振動(dòng)電解加工脈沖參數(shù)對(duì)TC17鈦合金成形質(zhì)量的影響研究

劉莫邪，黃明濤，程小元，張明岐，傅軍英

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

鈦合金具有高強(qiáng)度、高抗氧化性及良好耐腐蝕性等特點(diǎn)，是優(yōu)異的結(jié)構(gòu)材料和功能材料，常用于制作發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件，且因具有良好的生物相容性而用于制作關(guān)節(jié)植入物。但鈦合金是典型的難加工金屬，在其機(jī)械加工過(guò)程中存在刀具易磨損、切削溫度高引發(fā)嚴(yán)重表面硬化、加工后有殘余應(yīng)力、彈性模量低、易變形等問(wèn)題[1]。電解加工通過(guò)陽(yáng)極金屬溶解的方式進(jìn)行加工，不受材料硬度限制，加工速度快、表面質(zhì)量好、無(wú)飛邊毛刺，且不產(chǎn)生再鑄層、顯微裂紋和殘余應(yīng)力，加工過(guò)程中無(wú)電極損耗，特別適合加工難切削金屬材料，也適用于薄壁件、空間曲面、形狀較復(fù)雜零件的低成本批量生產(chǎn)。分析表明，鈦合金表面成形加工采用電解加工方式具有顯著優(yōu)勢(shì)。

國(guó)外已成功將電解加工技術(shù)應(yīng)用于鈦合金零件加工中，將其作為加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)鈦合金零件的主要手段，是加工鈦合金葉片的重要方法，如EJ200型渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)低壓部分使用了該技術(shù)加工的葉片。眾多企業(yè)還開(kāi)展了葉片的無(wú)余量精密電解加工，加工精度可達(dá)0.07～0.08 mm，有些企業(yè)還建立了專(zhuān)用的葉片自動(dòng)生產(chǎn)線。Klocke等[2]綜合分析了銑削、電火花、電解等多種鈦合金整體葉盤(pán)的加工方式，認(rèn)為電解加工是制備鈦合金葉盤(pán)最具成本效益的方法，適用于大規(guī)模生產(chǎn)葉盤(pán)。國(guó)內(nèi)電解加工鈦合金技術(shù)主要應(yīng)用于鈦合金葉片的葉型加工[3]、整體葉盤(pán)的葉柵通道套料[4]等。

本文通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究了不同脈沖參數(shù)對(duì)TC17鈦合金振動(dòng)電解加工精度及非加工面雜散腐蝕的影響，并結(jié)合加工區(qū)域電場(chǎng)仿真結(jié)果分析了TC17鈦合金表面雜散腐蝕的難易。通過(guò)對(duì)TC17鈦合金電解加工特性的研究，為航空用鈦合金零部件的制造提供了技術(shù)支持。

1 電解淺孔實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

對(duì)尺寸為40 mm×40 mm×20 mm的TC17鈦合金試驗(yàn)塊進(jìn)行振動(dòng)脈沖電解加工實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)了加工電極，并對(duì)其側(cè)壁進(jìn)行絕緣處理，實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖1。電極直徑為25 mm且?guī)в兄睆郊s10 mm的通液孔。電解液采用正向供液方式，從電極通液孔流出。電解加工系統(tǒng)裝置見(jiàn)圖2。

圖1 試驗(yàn)裝置和電極示意圖

圖2 電解加工系統(tǒng)裝置示意圖

1.2 工藝評(píng)價(jià)指標(biāo)

圖3是加工結(jié)果實(shí)物圖。為了更清楚地分析脈沖參數(shù)對(duì)TC17鈦合金成形質(zhì)量的影響，選取中心凸臺(tái)底部直徑、凸臺(tái)錐度及凸臺(tái)頂部雜散腐蝕程度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)（圖4）。

圖3 電解加工實(shí)物圖

1.3 加工參數(shù)選擇

1.3.1 電極振動(dòng)參數(shù)

電極振動(dòng)參數(shù)包括電極振動(dòng)頻率F和電極振幅A。振動(dòng)電解加工設(shè)備的振動(dòng)進(jìn)給裝置主要有電磁式、超聲振動(dòng)式、機(jī)械偏心式等結(jié)構(gòu)[5]，前兩種結(jié)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)力過(guò)小，多用于微米級(jí)尺寸加工；機(jī)械偏心式結(jié)構(gòu)易控制，可保證振動(dòng)與加工脈沖同步，還可滿足質(zhì)量較大的工具陰極振動(dòng)進(jìn)給電解加工要求，是常用的結(jié)構(gòu)形式。本次實(shí)驗(yàn)設(shè)備也采用機(jī)械偏心結(jié)構(gòu)作為振動(dòng)驅(qū)動(dòng)，鑒于該結(jié)構(gòu)振幅不可調(diào)，故設(shè)振幅為0.3 mm，振動(dòng)頻率為40 Hz。

