聚磁提高復(fù)雜型腔電解加工精度的研究

唐 霖,郭永豐

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,陜西西安710032)

大型工業(yè)設(shè)備、武器裝備、航空航天、航海等領(lǐng)域的產(chǎn)品都朝著輕量化、高性能和高可靠性的方向發(fā)展,越來(lái)越多的整體構(gòu)件被廣泛使用,并已成為一種趨勢(shì)。整體構(gòu)件異形型腔在航空、航天、輪船、航母中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,是因?yàn)檎w構(gòu)件省去了零部件之間的連接,不但結(jié)構(gòu)緊湊、強(qiáng)度高、重量輕、可靠性好,而且能大大減少零件連接處的泄漏逸流損失,提高產(chǎn)品的綜合性能。整體構(gòu)件的材料多為耐熱合金、鈦合金、高溫合金、特種不銹鋼等,分布幾個(gè)甚至幾十個(gè)形狀復(fù)雜的型腔、型槽?？紤]到刀具可達(dá)性及刀具的成本,采用數(shù)控銑削的方法加工復(fù)雜型腔較困難,采用數(shù)控電火花加工又效率較低。而電解加工技術(shù)具有高效、高表面質(zhì)量及無(wú)應(yīng)力、陰極不損耗的優(yōu)點(diǎn),使其成為制造業(yè)中重要的加工手段,其離子蝕除的原理使其具有精密加工的潛質(zhì)。但由于影響電解加工的因素較多且復(fù)雜,為提高加工精度,國(guó)內(nèi)外學(xué)者從計(jì)算機(jī)模擬仿真、計(jì)算機(jī)輔助陰極設(shè)計(jì)、機(jī)床、電源、工藝試驗(yàn)、優(yōu)化加工參數(shù)及檢測(cè)等方面進(jìn)行了不懈努力,取得了許多進(jìn)展。朱荻等提出采用雙電極的方法提高電解加工的精度[1]。Klocke等通過(guò)采用電解加工的方法加工鎳基高溫合金,降低加工成本[2]。孫春華等基于Laplace方程通過(guò)有限元的方法求解間隙電位分布,將等位線與陽(yáng)極邊界的偏差映射到陰極,實(shí)現(xiàn)修正陰極邊界的目的[3]。通過(guò)有限元法等數(shù)值解法,Purcar等采用邊界元法將電極邊界的結(jié)點(diǎn)沿法向迭代,在計(jì)算機(jī)上模擬得到E字形工件[4-5]。此外,調(diào)節(jié)電解加工的加工參數(shù)[6]、采用超聲振動(dòng)輔助電解加工[7]及參數(shù)優(yōu)化[8]的方法都能提高電解加工的復(fù)制精度。電解加工計(jì)算機(jī)三維流場(chǎng)仿真、數(shù)控技術(shù)及加工過(guò)程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)加工間隙等方法,均在一定程度上提高了電解加工的精度[9-11]。范植堅(jiān)等采用磁場(chǎng)輔助電解加工的方法來(lái)提高電解加工的精度和減少電解液對(duì)工件的雜散腐蝕:當(dāng)磁力線與電解液流向正交時(shí),能改善流場(chǎng),提高工件的表面粗糙度;當(dāng)磁力線與電場(chǎng)方向正交時(shí),能有效減少雜散腐蝕[12-17];同時(shí),采用整體陰極對(duì)多工位復(fù)雜型腔進(jìn)行了cosθ法陰極設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究[18-20]。研究人員還將磁場(chǎng)應(yīng)用到電化學(xué)拋光和光整加工中,取得了滿意的效果[21-26]。

本文基于磁場(chǎng)和電場(chǎng)相互作用改變電解液中離子運(yùn)動(dòng)軌跡的原理,進(jìn)行了聚磁磁場(chǎng)輔助電解加工仿真研究。采用等間隙縮放設(shè)計(jì)的整體陰極,選擇合適的電解加工參數(shù),提出采用聚磁技術(shù)減小雜散腐蝕,提高電解加工成形精度,在電解加工夾具上設(shè)計(jì)聚磁磁路,并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 七工位復(fù)雜型腔電解加工裝置設(shè)計(jì)

