設(shè)計時需參照圖1d中工件的設(shè)計尺寸及加工間隙值,主要尺寸允許誤差δ=0.05 mm。針對階梯孔零件特征(外孔直徑D2=20 mm,D4=28 mm,總體孔深L2=100 mm,內(nèi)孔深度L1=66 mm),為求得電解液出口壓力和流速分布符合設(shè)計要求的陰極,現(xiàn)根據(jù)初始加工間隙Δs=0.2 mm,設(shè)計陰極結(jié)構(gòu),如圖3所示,陰極本體為中空的回轉(zhuǎn)體,其一端為裝夾部分,另一端為工作部分,裝夾部分和工作部分之間為頸部,頸部的外壁上設(shè)有絕緣層,工作刃設(shè)有螺旋形的出液口,螺旋形出液口旋轉(zhuǎn)上升的角度為β。根據(jù)出液口數(shù)量的不同,出液口可分為單螺旋形出液口和雙螺旋形出液口(圖4)。為調(diào)整陰極出液口壓力,陰極內(nèi)部設(shè)有圓錐角為γ的分流塊[9-10]。下面主要研究不同的分流塊錐角γ(分流塊底部直徑不變時,分流塊高度隨錐角γ改變而改變)、螺旋形出液口旋轉(zhuǎn)角β和出液口數(shù)量時,陰極出液口壓力和流速分布情況。

圖3 陰極模型Fig.3 Cathode model

圖4 單螺旋和雙螺旋出液口Fig.4 Single and double helix outlets

2.2 單雙螺旋形出液口陰極流場分析

對加工間隙中電解液的流場分析是一種穩(wěn)態(tài)分析,建模時對流體有以下假設(shè)：流體為不可壓縮、恒定的牛頓流體,即速度梯度變化時,動力黏度不變；考慮到加工間隙小、流速較快,整個流道中的電解液流動呈湍流狀態(tài)；加工區(qū)域中電解液的流程較小,因此忽略工作過程中工作介質(zhì)溫度的變化以及溫差造成的能量耗散,電解液流動受質(zhì)量守恒定律和動能守恒定律約束[11]。

本文使用標(biāo)準(zhǔn)k-ε湍流模型進行分析。標(biāo)準(zhǔn)湍流k-ε模型的湍動能k和耗散率ε方程為

(9)

(10)

(11)

式中,Gk為由平均速度梯度產(chǎn)生的湍動能；Gb為由浮力影響而產(chǎn)生的湍動能；YM表示可壓縮湍流脈動膨脹對總的耗散率的影響；μt為湍流黏度系數(shù)；ρ為液體密度；Cμ為常數(shù)；σk為k方程的湍流Prandtl數(shù)；εk為ε方程的湍流Prandtl數(shù)；C1ε、C2ε、C3ε為經(jīng)驗常數(shù)。

圖5 單螺旋出口陰極的壓力及速度Fig.5 Pressure and velocity of single spiral outlet cathode

建立單雙螺旋形出液口陰極模型,根據(jù)分析軟件要求,只建立陰極本體流域,入口壓力設(shè)為2 MPa,出口無背壓。圖5a 中,出口壓力云圖被圈出部分的中心壓力突變?yōu)樽畹椭?1.93×105Pa,呈點狀；周圍壓力為-1.19×105Pa,呈小圓面狀；小圓面周圍壓力變?yōu)?2.01×104Pa,呈短條狀,由此可見出口壓力存在突變。圖5a中,被圈出部分往下的出口處的出口壓力為4.54×103Pa～1.69×104Pa,其余出口處壓力均為負(fù)值,由此可見整個出口壓差較大且變化不連續(xù)。結(jié)合圖5b可見，電解液集中從陰極下部出口流出,出口中上部電解液流量小,實際加工時,會產(chǎn)生電解液短缺導(dǎo)致的短路、燒傷陰極及工件的現(xiàn)象,所以單螺旋形出口陰極無法滿足加工要求。

