電解加工鈦合金異型腔薄壁流場(chǎng)仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究

姚冶冰，張永俊，劉桂賢，詹順達(dá)，黃 榕

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

電解加工鈦合金異型腔薄壁流場(chǎng)仿真分析及實(shí)驗(yàn)研究

姚冶冰，張永俊，劉桂賢，詹順達(dá)，黃 榕

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，廣東廣州510006）

針對(duì)電解加工鈦合金型腔過(guò)程中出現(xiàn)的兩側(cè)薄壁易形成鼓形的加工現(xiàn)象，對(duì)工具陰極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)。用Comsol Multiphysics 5.0對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行了仿真分析，根據(jù)仿真結(jié)果確定了改進(jìn)后的陰極結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：改進(jìn)后的陰極能對(duì)加工過(guò)程中的流場(chǎng)進(jìn)行約束，達(dá)到加工表面流體速度分布均勻及提高加工精度的要求。

鈦合金；異型腔；電解加工；流場(chǎng)仿真

鈦合金作為一種新型功能型結(jié)構(gòu)材料，具有一系列優(yōu)良特性，如：重量輕、比強(qiáng)度高、綜合力學(xué)性能良好、耐低溫性能突出、耐蝕性?xún)?yōu)異、無(wú)磁性、無(wú)毒性、工作區(qū)域溫度寬、加工成形性能好等，此外還有儲(chǔ)氫、超導(dǎo)、形狀記憶、超彈和高阻尼等特殊性能。其在石油、宇航、電力等工業(yè)領(lǐng)域和生物醫(yī)藥等高新科技領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，在國(guó)防、國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會(huì)發(fā)展方向上具有非常重要的戰(zhàn)略意義，被譽(yù)為僅次于鐵、鋁的正在崛起的第三金屬、未來(lái)金屬、空間金屬和海洋金屬[1]。

鈦合金產(chǎn)品應(yīng)用廣泛，但其價(jià)格較昂貴，其原因是多方面的，其中加工成本高是一個(gè)重要原因。目前，常采用的加工工藝主要分為傳統(tǒng)的機(jī)械加工和特種加工。傳統(tǒng)機(jī)械加工主要是切削加工，但切削鈦合金時(shí)產(chǎn)生的摩擦力大、溫度極高、刀具在加工過(guò)程中磨損非常嚴(yán)重；同時(shí)，鈦合金表面因高溫發(fā)生改變，最終會(huì)影響其應(yīng)用性能，且機(jī)械加工常用于普通鈦合金工件，對(duì)于本研究的薄壁件其加工成本更高。

電解加工具有加工速度快、表面質(zhì)量高、能加工所有金屬材料且不怕材料硬、韌，加工時(shí)無(wú)宏觀機(jī)械切削力、工具陰極無(wú)損耗、可用同一個(gè)成形陰極作單方向進(jìn)給而成批加工復(fù)雜型腔、型面、型孔等優(yōu)點(diǎn)[2-4]。因此，本研究采用電解加工來(lái)解決鈦合金機(jī)加工所面臨的難題。

在型孔電解加工陰極優(yōu)化試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)TC4鈦合金型腔加工中兩側(cè)薄壁易形成鼓形的問(wèn)題進(jìn)行了研究，通過(guò)對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析得到流速云圖，分析了不同正流式結(jié)構(gòu)的陰極在加工過(guò)程中對(duì)流場(chǎng)的影響，設(shè)計(jì)了一種基于群孔式薄片陰極的加工裝置，并進(jìn)行了工藝實(shí)驗(yàn)。

1 流場(chǎng)模型的建立

如圖1所示，要求通過(guò)對(duì)鈦合金材料進(jìn)行大量去除得到側(cè)壁為薄壁的加工件。

圖1 加工對(duì)象示意圖

在型腔電解加工中，流場(chǎng)決定電解加工的穩(wěn)定性、精度及表面質(zhì)量。流場(chǎng)設(shè)計(jì)是電解加工得以成功的基礎(chǔ)，首先需確定其流動(dòng)形式。流動(dòng)形式是指電解液流向加工間隙、流經(jīng)及流出加工間隙的流動(dòng)路徑、流動(dòng)方向的幾何結(jié)構(gòu)描述。電解液的流動(dòng)形式可概括分為側(cè)向流動(dòng)和徑向流動(dòng)二類(lèi)，徑向流動(dòng)又可分為正流式和反流式二種。因此，電解加工的電解液流動(dòng)形式可分為三種：側(cè)流式、正流式、反流式。

