薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)平動電解磨削試驗(yàn)研究

王　峰　 趙建社　 干為民　 董志鵬

(1南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 南京 210016)(2常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室, 常州 213002)

薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)平動電解磨削試驗(yàn)研究

王峰1趙建社1干為民2董志鵬1

(1南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院, 南京 210016)(2常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室, 常州 213002)

摘要:為了提高薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工面余量分布的均勻性,改善表面質(zhì)量,提出了一種磨頭相對工件作圓平動的方法,并采用數(shù)值分析方法研究了加工間隙內(nèi)流場、電場的分布規(guī)律.數(shù)值分析結(jié)果表明,平動運(yùn)動消除了加工間隙內(nèi)的負(fù)壓區(qū)、空穴區(qū)和分股流,避免了加工面兩側(cè)的電場畸變.基于數(shù)值分析開展了工藝試驗(yàn),工藝試驗(yàn)結(jié)果表明,采用平動偏心距為0.1 mm,平動周期為6 s的優(yōu)化平動運(yùn)動參數(shù),加工面余量誤差可控制在5 μm以內(nèi),表面粗糙度Ra達(dá)到0.21 μm.

關(guān)鍵詞:電解磨削;平動運(yùn)動;數(shù)值分析;薄壁結(jié)構(gòu)

電解磨削是由電解作用和機(jī)械磨削作用相復(fù)合的加工方式,比電解加工的加工精度和表面質(zhì)量好,比機(jī)械磨削生產(chǎn)率高,且加工過程中磨頭和磨輪損耗較小,工件表面和內(nèi)壁無飛邊、毛刺,尤其適合加工不銹鋼、硬質(zhì)合金、鈦合金等難加工材料[1-2].

目前,電解磨削已經(jīng)應(yīng)用于整體葉輪葉片型面精加工、發(fā)動機(jī)葉片榫槽加工、精密微小孔擴(kuò)孔加工以及合金平面加工等[3].通過編程控制導(dǎo)電磨輪相對葉片型面展成運(yùn)動,對整體葉輪葉片型面進(jìn)行精加工,表面粗糙度Ra可達(dá)0.8～0.2μm,效率比手工拋光高19倍以上[4];葉片榫槽加工中,磨頭結(jié)構(gòu)、磨削力、加工電壓、主軸轉(zhuǎn)速等參數(shù)對電解磨削加工質(zhì)量影響較大,通過優(yōu)化工藝參數(shù)改善榫槽加工質(zhì)量,可顯著提高渦輪葉片和葉盤連接的可靠性[5];精密微小孔電解磨削,通過提高主軸轉(zhuǎn)速,匹配加工電壓與機(jī)械進(jìn)給速度,可穩(wěn)定加工出孔徑為0.6mm、孔形誤差為0.01mm、孔壁粗糙度Ra為0.21μm的微孔[6-7];鋁和三氧化二鋁復(fù)合金屬材料、硬質(zhì)合金材料平面電解磨削中,通過采用單因素分析法[8]、單因素自相關(guān)函數(shù)分析法[9]、正交試驗(yàn)法等[10]優(yōu)選電解磨削加工參數(shù),可顯著提高平面的加工質(zhì)量和加工效率.

總體而言,目前電解磨削主要為磨頭或磨輪周邊對工件材料進(jìn)行去除加工,而對采用成形磨頭端面平動進(jìn)行材料去除的研究還較少,小孔電解加工的平動運(yùn)動研究證實(shí),平動運(yùn)動能夠使電解液流場分布更為均勻,并且可消除加工間隙內(nèi)空穴和分離流等弊端[11].本文以某薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)工件表面加工為研究對象,采用數(shù)值分析方法研究磨頭相對工件平動運(yùn)動加工間隙內(nèi)流場、電場的分布規(guī)律,提高間隙內(nèi)流速、壓力分布的均勻性和電流密度分布的一致性;通過工藝試驗(yàn)分析有、無平動運(yùn)動對加工面余量分布和表面粗糙度分布的影響規(guī)律,對流場、電場的數(shù)值分析進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

1磨頭平動運(yùn)動的物理場分析

加工面分為內(nèi)環(huán)加工面和外環(huán)加工面,凸起的圓環(huán)形加強(qiáng)筋連接內(nèi)、外環(huán)加工面,內(nèi)、外環(huán)加工面的寬度均為1.8mm,加工部位最終余量僅為0.1mm.圖1為薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的工件表面,圖中，θ為檢測位置與起始位置的夾角.由于加工間隙內(nèi)包含流場、電場等物理場，故變化規(guī)律較為復(fù)雜,內(nèi)、外環(huán)同時加工時,難以保證各環(huán)加工面的加工精度.本文對加工間隙內(nèi)流場、電場分布進(jìn)行分析,通過分析流道內(nèi)的流體動力學(xué)作用和電場作用,研究薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)材料去除規(guī)律,并進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證.

