鈦合金方孔電解加工多物理場耦合研究*

何亞峰　盧文壯　干為民

(1.南京航空航天大學 機電學院, 江蘇 南京 210016; 2.江蘇省數(shù)字化電化學加工重點實驗室, 江蘇 常州 213002;3.常州工學院 機械與車輛工程學院, 江蘇 常州 213002)

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鈦合金方孔電解加工多物理場耦合研究*

何亞峰1,2盧文壯1?干為民2,3

(1.南京航空航天大學 機電學院, 江蘇 南京 210016; 2.江蘇省數(shù)字化電化學加工重點實驗室, 江蘇 常州 213002;3.常州工學院 機械與車輛工程學院, 江蘇 常州 213002)

摘要:為進一步提高電解加工的質(zhì)量和精度,以鈦合金方孔電解加工為對象,充分考慮了電解加工中電場、流場和溫度場的相互影響關(guān)系,建立了鈦合金方孔電解加工多物理場耦合模型,通過數(shù)值計算得到了多物理場耦合電解加工電位、深度、流速、氣泡率和溫度梯度的分布,探討了各物理量隨加工時間的變化規(guī)律,并開展了鈦合金方孔電解加工試驗,研究了不同的電解液入口壓力對加工質(zhì)量的影響規(guī)律.試驗結(jié)果表明:電解加工是電場、流場和溫度場相互耦合的過程;相同條件下不同加工時間的方孔輪廓實測值與理論計算值吻合得較好;隨著加工時間的遞增,加工的深度和錐角在變大,加工區(qū)域的流速降低、氣泡率增加和溫度梯度增大.

關(guān)鍵詞：電解加工;方孔;鈦合金;多物理場耦合;氣液兩相流

鈦合金Ti6Al4V是一種α+β兩相材料,經(jīng)熱處理后強度高、塑性良好,已廣泛應用在航空、航天領(lǐng)域中.由于鈦合金變形系數(shù)小,切削加工容易出現(xiàn)切削溫度高、切削呈擠裂狀及嚴重的粘刀現(xiàn)象,刀具磨損快,加工表面易生成硬脆變質(zhì)層和損傷,從而嚴重影響鈦合金的使用性能.而電解加工具有工具無損耗、不受材料限制、不產(chǎn)生殘余應力和加工表面質(zhì)量好等優(yōu)點,為鈦合金加工提供了一種有效的加工方式.多年來國內(nèi)外學者對鈦合金電解加工進行了大量的研究,取得了重要的成果.房曉龍等[1]研究了電極內(nèi)孔結(jié)構(gòu)對鈦合金方孔電解加工的影響,發(fā)現(xiàn)采用圓形內(nèi)孔電極加工時流場比方形內(nèi)孔要均勻.王維等[2- 3]采用管電極進行了難加工材料電解加工陣列群孔的若干關(guān)鍵技術(shù)研究,得到了優(yōu)化的工藝參數(shù).王福元[4]進行了整體葉輪葉片型面數(shù)控電解精加工的若干關(guān)鍵技術(shù)研究,提出了分步分區(qū)方法.Rajurkar等[5]對近年來電解加工和電火花加工研究成果進行了綜述,列舉了大量的電解加工研究成果.Ghoshal等[6]采用振動進給電解加工進行織構(gòu)孔研究.Li等[7]采用電解加工方法對噴油嘴錐孔進行加工,得到了加工參數(shù)之間的影響關(guān)系.然而,電解加工是電場、流場和溫度場相互作用、相互耦合的過程,其機理非常復雜,在實驗中不容易觀測到多物理場耦合的變化情況,在加工中容易出現(xiàn)定域性不容易控制、加工精度不高等問題.為了深入研究電解加工規(guī)律,王明環(huán)等[8]對螺旋孔電解加工多物理場耦合機理進行了研究,建立了多相流三維模型;Klocke等[9]建立了航空發(fā)動機零件材料去除過程模型,研究了加工參數(shù)對材料去除的影響;Deconinck等[10]對電解加工中金屬離子的變化過程進行了研究;Zhu等[11]建立了電解加工反流式鉆孔流場模型,開展了相關(guān)試驗,得到了高質(zhì)量和效率的加工件;Ghoshal等[12]建立了微槽電解加工模型,通過優(yōu)化工藝得到了較小的加工錐角;Hinduja等[13]開展了電解加工耦合場模型研究.