由圖6a可見雙縫螺旋陰極出口壓力的變化均勻、無突變、壓差小。流速均勻與否直接影響流量的分布,均勻的流量能更好地保證鏜孔加工時的加工間隙誤差小,從而保證所鏜階梯孔尺寸不超差。由圖6b可以看出,雙縫螺旋陰極出口流速分布均勻,流速為5.23 m/s。單縫螺旋陰極出口的同一截面流速不均,流速最大為9.95 m/s,最小為2.35 m/s。綜合各陰極出口流場分析結(jié)果發(fā)現(xiàn)雙縫螺旋出口陰極設(shè)計較合理。

圖6 雙螺旋出液口壓力及速度云圖Fig.6 Pressure and velocity of double spiral outlet cathode

為觀察階梯孔電解鏜孔加工過程中的流場,結(jié)合加工原理圖(圖1c),從水平截面和豎直截面觀測加工間隙中流場的分布。由圖7可見,水平方向和豎直方向的加工間隙內(nèi),電解液流量滿足鏜孔加工要求,流速變化均勻,在使用雙螺旋形陰極進行鏜孔加工時不會出現(xiàn)局部缺液的問題。

圖7 加工間隙內(nèi)的速度矢量圖Fig.7 Velocity vector map in machining gap of horizontal section and vertical section

2.3 雙螺旋出液口陰極不同β和γ時的流場

為進一步優(yōu)化流場分布,減小出水口壓差,擬改變陰極出口的旋轉(zhuǎn)角度β和分流塊的錐角γ,其中,β選360°、540°、720°,分流塊錐度角γ選23°、24°和25°,共建立9個模型,導(dǎo)入FLUENT分析,從所有分析結(jié)果中選擇流場分布較好的3組,如圖8～圖10所示。最終發(fā)現(xiàn)β=360°,γ=24°時的效果最好,壓力過渡均勻、壓差小、負(fù)壓區(qū)面積最小、流速變化差值小,電解液速度矢量垂直于陰極側(cè)壁,即鏜孔加工時,電解液能垂直射入加工間隙,無死水區(qū),便于電解產(chǎn)物和熱量的排出。

圖8 雙螺旋出液口陰極流場(β=540°,γ=23°)Fig.8 Flow field of double spiral outlet cathode(β=540°,γ=23°)

圖9 雙螺旋出液口陰極流場(β=720°,γ=25°)Fig.9 Flow field of double spiral outlet cathode(β=720°,γ=25°)

圖10 雙螺旋出液口陰極(β=360°,γ=24°)Fig.10 Flow field of double spiral outlet cathode(β=360°,γ=24°)

3 試驗研究及陰極錐度修正

3.1 正交試驗及結(jié)果分析

階梯孔電解加工試驗所使用的設(shè)備為五軸聯(lián)動數(shù)控電解機械復(fù)合加工機床,電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液,溫度為30 ℃。試驗選用β=360°,γ=24°的雙螺旋出液口陰極,根據(jù)初始加工間隙0.2 mm和階梯孔尺寸,即可求得試驗用陰極各尺寸。通過正交試驗研究電壓、主軸轉(zhuǎn)速、進給速度、電解液壓力和設(shè)定切深對實際切深和側(cè)面加工間隙的影響規(guī)律,各試驗條件及結(jié)果如表1所示。

試驗通過超聲波測厚儀(精度0.01 mm)測得加工后工件的壁厚,再利用工件初始壁厚減去加工后壁厚得到實際切深,側(cè)面加工間隙則根據(jù)式(5)計算可得。測量工件壁厚時發(fā)現(xiàn),由于重力的原因,底部電解液流量較頂部充足,相同加工條件時的工件去除量從上往下逐漸增大,即加工后階梯孔壁厚從上往下有所減小,表1中的數(shù)據(jù)是根據(jù)所鏜階梯孔中部直徑計算而得的,為減少試件數(shù)量,試驗時一組參數(shù)只鏜孔加工1/4內(nèi)孔即進行測量。