圖1　某薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)工件表面

1.1加工間隙內(nèi)流場分布

圖2為薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工流道結(jié)構(gòu)示意圖.為分析平動運(yùn)動對加工間隙內(nèi)流場分布的影響,根據(jù)流體動力學(xué)理論,假設(shè)加工間隙內(nèi)電解液為理想狀態(tài)液體,不含氣泡、沉淀物;加工過程中由于間隙內(nèi)流程較短(僅為4mm),忽略電解液溫度變化造成的能量耗散,流動受質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程約束[12].流場數(shù)值計(jì)算采用基于Navier-Stokes方程的RNGκ-ε湍流模型,利用COMSOL軟件的流體動力學(xué)模塊對流道內(nèi)電解液流速和壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬.

圖2　薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工流道結(jié)構(gòu)示意圖

采用流場數(shù)值分析方法計(jì)算流道內(nèi)的流速和壓力分布,電解液進(jìn)口壓力為0.1MPa,出口處無背壓.圖3為磨頭相對工件無平動運(yùn)動流道內(nèi)的流場分布,對應(yīng)內(nèi)、外環(huán)加工面的磨頭寬度均為1.8mm,加工間隙內(nèi)電解液流經(jīng)磨頭內(nèi)側(cè)直角的垂直邊界時,流速發(fā)生劇烈變化,使得加工間隙內(nèi)不能夠及時充滿電解液,呈流速不等的分股流.在加工間隙內(nèi),沿電解液流程方向上的壓力呈下降趨勢,靠近工件外環(huán)進(jìn)液位置,此處電解液壓力僅為2kPa,極可能因小于該位置處的蒸汽壓力,導(dǎo)致空穴和氣泡的發(fā)生.

圖3　無平動運(yùn)動流道內(nèi)的流場分布

工件外環(huán)進(jìn)液位置處的空穴和氣泡阻礙了工件材料的正常溶解,進(jìn)而產(chǎn)生顯著的加工誤差,嚴(yán)重時甚至?xí)a(chǎn)生短路,損傷磨頭和工件.加工間隙內(nèi)沿流程方向上的分股流則會造成工件外環(huán)和內(nèi)環(huán)非均勻溶解,從而影響工件材料去除的一致性.

為了改善加工間隙內(nèi)的流場分布,采用磨頭與工件作微量平動的方法,平動運(yùn)動軌跡為磨頭與工件偏心距e=0.1mm的圓,平動周期T=6s,對應(yīng)內(nèi)、外環(huán)加工面的磨頭寬度均為1.6mm,電解液進(jìn)口壓力為0.1MPa,出口處無背壓,圖4和圖5分別為單個平動周期內(nèi)工件邊界上電解液流速和壓力分布隨時間t變化的歸一化曲線.圖中,L為工件邊界上的點(diǎn)到加工間隙中出液端的距離.

(a) 工件外環(huán)流速分布

(b) 工件內(nèi)環(huán)流速分布

(a) 工件外環(huán)壓力分布

(b) 工件內(nèi)環(huán)壓力分布

在整個周期內(nèi),工件邊界上沿流程方向電解液流速不斷變化,能夠有效改善工件內(nèi)環(huán)、外環(huán)邊界沿流程方向的流速持續(xù)下降的現(xiàn)象,而工件內(nèi)環(huán)靠近磨頭內(nèi)側(cè)直角的垂直邊界處的流速也不斷變化,這樣能夠避免流速不均的分股流動產(chǎn)生的流場突變.此外,平動使得工件外環(huán)邊界進(jìn)液位置的負(fù)壓區(qū)和空穴區(qū)不斷發(fā)生遷移,消除了溶解死區(qū),降低了該位置處的加工凸起.

1.2加工間隙內(nèi)電場分布

流道內(nèi)電解液流速、壓力分布的變化,導(dǎo)致流道內(nèi)電場分布的改變.假設(shè)流道內(nèi)電解液電導(dǎo)率不隨流程、溫升而變化,電解液各向同性,根據(jù)電化學(xué)陽極溶解理論與靜電場理論,則流道內(nèi)電位分布滿足拉普拉斯方程[13],設(shè)定工件的電位為10.5V,工件材料體積電化學(xué)當(dāng)量為0.002 1cm3/(A·min),電解液電導(dǎo)率為7.9S/m.電場數(shù)值計(jì)算采用COMSOL軟件的靜電場模塊,只需要知道任意時刻流道內(nèi)的電位分布,就可通過數(shù)值分析求解得到該時刻的電場強(qiáng)度和電流密度.