圖4 評(píng)價(jià)指標(biāo)參數(shù)示意圖

1.3.2 脈沖參數(shù)

在振動(dòng)電解加工過(guò)程中，加工間隙隨著電極振動(dòng)變化，在振動(dòng)最低點(diǎn)（180°振動(dòng)角）時(shí)，加工間隙最小，故脈沖開(kāi)通、關(guān)閉角應(yīng)設(shè)置在該點(diǎn)附近，以保證小間隙加工、大間隙沖刷，有助于提高加工精度和表面質(zhì)量；當(dāng)電極從0°角振動(dòng)到開(kāi)通角時(shí)，脈沖開(kāi)啟，電解加工開(kāi)始，至電極振動(dòng)至關(guān)閉角時(shí)，脈沖關(guān)閉，結(jié)束一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的電解加工。一般設(shè)前導(dǎo)通角（βon～180°）為后導(dǎo)通角（180°～βoff）的 2 倍，并將二者按2∶1的比例分配。雖然初始加工間隙較大，但加工結(jié)束時(shí)的加工間隙很小，有利于提高加工精度、增強(qiáng)加工穩(wěn)定性，故實(shí)驗(yàn)中的脈沖導(dǎo)通角均按前、后導(dǎo)通角為2∶1的比例分配（圖5）。

圖5 一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)的脈沖電流示意圖

實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)研究脈沖參數(shù)對(duì)電解加工的影響，從固定脈沖周期改變脈沖寬度、固定脈沖寬度改變脈間寬度入手設(shè)計(jì)了兩組實(shí)驗(yàn)，工藝參數(shù)見(jiàn)表1。其他實(shí)驗(yàn)條件為：加工電壓22 V、初始間隙0.2 mm、加工行程3 mm、進(jìn)給速度0.08 mm/min；取質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液作為電解液，設(shè)電極振幅為0.3 mm，電解液壓力為8 bar。

2 加工區(qū)域電場(chǎng)仿真

根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)簡(jiǎn)化模型，利用ANSYS 14.0有限元分析軟件對(duì)加工終止位置時(shí)的加工區(qū)域電場(chǎng)進(jìn)行仿真，重點(diǎn)分析中心凸臺(tái)頂部非加工表面電流密度的分布情況。設(shè)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的NaNO3溶液的電導(dǎo)率為0.11 Ω/cm；采用TC17鈦合金作為陽(yáng)極材料、316L不銹鋼作為陰極材料，設(shè)側(cè)壁絕緣層厚度為0.5 mm，電極與陽(yáng)極淺孔底部間隙為0.1 mm，加工電壓為22 V。仿真得到加工區(qū)域的電場(chǎng)分布情況見(jiàn)圖6a，加工區(qū)域的電流密度分布情況見(jiàn)圖6b。

從圖6所示電場(chǎng)仿真結(jié)果可知，淺孔底部加工區(qū)域的電流密度值最大（170～230 A/cm2）且分布均勻，中心凸臺(tái)側(cè)面的電流密度值為40～170 A/cm2，且從底部到頂部逐漸降低。在電解加工過(guò)程中，中心凸臺(tái)頂部表面存在雜散電流，而凸臺(tái)邊緣處的雜散電流值可達(dá)40 A/cm2，電流密度則由凸臺(tái)邊緣向中心逐漸減小，中心處電流密度值為9～18 A/cm2。由此推斷，凸臺(tái)頂部非加工表面的雜散腐蝕程度由中心向邊緣逐漸加深。至于凸臺(tái)頂部表面中心處是否會(huì)在10 A/cm2左右的電流密度下發(fā)生腐蝕，則需進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)表

圖6 加工區(qū)域電場(chǎng)仿真

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

由圖3所示的加工實(shí)物可看出，中心凸臺(tái)外側(cè)的淺孔底部平面上有一圈明顯的流痕和凸起區(qū)域。一方面是由于采用了正流式的實(shí)驗(yàn)流場(chǎng)方式，該部位流場(chǎng)處于發(fā)散狀態(tài)，不同位置的流場(chǎng)狀態(tài)變化較大，易產(chǎn)生流痕；另一方面是由于該部位的電解產(chǎn)物易聚集，電解液不能充分更新，影響了該部位的電解去除能力。本文將重點(diǎn)針對(duì)脈沖參數(shù)對(duì)中心凸臺(tái)成形質(zhì)量的影響進(jìn)行分析研究。

