復(fù)合進(jìn)給對(duì)錐形孔電解加工過程的影響

杜 攀，趙建社，祁 璐，呂焱明，楊振文

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

復(fù)合進(jìn)給對(duì)錐形孔電解加工過程的影響

杜 攀，趙建社，祁 璐，呂焱明，楊振文

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

為提高錐形孔加工精度，采用圓錐陰極復(fù)合進(jìn)給的電解加工工藝方案，首先分析了陰極復(fù)合進(jìn)給對(duì)加工間隙流場(chǎng)的影響，從促進(jìn)加工間隙電解產(chǎn)物的排出及優(yōu)化間隙流場(chǎng)的角度證明了復(fù)合進(jìn)給能有效提高電解加工精度。基于自主研制的復(fù)合進(jìn)給電解加工裝置系統(tǒng)進(jìn)行了工藝試驗(yàn)，研究了復(fù)合進(jìn)給參數(shù)對(duì)錐形孔孔徑及錐度的影響。最后，采用優(yōu)選的工藝參數(shù)加工出的錐形孔能滿足現(xiàn)有噴油嘴錐形孔的加工要求，且加工過程穩(wěn)定。

錐形孔；電解加工；復(fù)合進(jìn)給；加工精度

航空發(fā)動(dòng)機(jī)上的燃油噴嘴是推進(jìn)燃料燃燒的關(guān)鍵部件，其旋流室內(nèi)錐面的加工精度和表面質(zhì)量對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室燃油的噴射與霧化性能起著關(guān)鍵作用[1]。由于噴油嘴內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜、材料硬度高，用傳統(tǒng)機(jī)械加工方法切削較困難，加工效率低[2]。雖然激光、電火花技術(shù)理論上都能實(shí)現(xiàn)加工，但都存在不同程度的重鑄層和熱影響區(qū)[3]。

電解加工具有加工效率高、表面質(zhì)量好、工具無損耗及不存在機(jī)械切削力等優(yōu)點(diǎn)，在深孔、小孔、群孔、異形孔等加工方面具有顯著優(yōu)勢(shì)[4]。但影響電解加工過程的因素較多，材料集中蝕除能力不強(qiáng)，加工精度和穩(wěn)定性都有待提高。國(guó)內(nèi)外對(duì)此提出了一系列改善方法，如：采用陰極側(cè)壁絕緣來減少雜散腐蝕，提高電解加工成形精度[5-8]；采用鈍性電解液包括低濃度復(fù)合電解液，提高電解加工的集中蝕除能力[9]；通過分析脈沖電源參數(shù)對(duì)加工間隙內(nèi)物化特性的影響規(guī)律，優(yōu)化脈沖電源參數(shù)，提高工件尺寸精度[10-11]等。此外，還有從改進(jìn)陰極進(jìn)給方式的角度進(jìn)行研究，如：通過建立數(shù)學(xué)模型定量分析振動(dòng)進(jìn)給電解加工過程中陰極幅值與平衡間隙的關(guān)系，為后續(xù)研究提供理論基礎(chǔ)[12]；通過優(yōu)選陰極間歇回退頻率和幅值，促進(jìn)電解產(chǎn)物排出，改善流場(chǎng)條件，從而提高電解加工過程的穩(wěn)定性[13]。上述研究表明，采用陰極持續(xù)進(jìn)給與往復(fù)運(yùn)動(dòng)相結(jié)合的復(fù)合進(jìn)給方式，可提高電解加工的精度和穩(wěn)定性。然而，受限于目前的試驗(yàn)條件及性能，實(shí)現(xiàn)陰極復(fù)合進(jìn)給的精確控制還有一定難度，陰極復(fù)合進(jìn)給對(duì)電解加工過程的影響研究還有待進(jìn)一步開展。

本文基于自主研制的運(yùn)動(dòng)參數(shù)可調(diào)的陰極復(fù)合進(jìn)給試驗(yàn)系統(tǒng)，以航空燃油噴嘴錐形孔作為研究對(duì)象，對(duì)電解加工過程中陰極復(fù)合進(jìn)給對(duì)加工穩(wěn)定性及成形精度的影響規(guī)律進(jìn)行了重點(diǎn)研究。

1 錐形孔電解加工方案設(shè)計(jì)