圖6為無平動運(yùn)動流道內(nèi)的電場分布,對應(yīng)內(nèi)、外環(huán)加工面的磨頭寬度均為1.8mm,在靠近磨頭內(nèi)側(cè)直角的垂直邊界處,工件的電流密度和電場強(qiáng)度均發(fā)生劇烈變化,導(dǎo)致該位置處材料溶解速度不均勻,形成顯著的加工誤差.此外,工件外環(huán)、內(nèi)環(huán)加工面兩側(cè)的電流密度均小于中間部位,工件外環(huán)、內(nèi)環(huán)兩側(cè)將形成顯著的加工凸起.

圖6　無平動運(yùn)動流道內(nèi)的電場分布

為了改善加工間隙內(nèi)電場分布,磨頭與工件作偏心距e=0.1mm、平動周期T=6s的圓平動,對應(yīng)內(nèi)、外環(huán)加工面的磨頭寬度均為1.6mm.圖7為單個平動周期內(nèi)工件邊界電流密度分布?xì)w一化曲線,在整個周期內(nèi),工件內(nèi)環(huán)、外環(huán)邊界兩側(cè)的電流密度均不斷變化,而中間部位的電流密度保持不變,增加平動運(yùn)動后工件內(nèi)環(huán)、外環(huán)邊界兩側(cè)低電流密度區(qū)域不斷遷移,工件邊界上電流密度更為均勻,能夠降低工件外環(huán)、內(nèi)環(huán)邊界兩側(cè)的加工凸起.

2工藝試驗(yàn)

為了驗(yàn)證薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)電解磨削的流場、電場數(shù)值分析的可靠性,開展工藝試驗(yàn)對數(shù)值分析結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證分析.采用青銅基金剛石燒結(jié)磨頭,通過機(jī)床工作臺的數(shù)控運(yùn)動實(shí)現(xiàn)磨頭與工件之間的圓平動運(yùn)動,實(shí)際試驗(yàn)時,機(jī)床XY向工作臺帶動工件作相對于磨頭的圓平動,Z向運(yùn)動軸及安裝于Z軸的電主軸帶動磨頭直線進(jìn)給，同時作高速轉(zhuǎn)動.圖8為電解磨削的加工試驗(yàn)系統(tǒng),為了實(shí)現(xiàn)電解磨削大電流旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電,在電主軸上部設(shè)置了自行研制的旋轉(zhuǎn)導(dǎo)電裝置和旋轉(zhuǎn)通液裝置,從而電解液可直接通過電主軸從磨頭中間出液孔進(jìn)入加工間隙內(nèi).

(a) 工件外環(huán)電流密度分布

(b) 工件內(nèi)環(huán)電流密度分布

圖8　電解磨削試驗(yàn)系統(tǒng)

試驗(yàn)采用的工件材料為不銹鐵,熱處理后硬度為580HV,電解液溶質(zhì)為硝酸鈉,工藝試驗(yàn)所采用的加工參數(shù)如表1所示.研究磨頭相對工件有、無平動和平動偏心距、平動周期對薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工面余量均勻性和表面粗糙度差異性的影響.

表1　電解磨削加工參數(shù)

3工藝試驗(yàn)及結(jié)果分析

3.1平動偏心距的影響

磨頭相對工件作平動時,為了避免磨頭側(cè)面與凸起的加強(qiáng)筋根部和工件側(cè)壁的接觸,以延長磨頭壽命,應(yīng)限制磨頭相對工件的平動偏心距,此外,磨頭磨削部分寬度太小,會降低磨頭的剛性,這也限制了平動偏心距的增加.為了研究偏心距對加工面余量誤差和表面粗糙度的影響,設(shè)定偏心距e分別為0.02,0.04,0.06,0.08,0.10,0.12mm,對應(yīng)工件內(nèi)、外環(huán)加工部位的磨頭寬度分別為1.76,1.72,1.68,1.64,1.60,1.56mm,平動周期T=6s.