3.1 脈沖參數(shù)對(duì)中心凸臺(tái)直徑的影響

圖7是兩組實(shí)驗(yàn)中脈沖參數(shù)對(duì)中心凸臺(tái)底部直徑的影響曲線?？煽闯?，當(dāng)脈沖周期保持不變時(shí)，凸臺(tái)底部尺寸精度隨著脈沖寬度的減小而提高。這是因?yàn)殡S著脈沖寬度變窄，在相同加工時(shí)間內(nèi)，凸臺(tái)側(cè)面的加工時(shí)間減少，造成蝕除量相對(duì)減少，電極內(nèi)孔與凸臺(tái)之間的加工間隙減小，使加工形成的中心凸臺(tái)底部直徑增大，且與電極內(nèi)孔尺寸更接近。然而，隨著脈沖寬度進(jìn)一步減小，降低了電解加工的去除能力，使中心凸臺(tái)底部直徑進(jìn)一步增大，超過(guò)了電極內(nèi)孔尺寸，定域性有所降低。

圖7 脈沖參數(shù)對(duì)凸臺(tái)底部直徑的影響

當(dāng)保持脈沖寬度不變時(shí)，凸臺(tái)底部尺寸精度隨著脈間寬度的增大而提高。原因在于：當(dāng)脈沖間隔較小時(shí)，由于凸臺(tái)底部及淺孔底面間隙較小，前一個(gè)脈沖的加工產(chǎn)物不能及時(shí)排出加工間隙就立即進(jìn)行下一個(gè)脈沖的加工，使電解液得不到充分更新，電解加工去除能力減弱，導(dǎo)致中心凸臺(tái)底部直徑大于電極內(nèi)孔直徑；隨著脈沖間隔增大，有利于電解產(chǎn)物排出，提高了凸臺(tái)底部加工區(qū)域的去除能力，定域性有所提高，但由于脈寬固定，實(shí)際加工時(shí)間沒(méi)有變化，隨著脈沖間隔進(jìn)一步增大，凸臺(tái)底部直徑趨于穩(wěn)定。

3.2 脈沖參數(shù)對(duì)中心凸臺(tái)錐度的影響

圖8是兩組實(shí)驗(yàn)中脈沖參數(shù)對(duì)中心凸臺(tái)錐度的影響曲線。可看出，當(dāng)脈沖周期保持不變時(shí)，凸臺(tái)錐度隨著脈沖寬度的減小而減小。這是因?yàn)殡S著脈沖寬度變窄，在相同加工時(shí)間內(nèi)，凸臺(tái)側(cè)面的加工時(shí)間減少，蝕除量相對(duì)減少，凸臺(tái)底部與頂部蝕除量的差值減小，導(dǎo)致錐度降低。

圖8 脈沖參數(shù)對(duì)凸臺(tái)錐度的影響

當(dāng)脈沖寬度保持不變時(shí)，凸臺(tái)錐度隨著脈間寬度的增大而降低。這是因?yàn)槊}沖間隔較小時(shí)，凸臺(tái)底部電解產(chǎn)物不易排出，降低了底部加工區(qū)域的去除能力，而凸臺(tái)頂部距電極內(nèi)壁間隙較大，電解產(chǎn)物易排除，電解液更新順暢，去除能力并未受到影響，導(dǎo)致凸臺(tái)錐度偏大；隨著脈沖間隔增大，有利于電解產(chǎn)物排除，提高了底部加工區(qū)域的去除能力，錐度有所降低，但由于脈寬固定，實(shí)際加工時(shí)間沒(méi)有變化，隨著脈沖間隔進(jìn)一步增大，凸臺(tái)錐度趨于穩(wěn)定。

3.3 脈沖參數(shù)對(duì)凸臺(tái)頂部雜散腐蝕水平的影響

根據(jù)表1所示兩組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)加工淺孔，加工時(shí)間約為37.5 min，所形成的中心凸臺(tái)上表面和孔口輪廓分別見(jiàn)圖9、圖10。可見(jiàn)，中心凸臺(tái)上表面雖為非加工表面，但暴露于電解液中受到電極內(nèi)孔壁雜散電流的影響，不可避免地受到腐蝕，其腐蝕程度由中心向四周逐漸加深，與圖6所示的電場(chǎng)仿真分析結(jié)果一致。由圖9a可看出，中心凸臺(tái)頂部非加工表面完全受到雜散腐蝕，故認(rèn)為T(mén)C17鈦合金易受雜散腐蝕影響，且在10 A/cm2的電流密度下即可發(fā)生腐蝕。