為了進一步提高電解加工質(zhì)量和精度,文中以鈦合金方孔電解加工為對象,綜合考慮電解加工中電場、流場和溫度場在耦合邊界上的傳遞關(guān)系,采用數(shù)值計算方法研究加工間隙中電場、氣液兩相流、溫度場相互耦合隨著加工時間的變化規(guī)律,并開展相關(guān)試驗進行驗證.

1方孔電解加工多物理場耦合模型

1.1鈦合金方孔電解加工計算模型

根據(jù)鈦合金方孔結(jié)構(gòu)特點建立的計算模型示意圖如圖1所示.假定每個截面的耦合場情況基本相同,則鈦合金方孔電解加工縱剖面和橫剖面的計算結(jié)果可以做二維簡化處理,電解液在工具電極與工件(陽極)形成的加工間隙中高速流動,在外加電場作用下工件發(fā)生電化學反應溶解,工具電極析出氫氣,隨著工具電極以va速度向工件運動,電解加工進一步進行,直到完成最終的加工.數(shù)值計算中以加工間隙流體為對象,為了減小計算工作量,不建立工具電極和工件的實體模型,在耦合場計算時做邊界處理.

圖1　方孔電解加工計算模型示意圖

Fig.1Sketch map of electrochemical machining calculation model of a square role

1.2方孔電解加工間隙多物理場耦合理論模型

1.2.1電解加工間隙氣液兩相流模型

電解加工間隙存在氣、液、固三相混合流,由于電解產(chǎn)物所占的體積比很小,可以忽略其對電解液電導率及密度的影響,因而將加工間隙中流場簡化近似看作氣液兩相流動.為了研究氣液兩相流的運動規(guī)律,假定氣體密度相對于液體密度可以忽略,氣泡相對液體運動取決于黏度張力和壓力的平衡,氣液兩相處于同一壓力場,則氣液兩相流電解加工動量控制方程為

[ul+(

(1)

氣液兩相流連續(xù)性方程為

(2)

氣相轉(zhuǎn)移控制方程為

(3)

假設(shè)氣泡流中的氣泡可以變大或變小,但不可以完全消失,則質(zhì)量轉(zhuǎn)移方程為

(4)

由于電解加工時加工間隙非常小,間隙流速高,根據(jù)雷諾數(shù)判斷為湍流k-ε模型,即

(5)

1.2.2電解加工間隙電場與流場的耦合

根據(jù)電流守恒方程,電解加工間隙電場有

(6)

式中,Q為電量,ε0為真空介電常數(shù),εr為相對介電常數(shù),i為電流密度,U為陽極表面的電位值,σ0為不產(chǎn)生氣泡時電解液的電導率,σ為電解液電導率.

加工間隙中氣液兩相流的流動特性造成了間隙中各處的電導率不同,而電導率的變化主要受氣泡率和電解液溫度的影響.一般來說,氣泡率指單位時間內(nèi)流過每一流通截面的氣相介質(zhì)所占兩相流體總體積的比例,氣泡率越大,電導率越小.為了簡化問題,文中不考慮溫度對電導率的影響,只研究電解間隙流場流動對電場電導率的影響.設(shè)電解液流動方向任意位置x的氣泡率為βx,則βx對電解液電導率σ的影響為[14]

σ=2σ0(1-βx)/(2+βx)

(7)

根據(jù)氣泡率的定義有

βx=φg(x)

(8)

將式(7)和(8)代入式(6),可得到電解加工間隙電場和流場的耦合為

(9)

1.2.3電解加工間隙溫度場與電場、流場的耦合

電解加工過程中鈦合金方孔受到電場和流體粘性阻力的相互作用,其溫度場控制方程為

(10)

式中，ρ=ρlφl+ρgφg，Cp=Clφl+Cgφg,Cp為氣液混合比熱熔,Cl為液體比熱熔,Cg為氣體比熱熔,熱量H=iE.

將式(6)代入式(10),可得到電解加工間隙溫度場與電場、流場的耦合為

(2U2

(11)

電解液經(jīng)過加工間隙的溫升ΔT為

(12)

1.2.4工件(陽極)的溶解速度

根據(jù)法拉第定律,工件(陽極)的溶解速度為

va=ηωi

(13)

式中,ω為元素的體積電化學當量,η為電流效率.