圖9為工件內(nèi)、外環(huán)加工面余量誤差和表面粗糙度隨平動偏心距的變化規(guī)律.隨著偏心距的增加,余量誤差由5.8μm逐漸降低到3.7μm,表面粗糙度Ra也由0.32μm下降至0.2μm,平動偏心距超過0.1mm后,余量誤差和粗糙度變化較小.余量誤差和表面粗糙度的改善可歸結(jié)為,增加平動運(yùn)動偏心距,促進(jìn)了加工間隙內(nèi)電解和磨削產(chǎn)物的排出,加工間隙內(nèi)電解液電導(dǎo)率分布均勻,電解加工的整平作用顯著增強(qiáng),余量分布也更為均勻.此外,平動偏心距的增加降低了磨粒分布不均和磨粒等高性差對表面粗糙度的影響,加工面單位面積上作用的磨粒數(shù)增加,表面粗糙度也得到改善.

圖9　不同平動偏心距的余量誤差和表面粗糙度

3.2平動周期的影響

磨頭相對工件作平動運(yùn)動時,平動周期過短,磨粒對工件表面的徑向磨削力增大,磨粒易于磨損.為了研究平動周期對加工面余量誤差和表面粗糙度的影響,設(shè)定平動周期T分別為2,4,6,8,10s,平動偏心距e=0.1mm.

圖10為工件內(nèi)、外環(huán)加工面余量誤差和表面粗糙度隨平動周期的變化規(guī)律.隨著平動周期的增加,加工面余量誤差由3.2μm增加至4.8μm,而表面粗糙度呈先下降后上升趨勢.平動周期越短,單位時間內(nèi)加工面上作用的磨粒數(shù)目越多,磨削的整平作用越強(qiáng),余量分布均勻性也越好,但平動周期越短,磨頭相對工件的平動速度也越快,加工面的磨削塑性變形將增加,反而不利于表面粗糙度的改善.此外,平動速度越快,單位時間內(nèi)材料去除量增加,難以完全排出的電解產(chǎn)物和磨削產(chǎn)物極易堵塞磨頭,從而使工件加工面表面質(zhì)量惡化.

圖10　不同平動周期的余量誤差和表面粗糙度

綜合磨頭相對工件平動運(yùn)動的平動偏心距和平動周期的單因素試驗(yàn),當(dāng)平動偏心距e=0.1mm、平動周期T=6s時,加工面余量誤差可控制在4μm以內(nèi),表面粗糙度Ra可控制在0.3μm以內(nèi).選用平動偏心距e=0.1mm、平動周期T=6s的平動參數(shù),開展磨頭相對工件有、無平動運(yùn)動對加工余量和表面粗糙度影響的重復(fù)對比試驗(yàn).

3.3磨頭相對工件有、無平動對比

3.3.1加工余量的影響

圖11為分別重復(fù)試驗(yàn)10次的平動和無平動運(yùn)動工件加工部位的余量均值結(jié)果比較.

圖11　有、無平動加工余量均值結(jié)果對比

由圖可見,增加平動運(yùn)動后,重復(fù)試驗(yàn)工件內(nèi)環(huán)、外環(huán)沿周向和徑向的最大余量誤差僅為4μm,且單環(huán)的余量誤差可控制在3μm以內(nèi),加工余量均勻性好;而無平動運(yùn)動時,由于磨頭線速度差異和磨粒分布不均、等高性差等,內(nèi)環(huán)、外環(huán)的最大余量誤差為16μm,單環(huán)的余量誤差為10μm,加工余量分布呈現(xiàn)很大的分散性.加工余量均勻性的顯著提高可歸結(jié)為平動運(yùn)動使得加工間隙內(nèi)電解液流場和電場分布發(fā)生遷移,消除了加工面上分股流和電流密度分布不均勻造成的工件材料非均勻溶解,避免了工件內(nèi)、外環(huán)加工面兩側(cè)的電解液流速、壓力和電流密度劇烈波動而產(chǎn)生的加工凸起.此外,平動運(yùn)動改善了磨粒分布不均、等高性差等缺陷對加工余量的影響,單位面積上作用的磨粒數(shù)目增加,也有利于余量分布均勻性的提高.

3.3.2表面粗糙度的影響

圖12為分別重復(fù)試驗(yàn)10次的平動和無平動運(yùn)動工件加工面的表面粗糙度結(jié)果比較.由圖可見,增加平動運(yùn)動后,重復(fù)試驗(yàn)工件加工面表面粗糙度Ra均穩(wěn)定在0.2μm左右,而無平動運(yùn)動時,加工面表面粗糙度值分布呈現(xiàn)很大的分散性,重復(fù)加工10次,表面粗糙度誤差超過0.1μm.