側(cè)流式加工間隙內(nèi)的流道橫截面積沿電解液流動(dòng)方向大致保持不變，適合葉片的加工，若用側(cè)流式加工型腔，電解液易從側(cè)面間隙流出加工區(qū)域，導(dǎo)致底面加工間隙內(nèi)的電解液不足而發(fā)生短路，且側(cè)流式夾具設(shè)計(jì)復(fù)雜。正流式夾具設(shè)計(jì)制造簡(jiǎn)單，但加工精度較低。若用反流式加工型腔，雖然流場(chǎng)分布可控性好，加工精度高，但夾具和工具電極設(shè)計(jì)制造復(fù)雜，不適合型腔的粗加工[5]。因此，本研究選擇正流式加工。

圖2是正流式型腔電解加工原理圖。工具電極向工件進(jìn)給，電解液從通液槽進(jìn)入加工間隙，在外加電場(chǎng)作用下，工件表面金屬按工具電極形狀溶解，得到與工具電極形狀相似的型腔。

圖2 穩(wěn)態(tài)電解加工示意圖

為了解決兩側(cè)薄壁易出現(xiàn)鼓形的問(wèn)題，需對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化。通過(guò)查閱文獻(xiàn)得知，對(duì)于正流式加工，正向供液的流場(chǎng)呈發(fā)散形，由出液口至棱邊的流程短，至四角的流程長(zhǎng)，角部流量相對(duì)不足，邊角流量不均，故出水口可采用狹縫狀設(shè)計(jì)使流場(chǎng)收斂[5]。對(duì)于本實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)了三種不同形式的一字槽結(jié)構(gòu)，并建立了與其相對(duì)應(yīng)的三維流場(chǎng)模型（圖3～圖5），未修改陰極及其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖6。

圖3 第一種陰極結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)模型

圖4 第二種陰極結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)模型

圖5 第三種陰極結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)模型

圖6 未修改陰極結(jié)構(gòu)及其流場(chǎng)模型

2 三維流場(chǎng)模型的仿真

在電解加工過(guò)程中，高速流動(dòng)的電解液流過(guò)加工間隙，陽(yáng)極溶解產(chǎn)生電解產(chǎn)物，工具電極析出氫氣。由于電解液流速高，電解液在加工間隙內(nèi)更新快，電解產(chǎn)物和氣體對(duì)電解液的影響一般可忽略不計(jì)，故可將加工間隙內(nèi)的介質(zhì)簡(jiǎn)化為單相流體。

為簡(jiǎn)化問(wèn)題，結(jié)合實(shí)際條件作出如下假設(shè)：

（1）加工間隙流場(chǎng)中的電解液為單相理想不可壓液體，不含氣泡、固體顆粒等雜質(zhì)，流場(chǎng)不受溫度的影響。

（2）電解加工處于平衡加工狀態(tài)，各項(xiàng)參數(shù)不隨時(shí)間變化而只是幾何位置的函數(shù)，陽(yáng)極溶解速度與工具電極進(jìn)給速度相等，加工間隙已達(dá)到平衡間隙，不再隨時(shí)間而變化[6-7]。

本文利用Comsol Multiphysics 5.0對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，采用標(biāo)準(zhǔn)κ-ε湍流模型，計(jì)算方程與湍流模型參數(shù)見(jiàn)圖7。

式中：u為速度場(chǎng)；κ為湍流動(dòng)能；p為壓力；ep為湍流耗散速率。

圖7 湍流模型方程及參數(shù)

對(duì)仿真模型劃分網(wǎng)格、添加材料、確定邊界條件：加工間隙為0.2 mm，電解液入口壓力為2 MPa，出口壓力為0，材料密度為1000 kg/m3。利用軟件求解，得出流體速度流線(xiàn)圖。

圖8是陰極未修改的流體速度流線(xiàn)云圖，截取加工面的速度線(xiàn)（圖9），繪制出一維速度線(xiàn)圖（圖10）?？芍?，對(duì)于未修改的陰極結(jié)構(gòu)，電解液流經(jīng)加工面時(shí)，陽(yáng)極工件的長(zhǎng)邊與短邊流速不均勻，主要表現(xiàn)為中部電解液流速較慢，兩邊靠近四個(gè)角的位置流速逐漸增大，四個(gè)角區(qū)域由于相鄰兩側(cè)邊的電解液相互干擾，造成流速不均。