針對(duì)某發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜型腔零件的難加工問(wèn)題,設(shè)計(jì)七工位同時(shí)加工的電解加工裝置,零件材料為4Cr2NiMoVSi,其成分見表1。

加工對(duì)象見圖1。7個(gè)復(fù)雜形狀的型腔均勻分布,每個(gè)型腔C-C剖面為半徑2 mm的半圓,沿B-B方向的2個(gè)母線間的夾角為5°的相貫柱面,型面復(fù)雜且要求兩個(gè)相貫的曲面平滑過(guò)渡。

一般電解加工的陰極是通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)、多次修正才得到合格的尺寸,需較長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期,耗費(fèi)很多人力、物力。鑒于磁場(chǎng)有提高電解加工精度的作用,本文試圖在此基礎(chǔ)上對(duì)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)作進(jìn)一步的挖掘和探討,以縮短陰極研制周期。針對(duì)七工位復(fù)雜型腔設(shè)計(jì)了鑲嵌聚磁磁路的電解加工裝置,陰極采用等間隙縮小的方法設(shè)計(jì)制造。單邊加工間隙設(shè)定為0.1 mm,陰極材料為黃銅,陰極形狀見圖2。

表1 4Cr2NiMoVSi材料的成分

圖1 加工對(duì)象設(shè)計(jì)圖

圖2 七工位電解加工等間隙設(shè)計(jì)陰極

為保證槽底平整,電解液采取側(cè)向供液方式。為使流場(chǎng)均勻,設(shè)計(jì)了導(dǎo)向板(圖3),其作用是定位、導(dǎo)電、絕緣、均勻分配電解液。導(dǎo)向板的中心孔和底面作為加工工件的定位面,7個(gè)通槽是陰極加工時(shí)向下進(jìn)給的導(dǎo)向孔。導(dǎo)向板由夾布膠木層和金屬層組成,電解液從引導(dǎo)管進(jìn)入導(dǎo)向板中心孔,分配到導(dǎo)向板上的7組49個(gè)小孔,分別通過(guò)7個(gè)導(dǎo)流段注入各自的加工間隙,再由7個(gè)通槽外側(cè)挖低的溢流槽流出,溢流槽深度及形狀由實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。

圖3 導(dǎo)向板設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)七工位復(fù)雜型腔同時(shí)加工,電解加工裝置除了考慮裝卡、定位、導(dǎo)電、絕緣、密封外,還要考慮多槽流場(chǎng)問(wèn)題。整個(gè)電解加工裝置設(shè)計(jì)見圖4。

圖4 電解加工裝置設(shè)計(jì)

2 聚磁磁路設(shè)計(jì)原理

采用聚磁磁路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),使磁路的氣隙磁場(chǎng)落到加工間隙上,覆蓋加工間隙,按切割流線的方向設(shè)計(jì)磁場(chǎng)消除束流[12]。磁場(chǎng)設(shè)計(jì)包括選擇磁源,設(shè)計(jì)磁體尺寸和幾何形狀,確定磁化強(qiáng)度及其在電解加工裝置中的排布,使加工間隙獲得足夠強(qiáng)度和所需方向的磁場(chǎng)。永磁體是具有巨大磁滯的材料,充磁后不再需要外加電源,體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、對(duì)密封絕緣沒(méi)有苛刻要求。聚磁磁路的原理是在側(cè)面加上永磁體,氣隙磁密將顯著增加,其原理見圖5。

通過(guò)合理設(shè)計(jì),使間隙具有磁場(chǎng),加工過(guò)程中有效改變電解液中離子的流向。為了把盡可能多的磁通量匯聚到工作氣隙中,只有依靠高矯頑力的永磁體。它的磁力線不僅可進(jìn)入工作氣隙,而且能使其他永磁體的磁力受到一定約束,更多地進(jìn)入工作間隙。聚磁磁路的夾具設(shè)計(jì)見圖6。