圖12　有、無平動表面粗糙度結(jié)果對比

表面粗糙度分布差異性的顯著降低也可歸結(jié)為平動運(yùn)動對加工間隙內(nèi)流場和電場有顯著改善作用,加工間隙內(nèi)電解液流速較高且分布均勻,能夠顯著改善加工面的表面粗糙度.此外,平動運(yùn)動迫使加工間隙內(nèi)電場不斷遷移,顯著提高了加工表面電流密度分布的一致性,工件材料溶解速度也趨于相同,從而降低了加工表面形成的微觀幾何形狀凸凹不平,表面粗糙度顯著改善.

綜合上述磨頭相對工件作平動運(yùn)動時加工面的余量分布和表面粗糙度分布規(guī)律,與流場和電場數(shù)值分析的結(jié)果較為一致,即平動運(yùn)動能夠顯著提高加工間隙內(nèi)流場分布、電場分布的一致性,并增加加工面上作用的磨粒數(shù)目,從而使重復(fù)加工的加工面余量分布更為均勻,表面粗糙度值也更小.

3.4薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工

圖13為采用平動偏心距e=0.1mm、平動周期T=6s加工出的薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)加工面形貌和表面粗糙度,經(jīng)Mitutoyo高度尺測量,工件外環(huán)余量誤差為3μm,內(nèi)環(huán)余量誤差為4μm,整個加工面的余量分布在0.099～0.104mm的范圍內(nèi),加工面的表面粗糙度Ra為0.21μm.

圖13　薄壁回轉(zhuǎn)工件的加工面形貌

4結(jié)論

1) 為了提高薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)電解磨削余量分布均勻性,改善表面質(zhì)量,提出了磨頭相對工件作偏心圓平動的方法,采用數(shù)值分析方法研究了平動運(yùn)動對加工間隙內(nèi)電解液流場和電場的影響規(guī)律.

2) 電解磨削工藝試驗(yàn)結(jié)果表明:相較于無平動運(yùn)動,磨頭相對工件的偏心平動能夠顯著改善加工面余量分布不均勻性和表面粗糙度差異性.

3) 綜合平動運(yùn)動加工間隙內(nèi)的電解液流場和電場的數(shù)值分析,以及電解磨削工藝試驗(yàn)驗(yàn)證,數(shù)值分析與工藝試驗(yàn)結(jié)果一致,即平動運(yùn)動顯著改善了加工間隙內(nèi)電解液流速、壓力和電流密度分布的一致性,進(jìn)而提高了加工面的余量分布和表面粗糙度分布的均勻性.

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Experimentalstudyonelectrochemicalgrindingofthin-wallrevolutionstructurewithcirculartranslationalmoving

WangFeng1ZhaoJianshe1GanWeimin2DongZhipeng1

(1CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,NanjingUniversityofAeronauticsandAstronautics,Nanjing210016,China)(2DigitalECMBuildingLaboratoryofJiangsuProvince,ChangzhouInstituteofTechnology,Changzhou213002,China)

Abstract:To improve the uniformity of allowance distribution and the surface roughness of the machined surface in the thin-wall revolution structure, a method with grinding head circular translational moving relative to the workpiece was proposed, and the distributions of flow field and electric field in the machining gap were studied by numerical analysis. The numerical analysis results show that the negative pressure region, the cavitation region, and the split flow in the machining gap are eliminated by the circular translational moving, besides, the electric field distortions in both sides of the machined surface are avoided. Experiments are carried out based on the numerical analysis. The experimental results show that the machined surface allowance error of less than 5 μm, and the surface roughness of 0.21 μm can be obtained by adopting optimized circular translational moving parameters, i.e. translational eccentricity 0.1 mm, translational cycle 6 s.

Key words:electrochemical grinding; circular translational moving; numerical analysis; thin-wall structure

DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.009

收稿日期:2015-07-30.

作者簡介:王峰(1987—),男,博士生;趙建社(聯(lián)系人), 男,博士,副教授,zhaojs@nuaa.edu.cn.

基金項(xiàng)目:“十二五”總裝預(yù)研資助項(xiàng)目(51318030403)、航空科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011ZE52055)、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(NS2014052)、江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室(常州工學(xué)院)開放基金資助項(xiàng)目(KFJJ2014002).

中圖分類號:TG662

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

文章編號:1001-0505(2016)02-0277-06

引用本文: 王峰,趙建社,干為民,等.薄壁回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)平動電解磨削試驗(yàn)研究[J].東南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2016,46(2):277-282.DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.02.009.