多工位同時(shí)加工的整體陰極及電解加工裝置設(shè)計(jì)

范植堅(jiān)，趙剛剛，張麗娟

(1.西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安710032;2.長慶油田分公司 油氣工藝研究院，陜西 西安710021)

為提高產(chǎn)品性能，航空、航海和兵器工業(yè)中盡可能采用整體構(gòu)件的趨勢已經(jīng)形成。整體構(gòu)件材料多為耐熱合金鋼、鈦合金、不銹鋼，有的分布多個復(fù)雜形狀型槽，數(shù)控銑削倍感困難。傳統(tǒng)電解加工( ECM)一般是逐個型槽分別加工，要實(shí)現(xiàn)同時(shí)加工多工位型槽，雖原理可行，但裝置結(jié)構(gòu)除了考慮裝卡、定位，導(dǎo)電、絕緣，密封，還要考慮多槽導(dǎo)流及流場問題。復(fù)雜型槽陰極工作型面加工間隙分布不均，陰極設(shè)計(jì)需要反復(fù)試驗(yàn)修正［1-4］，早年英國學(xué)者Tipton 提出cosθ 法，求各點(diǎn)法向間隙Δn的包絡(luò)面，得到陰極型面，這種過于簡化物理現(xiàn)象的幾何設(shè)計(jì)法對復(fù)雜工件誤差甚大，特別是曲率大的工件不能忽視電場分布的影響，Lacey 基于Laplace 方程試圖采用解析法求解［5］，無法推廣應(yīng)用。近幾年國內(nèi)外采用邊界元法、有限元法等數(shù)值解法，如Marius Purcar 基于邊界元法將電極邊界的結(jié)點(diǎn)沿法線方向迭代，在計(jì)算機(jī)上得到E 字形工件［6］。Bortiles［7］對沖模、型腔成型過程進(jìn)行模擬加工，Bhattacharyya 采用試切法( cut- and- try)模擬陰極形狀［8］，孫春華等［9］基于Laplace 方程的正問題通過有限元求解間隙電位分布，將等位線與陽極邊界的偏差通過某種規(guī)則映射到陰極，修正陰極邊界。

本文針對艦用發(fā)動機(jī)7 型槽零件的難加工問題，設(shè)計(jì)了多工位同時(shí)加工的整體陰極和ECM 裝置，通過試驗(yàn)優(yōu)化結(jié)構(gòu)參數(shù);對陰極工作型面的設(shè)計(jì)基于Laplace 方程的反問題，通過ANSYS 8.0 對電場分布進(jìn)行有限元計(jì)算，與圖紙工件的邊界比較，修改下一輪迭代的陰極邊界( 間隙值，即設(shè)計(jì)變量)，直到計(jì)算結(jié)果與圖紙工件的差值( 目標(biāo)函數(shù))小于誤差，最后通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。

1 多工位型槽ECM 裝置設(shè)計(jì)

加工對象如圖1所示，7 個型槽圍成一圈，每個槽C-C 剖面半徑為3 mm 的半圓，沿B-B 方向2 個母線夾角為7.5°的相貫柱面。

為保證槽底平整，采取側(cè)向供液，為使7 個槽流場均勻，設(shè)計(jì)了兼起定位、導(dǎo)電、絕緣和分配電解液作用的導(dǎo)向板，導(dǎo)向板中心孔和下平面是工件的定位面，周邊7 個通槽作為加工時(shí)陰極7 個“齒”向下進(jìn)給的導(dǎo)向孔，導(dǎo)向板由夾布膠木和金屬2 層組成，朝向工件的一面是金屬，接正極，7 個通槽毗鄰工件的金屬段槽口內(nèi)涂環(huán)氧樹脂絕緣，如圖2所示。整體陰極的7 個工作齒均布在陰極座圈上，座圈中心孔通過引導(dǎo)管、主軸、彈性夾頭連接到機(jī)床的陰極安裝板，接電引液，主軸向下運(yùn)動時(shí)實(shí)現(xiàn)7 個工作齒同步進(jìn)給，7 個型槽同時(shí)加工。電解液由從引導(dǎo)管進(jìn)入導(dǎo)向板中心孔，分配到導(dǎo)向板上7 組49 個小孔，分別通過7 個導(dǎo)流段注入各自的加工間隙，再由7個通槽外側(cè)導(dǎo)向板上挖低的溢流槽流出，溢流槽深度及形狀由試驗(yàn)優(yōu)化。整個裝置及陰極如圖3所示。

圖2 導(dǎo)向板Fig.2 Guided board

圖3 電解加工裝置Fig.3 ECM device

2 陰極工作型面的設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)學(xué)模型

已知條件是工件邊界( 圖紙)，按等間隙法或cosθ 法求得陰極雛形( 選后者，因迭代次數(shù)比前者少)，設(shè)電極過程已處于穩(wěn)態(tài)，電場及電解液參數(shù)不再隨時(shí)間變化，僅為位置的函數(shù)，電導(dǎo)率僅在電解液流動方向有變化，則