圖1是某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)燃油噴嘴，其上旋渦室錐形孔的加工精度和表面質(zhì)量要求高，孔徑沿軸線方向需圓角平滑過渡且內(nèi)錐面?zhèn)缺谄秸ｋ娊饧庸な墙鉀Q該制造問題的優(yōu)選加工方法，為了提高加工精度，減小電解加工的加工間隙是最直接、有效的措施；然而，加工間隙減小到一定程度后，電解液更新會(huì)變得困難，加工產(chǎn)物不易排出，極易引起短路現(xiàn)象。

圖1 某型航空發(fā)動(dòng)機(jī)的燃油噴嘴

由于該錐形孔直徑較小，采用成形陰極進(jìn)行拷貝式加工可實(shí)現(xiàn)高效率、高精度加工。陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)見圖2，陰極底端設(shè)計(jì)成圓錐形結(jié)構(gòu)，上端作絕緣處理，以減少雜散腐蝕；同時(shí)，尖端的引流作用能改善間隙流場(chǎng)。

圖2 陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖

為了改善電解產(chǎn)物的排出和電解液更新狀況，在陰極持續(xù)勻速進(jìn)給的同時(shí)，附加一個(gè)規(guī)律可控的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)（圖3、圖4）。圖4中，T為往復(fù)運(yùn)動(dòng)周期，t為一個(gè)周期內(nèi)陰極在底部停留的時(shí)間。

圖3 圓錐陰極復(fù)合進(jìn)給電解加工示意圖

圖4 復(fù)合進(jìn)給電解加工原理圖

2 加工間隙流場(chǎng)分析

式中：v為水的運(yùn)動(dòng)黏度系數(shù)，近似代替電解液的運(yùn)動(dòng)黏度，當(dāng)溫度為25℃時(shí)，v=0.89×10-6m2/s；DH為水力直徑，DH=D-d（D為錐形孔大端直徑5 mm；d為陰極大端直徑4.8 mm）。計(jì)算得到電解液流速u0應(yīng)滿足：

由于電解液在流動(dòng)過程中，與工件、陰極表面之間的粘性摩擦?xí)a(chǎn)生一定的沿程壓力損失，即：

在電解加工中，電解液流動(dòng)狀態(tài)多為紊流。根據(jù)紊流狀態(tài)下雷諾數(shù)Re＞2300的條件有：

式中：P1為沿程壓力損失；λ為沿程壓力損失系數(shù)，紊流狀態(tài)下可按λ=0.3164/Re0.25計(jì)算；l為電解液流動(dòng)長(zhǎng)度，取11 mm；ρe為水的密度，取103kg/m3。

假定電解液為不含氣泡、顆粒物的理想流體，不可壓縮且忽略重力、溫度的影響，并假設(shè)電解加工已處于平衡狀態(tài)。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)理論，加工間隙的電解液入口壓力P、流動(dòng)壓力P2=ρeu0/2、沿程壓力損失P1及出口壓力P3滿足：

式中：P3為0 MPa。

綜合式（1）～式（4）及參數(shù)計(jì)算可得入口壓力：

由式（5）可知，加工間隙的電解液入口壓力設(shè)定應(yīng)高于0.18 MPa，才能保證電解加工的穩(wěn)定進(jìn)行。此外，由式（3）、式（4）可看出，在進(jìn)出口壓力不變的情況下，隨著加工間隙的減小，電解液沿程壓力損失變大，加工間隙內(nèi)的電解液流速降低，從而導(dǎo)致電解液更新受阻，電解產(chǎn)物排出困難。

圖5是復(fù)合進(jìn)給電解加工在一個(gè)周期內(nèi)加工間隙中的電解產(chǎn)物分布示意圖。陰極在加工位置停留t時(shí)間進(jìn)行電解加工，間隙內(nèi)的陽極溶解產(chǎn)物逐漸堆積，而后陰極回退，加工間隙變大，加工產(chǎn)物被高速流動(dòng)的電解液沖走；同時(shí)，陰極回退使加工間隙內(nèi)的電解液壓力降低，造成強(qiáng)烈的抽吸效果，間隙內(nèi)的低壓迫使新鮮電解液涌入加工區(qū)域，電解液獲得更新。

圖5 復(fù)合進(jìn)給改善加工產(chǎn)物的排出

采用常用的Comsol流場(chǎng)仿真方法進(jìn)行數(shù)值仿真分析，流場(chǎng)模型見圖6。為綜合評(píng)價(jià)各加工參數(shù)的合理性，考察指標(biāo)為：加工間隙內(nèi)電解液的流速、壓力及均勻性。