表1 試驗參數(shù)及試驗結(jié)果

根據(jù)正交試驗結(jié)果分析各因素不同水平時發(fā)現(xiàn),電壓取24 V、21 V、18 V、15 V、12 V時,平均實際切深分別為2.632 mm、2.590 mm、2.544 mm、2.518 mm、2.494 mm,極差(平均實際切深最大值減去最小值)為0.138 mm,此時的平均側(cè)面加工間隙分別為0.328 mm、0.290 mm、0.244 mm、0.218 mm、0.194 mm,極差為0.134 mm。主軸轉(zhuǎn)速為500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2500 r/min時,平均實際切深分別為2.566 mm、2.580 mm、2.558 mm、2.538 mm和2.532 mm,極差為0.048 mm；此時的平均側(cè)面加工間隙分別為0.266 mm、0.280 mm、0.258 mm、0.238 mm、0.232 mm,極差為0.048 mm。陰極進給速度為0.2 mm/min、0.3 mm/min、0.4 mm/min、0.5 mm/min、0.6mm/min時,平均實際切深分別為2.632 mm、2.574 mm、2.560 mm、2.512 mm、2.492 mm,極差為0.140 mm；此時的平均側(cè)面加工間隙分別為0.332 mm、0.274 mm、0.260 mm、0.216 mm、0.192 mm,極差為0.140 mm。電解液壓力為0.6 MPa、0.7 MPa、0.8 MPa、0.9 MPa、1.0 MPa時,平均實際切深分別為2.578 mm、2.554 mm、2.510 mm、2.566 mm、2.532 mm,極差為0.068 mm；此時的平均側(cè)面加工間隙分別為0.278 mm、0.254 mm、0.266 mm、0.244 mm、0.232 mm,極差為0.046 mm。設(shè)定切深取值為1.7 mm、2.0 mm、2.3 mm、2.6 mm、2.9 mm時,平均實際切深分別為1.974 mm、2.248 mm、2.550 mm、2.528 mm、3.156 mm,極差為1.182 mm；此時的平均側(cè)面加工間隙分別為0.274 mm、0.248 mm、0.228 mm、0.268 mm、0.256 mm,極差為0.046 mm。從以上各因素的極差值大小可以看出,各因素對實際切深的影響主次關(guān)系(從強到弱)依為：設(shè)定切深、進給速度、電壓、電解液壓力、主軸轉(zhuǎn)速；各因數(shù)對側(cè)面加工間隙的影響主次關(guān)系(從強到弱)依次為：進給速度、電壓、主軸轉(zhuǎn)速、電解液壓力、設(shè)定切深。其中,設(shè)定切深為加工中根據(jù)鏜孔去除量而人為設(shè)定的切深,對實際切深的影響最大,但對加工間隙的影響很小,即電解鏜孔加工中加工間隙隨切深的變化很??；從極差分析的結(jié)果亦可看出,陰極出水口流量達到電解加工順利進行的最低要求后,電解液壓力和陰極轉(zhuǎn)速的增加對加工結(jié)果影響很??；由此可見,影響實際切深和加工間隙的主要參數(shù)為電壓和進給速度。

電壓對實際切深和加工間隙的影響見圖11,隨著加工電壓的升高,實際切深和加工間隙呈增大的趨勢,符合式(6)中電壓和加工間隙的正比關(guān)系。由圖12可見,隨著進給速度的增加,陰極鏜孔同等長度路徑所花時間縮短,相同參數(shù)條件下的去除量減小,實際切深亦隨之減小,符合式(6)中進給速度與加工間隙的反比例關(guān)系。進給速度低于最大平衡進給速度時,進給速度越大,加工間隙越小。由以上分析可知,加工電壓高,則加工間隙和實際切深大,但容易發(fā)生過切；進給速度高時,實際切深和加工間隙小,容易保證加工精度,但小間隙加工時易發(fā)生短路,燒傷工件和鏜孔陰極,因此需根據(jù)實際情況選擇合理的各加工參數(shù)。