圖5 聚磁磁路原理圖

圖6 聚磁磁路夾具設(shè)計(jì)

具有高矯頑力Hc、高剩磁Br的稀土鈷(Rco5)永磁體提供了允許較大氣隙長(zhǎng)度和氣隙磁密度的可能性,其線性退磁曲線的優(yōu)異性能為磁路設(shè)計(jì)帶來(lái)很大的靈活性,同時(shí)在大氣隙時(shí),中心磁體以高 Hc的稀土鈷永磁體為好。故選擇稀土鈷磁體作為中心磁源,側(cè)邊采用低 Br、高 Hc的鐵氧體(Ferrite)作為輔助磁源。確定中心磁源稀土鈷磁體的尺寸為5 mm×3 mm×10 mm,側(cè)面的鐵氧體尺寸為3 mm×2 mm×10 mm,均勻分布。采用聚磁磁路的磁感應(yīng)強(qiáng)度為0.91 T。

3 磁場(chǎng)仿真分析

電解加工過(guò)程非常復(fù)雜,常常伴隨著電場(chǎng)、磁場(chǎng)、流場(chǎng)、溫度場(chǎng)、電化學(xué)反應(yīng)的發(fā)生。為求方便,本文主要研究磁場(chǎng)設(shè)計(jì)對(duì)電解加工的影響。在電解加工裝置中添加磁體,磁體周圍的磁感應(yīng)強(qiáng)度B可通過(guò)矢量磁位U計(jì)算,則:

引入Maxwell方程的微分式,對(duì)標(biāo)量 U求解,對(duì)于單塊磁體的磁場(chǎng),取距磁體足夠遠(yuǎn)處為邊界,則邊界上Um=0。

式中:Ω為求解區(qū)域;L1為永磁體與其他介質(zhì)的分界線;L2為其他不同介質(zhì)之間的分界線;M為永磁體的磁化矢量;N為永磁體表面外法線單位矢量;μ為磁導(dǎo)率。

對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,離散后各不同單元的磁場(chǎng)強(qiáng)度B不同,為減少離散誤差,網(wǎng)格剖分應(yīng)足夠細(xì)。Comsol提供了各種類別的單元,按照?qǐng)D5所示排布磁體的方案,對(duì)聚磁磁場(chǎng)進(jìn)行網(wǎng)格剖分,為了提高計(jì)算精度,對(duì)加工間隙的磁場(chǎng)進(jìn)一步細(xì)化(圖7)。

圖7 聚磁磁場(chǎng)加工網(wǎng)格劃分

對(duì)圖7所示的磁場(chǎng)分布的求解結(jié)果見圖8。當(dāng)采用聚磁磁路,加工間隙中最大磁感應(yīng)強(qiáng)度為1.47 T。

圖8 聚磁磁場(chǎng)仿真結(jié)果

4 實(shí)驗(yàn)分析

加工裝置、陰極結(jié)構(gòu)及磁路設(shè)計(jì)的合理與否要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)比較驗(yàn)證。在電解加工機(jī)床上加工4C-r2NiMoVSi材料的復(fù)雜型腔,整個(gè)裝置見圖9。加工參數(shù)為:電解加工電壓 14 V,電解液壓力 0.9 MPa,NaNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%;液溫32℃;陰極進(jìn)給速度0.9 mm/min;初始加工間隙0.2mm。在上述加工條件下分別進(jìn)行不加磁場(chǎng)及嵌入聚磁磁場(chǎng)2種方式的實(shí)驗(yàn),加工后的工件見圖10。

用表面粗糙度儀測(cè)得未加磁場(chǎng)的工件表面粗糙度為Ra0.3 μm,聚磁輔助電解加工后的工件表面粗糙度為Ra0.16 μm,采用聚磁磁路較不加磁場(chǎng)的表面粗糙度提高了46.7%。