圖6 加工間隙流場(chǎng)模型

圖7、圖8分別是入口壓力P=0.5 MPa、出口壓力P3=0的加工條件下，往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值分別為0.2、0.4、0.6 mm時(shí)加工間隙內(nèi)的電解液流速與壓力分布圖。可看出，間隙中的電解液流速隨著電解液在加工間隙中行程的增加而降低；隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值的增大，電解液在加工間隙入口處的流速波動(dòng)減小，分布趨于均勻。同時(shí)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值的增大使加工間隙內(nèi)的低流速區(qū)域變大，電解液出口處陽極附近的電解液流速降低，易對(duì)錐形孔大孔徑端的加工造成影響。當(dāng)往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值為0.2 mm時(shí)，電解液入口處仍存在負(fù)壓區(qū)域；隨著運(yùn)動(dòng)幅值增加到0.4 mm時(shí)，入口端的負(fù)壓區(qū)已消失，此時(shí)加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)已大大改善；當(dāng)運(yùn)動(dòng)幅值增加到0.6 mm時(shí)，間隙內(nèi)的電解液壓力已趨于一致，且分布均勻，只有入口處仍存在些許低壓區(qū)域。

圖7 不同往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值下的間隙內(nèi)電解液流速分布

圖8 不同往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值下的間隙內(nèi)電解液壓力分布

由仿真結(jié)果可知，復(fù)合進(jìn)給能有效改善錐形孔電解加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)穩(wěn)定性，且改善效果在一定范圍內(nèi)隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值的增加而增大；但過大的往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值在改善電解液入口處流場(chǎng)的同時(shí)，會(huì)使出口處產(chǎn)生更多的二次腐蝕。因此，需進(jìn)一步研究復(fù)合進(jìn)給電解加工的陰極運(yùn)動(dòng)參數(shù)，以選擇合適的陰極往復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)，優(yōu)化加工間隙流場(chǎng)，從而提高電解加工的穩(wěn)定性和加工精度。

3 工藝試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)

錐形孔復(fù)合進(jìn)給電解加工系統(tǒng)主要包括：機(jī)床本體、控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)、電源及專用工藝裝置（圖9）。與普通電解加工系統(tǒng)相比，增加了往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)裝置，可帶動(dòng)陰極（質(zhì)量不大于9 kg）作幅值0～2 mm、頻率0～50 Hz、波形包括正余弦、梯形、三角形的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，且往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅值和頻率無級(jí)可調(diào)，并能與電解加工用脈沖電源的輸出進(jìn)行實(shí)時(shí)匹配。

3.2 試驗(yàn)條件

噴油嘴材料為奧氏體不銹鋼，主要工藝參數(shù)見表1。為了研究復(fù)合進(jìn)給參數(shù)對(duì)錐形孔電解加工精度的影響，在保持其他加工參數(shù)不變的基礎(chǔ)上，分別進(jìn)行同一幅值、不同頻率和同一頻率、不同幅值的單因素對(duì)比試驗(yàn)。通過分析不同運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件下加工錐形孔的孔徑及錐度，探究復(fù)合進(jìn)給參數(shù)對(duì)電解加工成形精度的影響規(guī)律。

圖9 錐形孔復(fù)合進(jìn)給電解加工實(shí)物圖

表1 工藝參數(shù)表

4 試驗(yàn)結(jié)果及分析

以圖10所示的電解液入口直徑、出口直徑及錐形孔錐度來評(píng)價(jià)電解加工成形精度。其中，入口直徑φ1與出口直徑φ2可通過在線影像投影測(cè)量?jī)x直接測(cè)量，錐度δ可由公式計(jì)算得出：