將式(6)-(8)代入式(13),可得到工件(陽極)的溶解速度方程:

(14)

1.2.5電解加工的質(zhì)量傳遞式

電解加工過程中多物理場耦合相互作用和影響,從而使陰極析出氫氣,陽極去除材料,其質(zhì)量傳遞式為

(15)

式中,nθ為電解反應濃度,Dθ為電解反應擴散系數(shù),zθ為參與反應電荷數(shù)量,μm,j為離子移動量,F為法拉第常數(shù),Rθ為電極表面分子流動通量.

2鈦合金方孔電解加工的多物理場耦合計算

2.1物理場的耦合計算參數(shù)

加工間隙為0.2 mm,工具電極進給速度為0.8 mm/min,脈沖平均電壓為18 V,電解液為10%(質(zhì)量分數(shù),下同)NaNO3與10%NaCl的混合溶液,在20 ℃下忽略氣泡對電解液的影響,則電導率為11.61 S/m,氫氣的密度和比熱熔分別為0.09 kg/m3、909 J/(kg·K),工件(陽極)材料為鈦合金Ti6Al4V,加工時間為60 s.

2.2多物理場的耦合計算結(jié)果

2.2.1電解加工電位及深度分布

在電解加工過程中,電場和流場相互耦合,工具電極析出的氫氣降低了溶液的電導率,電導率的變化引起了電場分布的變化,電場的變化導致了加工間隙的變化,從而影響加工成型的變化,出現(xiàn)加工錐度和加工精度不容易控制等問題.圖2為數(shù)值計算的鈦合金方孔電解加工的電位及深度分布,從圖中可以看出:方孔4個棱角的電位較大;加工深度曲線的變化趨勢基本相同,隨著加工時間tm的延長,加工深度隨之增大,加工底部的寬度在變小,側(cè)壁錐角隨之變大,這從機理上反映了錐角的形成過程,錐角的變化直接影響著成型的加工精度,需要從改善工藝方法上去減小錐度.

圖2　電解加工的電位及深度分布

2.2.2流速分布

電解加工間隙流場和電場的相互耦合作用直接影響工件(陽極)的溶解速度場,而溶解速度場也影響著加工間隙的分布,電解液流動的變化情況關(guān)系著溶解產(chǎn)物的排出和流場的穩(wěn)定,流速的變化直接影響著電解加工過程.為了能夠?qū)⒐ぜ?陽極)的溶解產(chǎn)物及時排出,加工中采取比較大的電解液入口壓力,根據(jù)雷諾數(shù)判斷加工間隙的流場處于湍流狀態(tài).圖3為鈦合金方孔電解加工的間隙流速分布,從圖中可以看出:加工間隙的流速分布不均勻,在加工間隙的入口和出口,電解液流速較大,加工間隙區(qū)域內(nèi)的電解液流速呈曲線分布趨勢;隨著加工時間的延長,加工間隙出口的電解液流速在降低,這是由于隨著電解加工的進行,工件(陽極)產(chǎn)生了大量的溶解產(chǎn)物,這些產(chǎn)物在加工間隙有阻止電解液流動的趨勢,也影響著加工區(qū)域流場的穩(wěn)定性,若電解產(chǎn)物沒有及時排出,將導致溶液的電導率下降,加工區(qū)域阻塞使電解加工中斷,因而采取較大的電解入口壓力有利于電解產(chǎn)物的排除和流場的穩(wěn)定.

圖3　電解加工的流速分布

2.2.3氣泡率分布

在電解加工過程中,工件(陽極)會發(fā)生溶解.為了維持電化學反應體系的平衡,在工具電極上析出大量的氫氣,在一定的加工條件下有可能也會產(chǎn)生氯氣、氧氣等,析出的氣體以微小氣泡形式均勻混合在流過加工間隙的電解液中,形成氣液兩相流[15],影響著電解液的電導率,其電導率隨著氣泡率(體積分數(shù))的增加而降低,加工間隙中的氣體一部分隨著電解液的作用力而發(fā)生破滅,另一部分隨著電解液的流動被帶到加工間隙出口.圖4為數(shù)值計算的鈦合金方孔電解加工氣泡率分布.從圖中可以看出:加工間隙區(qū)域內(nèi)的氣泡率較低,加工間隙出口處的氣泡率較高,從加工間隙入口到出口,氣體氣泡率呈拋物線分布,隨著加工時間的延長,電解加工過程產(chǎn)生的氣體在增加,氣泡率所占比例增大.