圖8 陰極未修改流體速度流線(xiàn)云圖

圖10 未修改陰極一維速度線(xiàn)圖

同理，可得方法一、方法二、方法三的流體速度流線(xiàn)云圖（圖11）和一維速度線(xiàn)圖（圖12）?？芍?，三種方法都未能解決四個(gè)角流速不均勻的問(wèn)題，但方法三能有效約束長(zhǎng)邊的電解液流速，故選擇第三種結(jié)構(gòu)進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)。

圖11 三種方法的流體速度流線(xiàn)云圖

圖12 三種方法的一維流體速度線(xiàn)圖

3 工藝實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果的合理性，用304不銹鋼制作了上述工具陰極（圖13a），未修改的工具陰極見(jiàn)圖13b。

圖13 工具陰極實(shí)物圖

在表1所示實(shí)驗(yàn)參數(shù)下進(jìn)行TC4鈦合金型腔電解加工工藝實(shí)驗(yàn)，加工裝置見(jiàn)圖14。圖15是陰極修改前、后的實(shí)際加工效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，陰極修改后的加工效果優(yōu)于修改前，主要表現(xiàn)在加工面雜散腐蝕明顯改善，且加工輪廓完好，側(cè)壁出現(xiàn)鼓形的問(wèn)題得到解決，提高了加工精度。

表1 電解加工實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖14 加工裝置

圖15 實(shí)際加工效果圖

4 結(jié)論

（1）流場(chǎng)設(shè)計(jì)是電解加工中的難點(diǎn)，根據(jù)型腔電解加工的特點(diǎn)，確定了正流式的電解液流動(dòng)方式，并設(shè)計(jì)出三種工具電極通液槽的布局。

（2）建立了流場(chǎng)仿真模型，利用仿真軟件對(duì)加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真優(yōu)化，得到加工間隙中的流速分布，并通過(guò)分析可能的缺陷，優(yōu)選出中間一字形群孔形式的工具電極。

（3）制造設(shè)計(jì)工具電極并進(jìn)行型腔電解加工，對(duì)加工結(jié)果進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)一字形群孔形式的工具電極加工面雜散腐蝕明顯改善，且加工輪廓完好，側(cè)壁出現(xiàn)鼓形的問(wèn)題得到了解決，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

[1] 趙永慶，奚正平，曲恒磊.我國(guó)航天用鈦合金材料研究現(xiàn)狀[J].航空材料學(xué)報(bào)，2003（S1）：215-219.

[2] 王振龍.微細(xì)加工技術(shù) [M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

[3] 朱荻.國(guó)外電解加工的研究進(jìn)展 [J].電加工與模具，2000（1）：11-16.

[4] RAJURKAR K P，ZHU D，MCGEOUGH J A，et al.New developments in electrochemical machining [J].CIRP Annals-Manufacturing Technology，1999，48（2）：567-579.

[5] 范植堅(jiān)，李新忠，王天賦.電解加工與復(fù)合電解加工[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

[6] 趙建社.整體構(gòu)件異形型腔組合電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2007.

[7] 趙建社，徐家文，云乃彰，等.異形型腔組合電加工數(shù)字化制造技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2006，27（1）：157-160.

Simulation Analysis of Flow Field and Experiment Study on Electrochemical Machining Abnormal Cavity of Titanium Alloy

YAO Yebing，ZHANG Yongjun，LIU Guixian，ZHAN Sunda，HUANG Rong
（School of Electro-mechanical Engineering，Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

The tool electrode is improved to solve the problem about the drum structure in the side of titanium alloy cavity during the process of electrochemical machining.By using Comsol Multiphysics 5.0，we have done some simulation analysis of flow field，according to the simulation result we improved the electrode structure and do some experiments.The simulation result and experiments shows that the new electrode can constraint the flow field during the process of electrochemical machining and let the the distribution of fluid speed uniformity，improved the machining precision.

titanium alloy；abnormal cavity；ECM；simulation of flow field

TG662

A

1009－279X（2017）03－0047-05

2017-02-18

廣州市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室資助項(xiàng)目（201605030007）

姚冶冰，男，1992年生，碩士研究生。