式中：錐形孔錐度δ的理論值為0.577；h為φ1與φ2之間的中心距。

圖10 錐形孔加工截面圖

4.1 不同頻率對(duì)加工精度的影響

為了研究頻率對(duì)孔徑和錐度的影響，進(jìn)行了幅值為0.4 mm、頻率分別為0、10、20、30、40 Hz的單因素對(duì)比試驗(yàn)。由圖11可看出，當(dāng)頻率高于10 Hz后，加工間隙內(nèi)的電解產(chǎn)物能被充分排出，間隙內(nèi)流場(chǎng)分布均勻，工件表面的陽極溶解速度均勻，故復(fù)合進(jìn)給加工的孔錐度小于直線進(jìn)給，加工精度得到保證。當(dāng)頻率高于30 Hz后，由于頻率過大，加工區(qū)域內(nèi)的電解產(chǎn)物還未完全排出，又被陰極在下一個(gè)往復(fù)運(yùn)動(dòng)中帶入加工區(qū)域，反而影響了電解產(chǎn)物的排出效果，使電解液出口處的陽極溶解速度略慢，導(dǎo)致孔口直徑變小。在加工過程中，電解產(chǎn)物隨著電解液流向陰極大端，往復(fù)運(yùn)動(dòng)對(duì)電解液入口處的電解產(chǎn)物排出效果影響較小，故電解液入口直徑隨頻率的變化較小。

圖11 不同頻率對(duì)應(yīng)的孔徑和錐度

4.2 不同幅值對(duì)加工精度的影響

為了研究幅值對(duì)孔徑和錐度的影響，進(jìn)行了頻率為30 Hz、幅值分別為0、0.2、0.4、0.6、0.8、1 mm的單因素對(duì)比試驗(yàn)。由圖12可看出，隨著往復(fù)運(yùn)動(dòng)幅值的增加，錐形孔孔徑呈先增大、后減小的趨勢(shì)，而錐度則逐漸減小。

圖12 不同幅值對(duì)應(yīng)的孔徑和錐度

由圖12可知，當(dāng)幅值低于0.4 mm時(shí)，隨著幅值的增大，復(fù)合進(jìn)給對(duì)電解產(chǎn)物排出的促進(jìn)作用相應(yīng)增強(qiáng)，此時(shí)加工間隙內(nèi)的電導(dǎo)率逐漸增大，且電解液入口與出口處的電導(dǎo)率趨于一致；同時(shí)，入口處的電解液負(fù)壓得到改善，雖然加工出的錐形孔孔徑變大，但錐度得到優(yōu)化。當(dāng)幅值超過0.4 mm后，幅值的增大使最小間隙的加工時(shí)間減少，同時(shí)使最大間隙的電流密度降低，導(dǎo)致材料去除量較少，錐形孔孔徑變小。

4.3 優(yōu)選參數(shù)

基于上述分析，綜合考慮往復(fù)運(yùn)動(dòng)參數(shù)對(duì)孔徑、錐度及加工穩(wěn)定性的影響，優(yōu)選的工藝參數(shù)為：幅值0.4 mm，頻率30 Hz。采用該優(yōu)選參數(shù)加工出的錐形孔見圖13，可見其輪廓清晰，孔徑沿軸線方向圓滑過渡，且加工過程穩(wěn)定。

圖13 采用優(yōu)化參數(shù)加工的錐形孔剖面圖

5 結(jié)論

（1）通過理論分析及試驗(yàn)驗(yàn)證了復(fù)合進(jìn)給能顯著改善錐形孔電解加工間隙內(nèi)的電解液更新，對(duì)于提高小間隙電解加工過程的穩(wěn)定性具有重要作用。

（2）陰極往復(fù)運(yùn)動(dòng)的幅值和頻率是影響錐形孔加工質(zhì)量的重要參數(shù)，二者均存在一個(gè)較合理的數(shù)值。對(duì)于不同的加工對(duì)象，其最優(yōu)值會(huì)有所不同。

（3）對(duì)于本文研究的錐形孔電解加工，選用幅值0.4 mm、頻率30 Hz，可加工出符合設(shè)計(jì)要求的噴油嘴錐形孔，且加工過程穩(wěn)定。

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Influence of Compound Motion to Electrochemical Machining of Taper Hole

DU Pan，ZHAO Jianshe，QI Lu，LV Yanming，YANG Zhenwen
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to improve the machining precision of the taper hole，the technology scheme of the cone cathode compound feed electrochemical machining was adopted.Firstly，the effect of the compopound feed on the flow field was analyzed，and the result proved that the compound feed could improve the accuracy of electrochemical machining.Based on the self-developed compound feed electrochemical machining equipment system for the process test of the system，the effects of the parameters of the compound feed on the hole diameter and taper were studied.Finally，the taper hole could meet the processing requirements of the existing nozzle cone hole by using the optimized process parameters，and the process was stable.

taper hole；ECM；compound feed；machining accuracy

TG662

A

1009－279X（2017）02－0023-05

2016-08-30

江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（SJLX15_0122）；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

杜攀，男，1991年生，碩士研究生。