圖11 電壓、實際去除量與加工間隙的關(guān)系Fig.11 Relation between voltage,actual removal quantity and machining gap

圖12 進給速度、實際切深與加工間隙的關(guān)系Fig.12 Relationship between feed speed,actual cutting depth and machining clearance

由第19組正交試驗可以直接看出,進給速度0.5 mm/min、轉(zhuǎn)速1 000 r/min、電解液壓力1.0 MPa、電壓15 V、設(shè)定切深1.7 mm時,加工間隙Δs=0.19 mm,最接近加工間隙預(yù)設(shè)值(此時誤差為0.01 mm),因此采用此參數(shù)組合作為設(shè)計陰極的依據(jù),此時通過測量可知Δs1=0.22 mm,Δs2=0.28 mm；D2、R2、L1、L2、D4已知時,通過計算可知鏜孔陰極加工段外徑D3=11.6 mm,圓角半徑R1由4.80 mm漸變至4.72 mm,鏜孔刃長L3=65.5 mm,夾持部分直徑D1=10 mm,陰極總長L=150 mm,階梯孔電解鏜孔時的陰極軌跡半徑r=4 mm。

3.2 陰極的外輪廓修正和試驗結(jié)果

從正交試驗可以看出,β=360°,γ=24°的雙螺旋出液口陰極加工所得工件總存在進口直徑比根部直徑小的情況,如圖13所示。這是因為加工中的電解液在重力作用下向下聚集(即越往鏜孔根部,電解液流量越大),所以電解液的分布不均及電解液溫升的變化導(dǎo)致電解鏜孔過程中的去除量不均勻。為解決以上問題,將陰極的工作段制作成倒錐形,即陰極工作段直徑尺寸由19.65 mm漸變至19.55 mm,陰極和最終加工所得零件如圖14所示。切入階段速度為0.2 mm/min時,去除量大、流場不穩(wěn)定,因此切入速度較低；鏜孔階段速度為0.5 mm/min,流場穩(wěn)定無火花現(xiàn)象；由于陰極初始切入時已去除部分材料,鏜孔結(jié)束前階段去除量逐漸減少,因此需調(diào)整陰極進給速度為0.8 mm/min；最終的整個鏜孔時間約為50 min,加工所得階梯內(nèi)孔的直徑為27.90～28.02 mm,加工間隙為0.185～0.215 mm,符合加工要求。當(dāng)效率η=0.15,電化學(xué)當(dāng)量w=0.001 5 mm3/(A·min),U=15 V,電導(dǎo)率取8 S/m,α=102°,根據(jù)式(8)計算得到加工間隙約為0.208 mm,說明此公式對實踐有一定指導(dǎo)意義。

圖13 錐度未修正陰極加工所得零件Fig.13 Parts manufactured with uncorrected taper cathode

圖14 修正后陰極及加工所得工件Fig.14 Corrected cathode and workpiece

4 結(jié)論

(1)與單螺旋出液口陰極相比,雙螺旋出液口陰極出口壓力變化均勻且壓差小,出水口電解液流動方向垂直于陰極側(cè)壁,即能垂直射入加工間隙,保證電解鏜孔加工間隙中無缺液現(xiàn)象。

(2)通過調(diào)整不同的出液口螺旋角和分流塊的錐度發(fā)現(xiàn),360°螺旋角和24°分流塊錐角時,陰極出液口壓力和流速分布較好。

(3)通過正交試驗發(fā)現(xiàn),在電解液充沛的前提下,實際切深和加工間隙主要受電壓和陰極鏜孔速度影響,主軸轉(zhuǎn)速、電解液壓力和設(shè)定切深對加工間隙的影響較小。以正交試驗結(jié)果較好的一組參數(shù)加工結(jié)果作為陰極設(shè)計的依據(jù),得到了陰極各主要設(shè)計尺寸。

(4)通過陰極錐度修正的方法解決了重力引起的電解液分布不均,導(dǎo)致鏜孔內(nèi)壁厚薄不均的問題,加工所得工件尺寸均在誤差范圍之內(nèi)。