式中:κ 為電解質(zhì)電導(dǎo)率;E 為電場強(qiáng)度。

將陰陽極表面視為不同電位的等位面，采用有限元法對偏微分方程求數(shù)值解首先要把研究域離散成微小單元，則小單元內(nèi)可將電導(dǎo)率視為常數(shù)，連同邊界條件表示為

滿足上述Laplace 方程的解必定是等位面中的一個，但因作為邊界之一的按cosθ 法得到的陰極雛形很粗糙;實(shí)際加工電流效率在工件曲面各點(diǎn)也不同，這樣求得等位面不可能符合圖紙工件的邊界。由法拉第定律，工件某點(diǎn)電解去除速度

其中: η 為電流效率; ω 為電化學(xué)體積當(dāng)量( mm3/Asec);i 為電流密度( A/cm2).

va與陰極垂直送進(jìn)速度v 有如下關(guān)系

電場各點(diǎn)的電場強(qiáng)度E 與該點(diǎn)電位梯度矢量有如下關(guān)系

其中:n 為電位梯度方向上的單位矢量;則

2.2 算法和軟件實(shí)現(xiàn)

電場強(qiáng)度是電位梯度矢量的負(fù)值，本文選擇電場強(qiáng)度作為計(jì)算陽極邊界的函數(shù)旨在改善迭代的收斂速度。

算法:從陰極雛形出發(fā)，用有限元法計(jì)算陽極邊界各點(diǎn)的電場強(qiáng)度，得到考慮到實(shí)際加工時(shí)工件各點(diǎn)電導(dǎo)率、電流效率不同，按(5)式計(jì)算陽極邊界的實(shí)際電場分布，得對2者差值求方差和，定為目標(biāo)函數(shù)

改變設(shè)計(jì)變量，調(diào)整陰陽極的間隙，用C++編寫程序調(diào)用ANSYS 的計(jì)算值，迭代到目標(biāo)函數(shù)值在誤差允許范圍，表明生成該陽極邊界的陰極為所求。

軟件實(shí)現(xiàn):在圖1工件的B-B 路徑上沿C-C 方向取4 個截面，與陰極雛形相交，在交線選取陰極控制點(diǎn)的陽極對應(yīng)點(diǎn)，對應(yīng)點(diǎn)之距即為間隙，定義為設(shè)計(jì)變量，則控制點(diǎn)的坐標(biāo)等于陽極對應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)加設(shè)計(jì)變量，因以后的迭代計(jì)算需不斷修改幾何模型，用APDL 編寫程序進(jìn)行參數(shù)化建模，用B 樣條曲線插值擬合，再用ANSYS 中的蒙皮( Skining)生成新的陰極工作面，與工件陽極型面圍成一個包含加工間隙的封閉區(qū)域，如圖4所示。

圖4 陰極與工件圍成域的幾何模型Fig.4 Geometry model of region between cathode and workpiece

按工藝試驗(yàn)采用的加工條件設(shè)置有限元模型的參數(shù): 15% NaNO3電解液，溫度25 ℃，電流效率78%，電導(dǎo)率0.117 Ω-1cm-1，電壓12 V，試件材料4Cr2NiMoVSi，輸入材料屬性，劃分網(wǎng)格。

圖5 間隙電場Fig.5 Electric field in gap

顯然需要調(diào)整陰極邊界，修改間隙值。將經(jīng)過調(diào)整后的設(shè)計(jì)變量輸入ANSYS，因?yàn)锳NSYS 的APDL 語言中的變量不能與C++中的變量直接進(jìn)行數(shù)據(jù)互換，在C++中寫入文件ansys_input.txt，通過APDL 讀入這個文件的數(shù)據(jù)，ANSYS 得到新數(shù)據(jù)后重新用APDL 建模、剖分網(wǎng)格、有限元計(jì)算，得到陽極邊界的電場分布，求出與實(shí)際電場強(qiáng)度的偏差值，送到ansys_output.txt 中，進(jìn)行下一步迭代。其中3 次改變的設(shè)計(jì)變量及程序運(yùn)行情況如圖6所示。

3 次迭代得到的目標(biāo)函數(shù)值分別為28 648.195 4;6 269.947 8;395.998 1，可見收斂速度很快，這樣選擇設(shè)計(jì)變量可行。調(diào)整陰極邊界實(shí)質(zhì)是調(diào)整幾何模型( 用APDL 實(shí)現(xiàn))，關(guān)鍵是控制點(diǎn)的選取，在型槽曲率大的地方應(yīng)多補(bǔ)充控制點(diǎn)。求目標(biāo)函數(shù)( 各離差的平方和)最小是為了尋求每個控制點(diǎn)離差的絕對值都足夠小，以獲得所求的陰極界面。至第18次迭代，目標(biāo)函數(shù)值為5 時(shí)，陽極邊界電場分布及陰極型面分別如圖7和圖8所示。誤差允許范圍為何值可以得到合格的陰極尚需要試驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 陽極邊界部分節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)和電場分布Tab.1 Partial node coordinate and electric field in anode boundary