當(dāng)固定脈沖寬度Tpon=0.36 ms時(shí)，凸臺(tái)上表面完全被腐蝕，形成了大量的凹坑；隨著脈寬變窄，凸臺(tái)頂部腐蝕程度逐漸降低，僅有部分區(qū)域受到腐蝕，形成的小坑深度也相對(duì)較淺，說(shuō)明在一定范圍內(nèi)減小脈沖寬度，有助于減弱非加工表面的雜散腐蝕。一方面是因?yàn)闇p小脈沖寬度，實(shí)際上也減小了凸臺(tái)頂部受雜散電流影響的時(shí)間；另一方面，根據(jù)圖11所示的電解加工陽(yáng)極電容模型[6]（C為等效雙電層電容；Rd為電化學(xué)反應(yīng)電阻；Rr為溶液電阻），由于非加工表面與電極之間形成的等效雙電層電容遠(yuǎn)大于加工區(qū)域的，其等效時(shí)間常數(shù)τ（τ=RlC，Rl為等效電路電阻，Rl=Rr/Rd）也大于加工區(qū)域內(nèi)的，則需更長(zhǎng)的充電時(shí)間才能達(dá)到所需的加工電壓。隨著脈沖寬度減小，脈沖對(duì)雙電層的充電時(shí)間減小，導(dǎo)致該部位還未達(dá)到分解電壓或剛達(dá)到分解電壓就開(kāi)始放電，降低了非加工區(qū)域的腐蝕程度[6～7]，且凸臺(tái)中心與電極內(nèi)壁之間形成的電容遠(yuǎn)大于凸臺(tái)邊緣的，故凸臺(tái)中心受到雜散腐蝕的程度要遠(yuǎn)小于凸臺(tái)邊緣。

圖9 固定脈沖周期（Tpoff=0.66 ms）時(shí)，不同脈沖寬度加工所得的中心凸臺(tái)輪廓

圖10 固定脈沖寬度（Tpon=0.2 ms）時(shí)，不同脈間寬度加工所得的中心凸臺(tái)輪廓

由圖10可見(jiàn)，當(dāng)脈沖寬度固定時(shí)，改變脈間寬度，非加工表面的雜散腐蝕情況并沒(méi)有明顯變化，說(shuō)明單純改變脈沖間隔并不能起到減弱非加工面雜散腐蝕的作用。

圖11 陽(yáng)極電容模型[6]

4 結(jié)論

（1）脈沖寬度是影響TC17鈦合金電解加工成形精度的主要參數(shù)。減小脈沖寬度，有利于提高電解加工的定域性和成形精度。

（2）電解加工TC17鈦合金時(shí)，非加工表面易出現(xiàn)雜散腐蝕，而減小加工過(guò)程中的脈沖寬度可明顯降低其雜散腐蝕程度。

（3）脈沖寬度大小主要影響加工產(chǎn)物的排出，對(duì)電解加工成形精度和表面質(zhì)量的影響相對(duì)較弱，但過(guò)小的脈間寬度不利于電解產(chǎn)物的排出，會(huì)降低加工區(qū)域的蝕除能力，進(jìn)而影響加工精度。

[1] ZLATIN N，F(xiàn)IELD M.Procedures and precautions in machining Titanium alloys[G].Titanium science and technology.USA：Springer，1973：489-504.

[2] KLOCKE F，ZEIS M，KLINK A，et al.Technological and economical comparison of roughing strategies via milling,sinking-EDM,wire-EDM and ECM for titanium-and nickel-based blisks[J].Procedia Cirp CIRP Journal of Manufacturing Science and Technology，2013，6（3）：198-203.

[3] 徐斌，譚益廣，王德新.鈦合金葉片電解加工研究[C]//第十五屆中國(guó)科協(xié)年會(huì)第13分會(huì)場(chǎng)：航空發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)、制造與應(yīng)用技術(shù)研討會(huì)論文集.貴陽(yáng)：中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)會(huì)，2013：1109-1113．

[4] 閆雪，韓秀峰.商用航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體葉盤(pán)通道加工方法分析[J]．航空制造技術(shù)，2015，481（12）：66-69．

[5] 朱永偉，萬(wàn)勝美，朱樹(shù)敏.振動(dòng)進(jìn)給、脈沖電流電解加工設(shè)備及工藝的研究[J].電加工與模具，1996（5）：15-18．

[6] 丁成偉.高頻窄脈沖微細(xì)電解加工機(jī)理的研究 [D].濟(jì)南：山東大學(xué)，2008.

[7] 徐家文，云乃彰，王建業(yè)，等.電化學(xué)加工技術(shù)：原理、工藝及應(yīng)用[M].北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.