圖4　氣泡率分布

2.2.4溫度梯度分布

電解加工中加工電流通過電解液產(chǎn)生了焦耳熱,同時由于電解液本身的粘性阻力也會產(chǎn)生熱量,這樣會導致電解液溫度上升,若溫度過高,則局部電解液可能沸騰、蒸發(fā),導致局部可能出現(xiàn)空穴現(xiàn)象,使該處加工停止,因而在加工過程中需要對電解液溫度進行控制.圖5為鈦合金方孔電解加工的溫度梯度分布,溫度梯度是衡量該區(qū)域溫度的變化程度,從圖中可以看出:從加工間隙入口到加工間隙出口,電解液的溫度梯度在增大和減小之間交替變化,總體呈上升趨勢;隨著加工時間的延長,溫度梯度分布趨勢基本相同,溫度梯度增大.

圖5　電解加工的溫度梯度分布

Fig.5Distribution of temperature gradient during electroche-mical machining

3鈦合金方孔電解加工試驗

為驗證鈦合金方孔電解加工耦合場數(shù)值計算模型,在電解加工機床上開展了工藝試驗研究,圖6為鈦合金方孔電解加工試驗系統(tǒng)示意圖,該系統(tǒng)主要包括機床主體、電解液循環(huán)系統(tǒng)、脈沖電源等.試驗所用的工具電極方形尺寸4.5 mm×4.5 mm,工具電極電解液通道為圓形通道(直徑為1 mm),試驗前工具電極外表面采用環(huán)氧樹脂絕緣處理;試驗工件經(jīng)鈦合金Ti6Al4V板材線切割而成,工件尺寸為50 mm×50 mm×3 mm,對工件材料表面進行噴砂清洗去除氧化皮,用金相砂紙進行研磨拋光,在進行電解加工之前用丙酮清洗.電解液為10%NaNO3+10%NaCl的混合溶液,工作溫度為(20±0.5)℃,脈沖加工平均電壓為18 V,工具電極進給速度為0.8 mm/min.

圖6　鈦合金方孔電解加工試驗系統(tǒng)示意圖

Fig.6Schematic diagram of electrochemical machining test system of square holes in titanium alloys

電解加工是電場、流場和溫度場相互耦合的過程,流場的穩(wěn)定性影響著電場和溫度場,在加工過程中電解液流過工具電極和工件(陽極)形成的加工間隙中,流動的電解液一方面排出間隙中電解產(chǎn)物和所產(chǎn)生的熱量,另一方面維持著電解加工體系的平衡,而間隙入口的電解液壓力是保證流場穩(wěn)定的重要條件.在脈沖加工平均電壓為18 V、工具電極進給速度為0.8 mm/min、加工間隙為0.2 mm的試驗條件下,鈦合金方孔電解加工試驗結(jié)果如圖7所示.從圖7(a)可知,由于試驗中電解液入口壓力較低,電解液流速相對較慢,故其移除產(chǎn)物和熱量的能力下降,使得電解液電導率下降,從而極間電流密度下降,間隙內(nèi)流阻增大,加工失去平衡,導致加工區(qū)出現(xiàn)嚴重短路,加工區(qū)域內(nèi)的鈦合金表面出現(xiàn)部分脫落,加工質(zhì)量出現(xiàn)缺陷.從圖7(b)可以看出,隨著電解液入口壓力的增大,電解液流速增加,短路現(xiàn)象有所改善,部分加工產(chǎn)物沒有及時排出.從圖7(c)可以看出,電解加工區(qū)域內(nèi)的鈦合金表面質(zhì)量好,方坑底部加工均勻,這是由于高的電解液入口壓力可以及時將電解產(chǎn)物和氣體排出,流場穩(wěn)定維持著高的電流密度,保證了加工平衡.因而在電解加工中應重點考慮電解液入口壓力問題.