圖9 電解加工裝置

圖10 加工工件

用電火花線切割機(jī)床將工件沿C-C方向切割出2 mm的薄片,在三坐標(biāo)測(cè)量?jī)x下進(jìn)行測(cè)量,將測(cè)量值與設(shè)計(jì)值進(jìn)行比較,結(jié)果表明:采用等間隙縮小設(shè)計(jì)的陰極,在合理的電解加工參數(shù)下,添加聚磁磁場(chǎng)能提高電解加工的成形精度。采用聚磁磁路較不加磁場(chǎng)的成形精度提高33.3%。

圖11 實(shí)驗(yàn)值與理論值的比較

從圖10可看出,不加磁場(chǎng)時(shí),由于加工間隙較大,電解加工復(fù)制精度不高,不能滿足設(shè)計(jì)要求;而采用聚磁磁場(chǎng)的成形復(fù)制精度高。其原因從微觀看,可通過(guò)磁場(chǎng)對(duì)電場(chǎng)中的帶電粒子、電解液的物理化學(xué)性質(zhì)、電解過(guò)程的影響來(lái)解釋。在切割流線的方向添加磁場(chǎng),洛侖茲力的作用有利于成股的束流展開;磁場(chǎng)可減小溶液的粘度,使傳質(zhì)速度提高,有利于電解產(chǎn)物及時(shí)排出;磁場(chǎng)提供了額外的電極極化能量,使反應(yīng)粒子從低能級(jí)激發(fā)到高能級(jí)的幾率增高,加快了電極過(guò)程的傳質(zhì)步驟,在磁場(chǎng)作用水分子之間的氫鍵會(huì)產(chǎn)生彎曲,使相鄰水分子中心線與這些分子中的一個(gè)O-H鍵方向的夾角變化,從而使水的性質(zhì)發(fā)生變化,減小了氣泡沿程的變化率,使加工間隙中的電導(dǎo)率趨于均勻,從而使型面各處加工間隙趨于均勻,有利于提高復(fù)制精度和表面粗糙度[20]。宏觀上則表現(xiàn)為減少電解加工雜散腐蝕、減輕流紋,從而使電解加工精度得到提高。

本文研究的在夾具體上添加聚磁磁路的方法,是在不影響工件成形精度的基礎(chǔ)上,減少陰極設(shè)計(jì)周期和降低成本的一條有效途徑。但要形成一套完整和成熟的磁場(chǎng)設(shè)計(jì)方法,還必須從機(jī)理和技術(shù)上進(jìn)行進(jìn)一步系統(tǒng)的研究。在磁場(chǎng)復(fù)合電解加工的研究取得工藝效果的基礎(chǔ)上開展聚磁電解加工技術(shù)研究,必將加快電解加工向精密加工方向發(fā)展的速度。

5 結(jié)論

(1)為解決多工位復(fù)雜形狀型槽成形難的問(wèn)題,設(shè)計(jì)了一套能實(shí)現(xiàn)多工位同時(shí)加工的電解加工裝置,進(jìn)行多工位復(fù)雜型腔同時(shí)電解加工,提高了加工效率,降低了成本。

(2)采用聚磁輔助電解加工技術(shù)可有效減輕雜散腐蝕,改善流場(chǎng),較不加磁場(chǎng)成形精度提高33.3%,表面粗糙度值達(dá) Ra0.16 μm,降低 46.7%。在誤差允許范圍之內(nèi),采用聚磁磁路設(shè)計(jì)加工的工件滿足尺寸設(shè)計(jì)要求。

(3)表面粗糙度和復(fù)制精度均顯著提高的原因之一,是聚磁磁場(chǎng)對(duì)帶電粒子和電解液理化性質(zhì)的影響更明顯。在切割流線的方向上加聚磁磁場(chǎng),洛侖茲力的作用更有利于成股的束流展開,是改善流場(chǎng)的主要原因。

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