圖6 程序運(yùn)行一瞥Fig.6 Program operation

3 工藝試驗(yàn)

圖7 陽極邊界上電場分布Fig.7 Electric field in anode boundary

圖8 陰極型面Fig.8 Cathode boundary

加工裝置和陰極結(jié)構(gòu)合理與否是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、高效加工的條件;陰極工作型面正確與否是工件尺寸和形狀精度的基本保證。前期試驗(yàn)以完善7 槽同時(shí)加工的ECM 裝置結(jié)構(gòu)為主要目的，試驗(yàn)表明導(dǎo)向板溢流槽的深度和形狀對流場影響較大，分析認(rèn)為因型槽形狀如腰子，外側(cè)邊界長，在側(cè)向供液情況下出液側(cè)流線發(fā)散，需要一定背壓。經(jīng)優(yōu)化，確定溢流槽深0.35 mm，槽外側(cè)兩角收圓( 圖2)。第二階段試驗(yàn)檢測采用符合數(shù)值模擬結(jié)果的陰極加工零件的槽形，試驗(yàn)在三菱MC-50VECM 機(jī)床上進(jìn)行( 圖3)，電解液為15%NaNO3，溫度30 ℃，電壓12 V，進(jìn)給速度1 mm/min.試件材料4Cr2NiMoVSi。加工后的零件如圖9所示。用量具和千分卡尺檢測型槽尺寸，達(dá)到圖紙要求。

試驗(yàn)表明，采用ECM 進(jìn)行多工位型槽同時(shí)加工是可行的;對該零件基于Laplace 方程的數(shù)值模擬，迭代到目標(biāo)函數(shù)值為5 時(shí)可以滿足加工要求，但這必須通過試驗(yàn)驗(yàn)證，如果不滿足，還須修改設(shè)計(jì)變量，因此目前只能說在一定程度上縮短了陰極研制周期。

圖9 加工后的工件Fig.9 Machined workpiece

4 結(jié)論

1)整體陰極和導(dǎo)向板的設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)多工位型槽同時(shí)進(jìn)行ECM 加工的關(guān)鍵部件，其中溢流槽深度和形狀對流場影響較大。本研究對象經(jīng)試驗(yàn)確定溢流槽深0.35 mm.

2)采用APDL 參數(shù)化建模，便于實(shí)現(xiàn)對模型的修改;采用C++語言編寫程序，將ANSYS 求解值作為子程序調(diào)用，有利于提高收斂速度。采用計(jì)算機(jī)替代實(shí)驗(yàn)修正，在一定程度上縮短了陰極研制周期。

致謝:感謝曹巖博士對本文研究工作的幫助！

References)

［1］ Davydov A D，Volgin V M，Lyubimov V V.Electrochemical machining of metals: fundamentals of electrochemical shaping［J］.Russia Journal of Electrochemistry，2004，40(12): 1230-1265.

［2］ 范植堅(jiān)，李新忠，王天誠.電解加工與復(fù)合電解加工［M］.北京: 國防工業(yè)出版社，2008: 198-222.FAN Zhij-ian，LI Xin-zhong，WANG Tian-cheng.electrochemical machining and composite electrochemical machining［M］.Beijing:National Defense Industry Press，2008: 198-222.(in Chinese)

［3］ Zybura-Skrabalak M，Ruszaj A.The influence of electrode surface geometrical structure on electrochemical［J］.Journal of Materials Processing Technology，2000，107 (1-3): 288-292.

［4］ Mount A R，Clifton D，Hpwarth P，et al.An integrated strategy for materials characterization and process simulation in electrochemical machining［J］.Journal of Materials Processing Technology，2003，138(1-3):449-454.

［5］ Lacey A A.Design of cathode for an electrochemical machining process［J］.Journal of Applied Mathematics，1985，(34): 258-267.

［6］ Purcar M，Bortels L，Bossche B V，et al.3D electrochemical machining computer simulation［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，149 (1-3): 472-478.

［7］ Bortels L，Purcar M，Bossche B V，et al.A User-friendly simulation software for 3D ECM［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，149(1-3): 486-492.

［8］ Bhattacharyya S，Ghosh A，Mallik A K.Cathode shape prediction in electrochemical machining using a simulated cut-and-try procedure［J］.Journal of Materials Processing Technology，1997，66(1-3): 146-152.

［9］ 孫春華，朱荻，李志永.基于正問題數(shù)值求解模擬“試驗(yàn)修整”的電解加工陰極設(shè)計(jì)［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2004，(6):81-83.SUN Chun-hua，ZHU Di，LI Zhi-yong.ECM cathode design using numerival simulated cut-and-try［J］.Machinery Design ＆ Manufacture，2004，(6): 81-83.( in Chinese)