4方孔電解加工試驗與數(shù)值計算討論

在脈沖加工平均電壓為18 V、工具電極進給速度為0.8 mm/min、加工間隙為0.2 mm、電解液入口壓力為0.5 MPa的試驗條件下,圖7(c)鈦合金方孔試樣的形貌和剖面如圖8所示.從圖8(a)可知,方孔底部表面加工均勻,方孔加工形狀尺寸較好;從圖8(c)可知,鈦合金方孔在加工50、60 s后的加工深度、輪廓的理論數(shù)值計算和實際加工實測值基本吻合,驗證了鈦合金方孔電解加工耦合場模型的正確性,可為指導實際生產(chǎn)提供一定的依據(jù)和參考.

圖8　鈦合金方孔電解加工的形貌與剖面

Fig.8Morphology and profile of electrochemical machining of square holes in titanium alloys

5結(jié)論

文中建立了鈦合金方孔電解加工的多物理場耦合模型,通過數(shù)值計算得到了耦合場各場量隨時間的變化規(guī)律,開展了加工參數(shù)對加工精度和穩(wěn)定性影響的試驗,得到如下結(jié)論:①電解加工是電場、流場和溫度場相互耦合的過程,文中建立的多物理場耦合數(shù)學模型與工件(陽極)的電位有關(guān),這也說明脈沖電源所提供的脈沖電壓對電解加工具有重要的意義；②多物理場耦合數(shù)值計算結(jié)果說明,隨著加工時間的延長,加工深度和錐角均增大,加工區(qū)域的流速有所降低,加工區(qū)域的氣泡率和溫度梯度均增大.③電解加工過程中加工間隙區(qū)域的流速呈拋物線分布趨勢,加工區(qū)域的大多氣泡隨著電解液流動被帶到加工間隙出口位置,出口位置的氣泡率急劇增大.④采用調(diào)節(jié)溢流閥增大方孔電解加工的電解液入口壓力,可使加工區(qū)域溫度降低,氣泡率和流場的阻力減小,從而增大電導率,提升加工電流密度,加快電解排出產(chǎn)物的速度,增強流場穩(wěn)定性,使方孔棱角特征更加清晰,提高了方孔電解加工精度和表面質(zhì)量,避免了鈦合金零件方孔加工過程短路、雜散腐蝕等問題.由于電解加工過程非常復雜,今后將著重在工藝參數(shù)優(yōu)化和提高加工質(zhì)量方面開展研究.

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收稿日期:2015- 11- 20

*基金項目:國家自然科學基金資助項目(51275230);江蘇省科技支撐計劃(工業(yè))項目(BE2014051);常州市應用基礎(chǔ)研究計劃項目(CJ20140046)

Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51275230) and the Science and Technology Support Industry Project of Jiangsu Province(BE2014051)

作者簡介:何亞峰(1975-),男,博士生,主要從事電解加工技術(shù)研究.E-mail:460465979@qq.com ?通信作者: 盧文壯(1972-),男,教授,博士生導師,主要從事現(xiàn)代加工技術(shù)研究.E-mail:meewzlu@nuaa.edu.cn

文章編號:1000- 565X(2016)05- 0110- 07

中圖分類號：V 261.5

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.05.017

A Probe into Multi-Physics Coupling in Electrochemical Machining Process of Square Holes in Titanium Alloys

HEYa-feng1,2LUWen-zhuang1GANWei-min2,3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,Jiangsu,China; 2.Digital Electrochemical Machining Key Laboratory of Jiangsu Province,Changzhou 213002, Jiangsu, China;3.College of Mechanics and Vehicle, Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002, Jiangsu,China)

Abstract:In order to further improve the quality and precision of electrochemical machining, by taking the machining of square roles in titanium alloys as the research object, firstly, a multi-physics coupling mathematical model describing the electrochemical machining of square holes is established, which fully takes into consideration the mutual relationship among electric field, flow field and temperature field. Secondly, the distributions of square role’s multi-physics coupling electrochemical machining potential, machining depth, flow velocity, bubble ratio and temperature gradient are obtained via numerical simulations. Then, the variations different physical parameters with time are discussed. Finally, electrochemical machining experiments of square holes in titanium alloys are carried out, and the influence of electrolyte inlet pressure on processing quality is investigated. The results show that(1) electrochemical machining is an interaction process of electric field, flow field and temperature field;(2) the measured square role contour accords well with the theoretically-calculated one; and (3)with the increase of processing time,the machining depth and cone angle become larger, the flow rate in the processing area decreases, while the bubble rate as well as the temperate gradient increases.

Key words:electrochemical machining; square hole; titanium alloys; multi-physics coupling; gas-liquid two-phase flow