異形螺旋線電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究

唐 霖 ，馮 鑫 ，任 磊 ，范植堅

（1.西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西 西安 710021；2.西安工業(yè)大學陜西省特種加工重點實驗室，陜西 西安 710021）

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，大長徑比的異形深螺旋線類零件的材料硬度逐漸增大，螺旋線越來越復雜，傳統(tǒng)的機械拉削加工存在效率低、成本高、質(zhì)量差等缺點，無法滿足實際生產(chǎn)需求。電解加工具有一次成形、效率高、質(zhì)量好、陰極無損耗、零件無殘余應力等優(yōu)點，在武器裝備、航空航天、石油鉆采等領(lǐng)域應用越來越廣泛[1]。

俄羅斯采用電解加工技術(shù)實現(xiàn)了中小口徑的等齊膛線加工；美國采用片狀陰極電解加工出口徑為7.62、20 mm的槍管膛線，加工速度為5 mm/min，但內(nèi)表面有波紋[2-4]。中小口徑等齊膛線在我國兵器工業(yè)中也已成功應用，并成為定型工藝。針對傳統(tǒng)電解加工混合膛線易出現(xiàn)短路、陽線“塌壁”及無法實現(xiàn)不同纏角槽型一致性等問題，唐霖、范植堅等[5-11]突破了陰極設計、陰極運動軌跡精確控制、工藝參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)了中小口徑身管混合膛線的難加工問題。針對石油鉆采領(lǐng)域的大長徑比全金屬螺桿鉆具和螺桿泵定子螺旋線成形難的問題，國外學者提出了電解加工方法[12-13]。張永俊等[14]進行了大導程滾珠螺母滾道電解加工機床關(guān)鍵技術(shù)研究。張占偉等[15]開展了大口徑深螺旋槽電解加工工藝試驗研究。Mahdavinejad等[16-17]進行了小口徑槍管膛線的電解加工陰極設計和拋光工藝研究。

大長徑比的異形螺旋深管加工需要大功率、高電壓、大電流的大型數(shù)控臥式電解加工機床和電解液在線恒溫控制系統(tǒng)，目前國際上尚無此類型的商業(yè)化機床供使用，需進行大型臥式數(shù)控電解加工設備系統(tǒng)的研發(fā)。為實現(xiàn)大深徑比的異形螺旋線高效高精度電解加工，本文重點開展復合電解液配方試驗、復雜陰極結(jié)構(gòu)設計、陰極齒優(yōu)化仿真及大型數(shù)控臥式電解加工機床開發(fā)及工藝參數(shù)優(yōu)化等關(guān)鍵技術(shù)研究，最終加工出典型的異形深螺旋樣件。

1 復合電解液配方試驗

隨著異形深螺旋線類零件新材料的涌現(xiàn)，不同的材料需要采用不同的電解液，其成分與濃度合適與否直接關(guān)系到電解加工效率的高低，甚至會決定電解加工過程能否正常進行。本文以30CrNi2MoV特種鋼材料為例，該材料成分見表1。采用正交與灰關(guān)聯(lián)理論相結(jié)合的方法進行電解液成分研究，以電解加工效率、加工工件的表面粗糙度和側(cè)面間隙為目標，進行電壓和進給速度對材料去除率、表面粗糙度、側(cè)面間隙的影響研究，尋求高效高質(zhì)量的電解液成分。

表1 30CrNi2MoV材料的成分

通過設計L9（34）正交預試驗，初步確定電解液配方。從加工質(zhì)量和加工精度的角度考慮，分別采用 NaCl、NaNO3、NaClO3及 其 復 合 電 解 液 加 工30CrNi2MoV材料，加工參數(shù)見表2。試驗重復三次，結(jié)果取平均值，試驗數(shù)據(jù)見表3。

表2 電解液配方正交試驗因素水平表

表3 L9（34）正交試驗設計及結(jié)果

采用灰關(guān)聯(lián)理論分析法將試驗結(jié)果進行量綱統(tǒng)一化處理，獲得電解加工參數(shù)與優(yōu)化目標之間的關(guān)系[9-10]。研究發(fā)現(xiàn)，最佳的灰關(guān)聯(lián)度等級為試驗9，優(yōu)化參數(shù)組合為A3B3C2D1，即在電壓為18 V、進給速度為40 mm/min、電解液壓力為1.2 MPa的條件下，采用質(zhì)量分數(shù)10%NaCl+4%NaNO3+2%Na-ClO3復合電解液可獲得最佳的加工效果。

2 陰極設計及陰極齒優(yōu)化仿真

為實現(xiàn)大長徑比深螺旋線的高效電解加工，合理的陰極結(jié)構(gòu)設計和陰極齒優(yōu)化至關(guān)重要。陰極整體結(jié)構(gòu)設計不僅要滿足零件內(nèi)孔與陰極的同軸度要求，還要實現(xiàn)導電、絕緣、密封及流場均勻等要求。通過采用O形密封圈實現(xiàn)電解液的密封，陰極體由黃銅材料加工而成，并用有機玻璃作為絕緣涂層，配合使用五軸聯(lián)動數(shù)控加工中心實現(xiàn)陰極齒的高精度加工，用電火花高速小孔機加工出液孔，電解加工陰極整體結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1 陰極體整體結(jié)構(gòu)圖

由于螺旋線槽較深，三面進給陰極齒設計不合理，導致加工出的螺旋槽尺寸無法滿足設計要求，且易發(fā)生短路，傳統(tǒng)的陰極設計方法是反復試驗、不斷修正齒形直至滿足要求。為減少陰極設計成本與設計周期，本文采用電解加工的電場分布理論，進行陰極工作齒內(nèi)收角優(yōu)化。根據(jù)零件的螺旋線設計尺寸與形狀，采用COMSOL軟件建立0°～8°的內(nèi)收角工作齒幾何模型，并進行陰極齒網(wǎng)格劃分。深孔螺旋槽和陰極工作齒的截面輪廓見圖2，其中，φ為工作齒內(nèi)收角；θ為工件側(cè)壁斜角；R為底面圓角；L為螺旋槽寬度。

圖2 螺旋槽和陰極齒示意圖

在電化學加工過程中，電解液中的正離子流向陰極工具，而負離子移動到陽極工件。假設電解質(zhì)具有各向同性特征，電位分布符合拉普拉斯方程：

由于陰極和陽極電位分布在表面上，工具陰極和陽極材料都是金屬導體，故陽極和陰極表面可看作等電位表面，定義陽極電勢φa為U、陰極電勢φc為0。當電解加工達到平衡，根據(jù)歐姆定律和法拉第定律，可建立陽極表面變化率的方程：

式中：θ為陽極表面切向與陰極進給方向的角；η為電流效率。

由于NaCl電解質(zhì)水溶液的電流效率是一個常數(shù)，因此，式（2）可簡化為：

陰極齒的電場仿真結(jié)果見圖3?？煽闯?，當內(nèi)收角為0°時，電場線相對集中在螺旋槽頂部，壁面傾斜角度與凹槽底部的圓角較大，無法滿足設計要求。當內(nèi)收角為8°時，側(cè)壁的電場線更均勻，解決了螺旋頂部電流密度過大的問題。

圖3 陰極齒電場仿真結(jié)果

3 工藝實驗驗證

3.1 大型臥式數(shù)控電解加工機床研制

針對大口徑、深長螺旋孔的加工，目前國際上尚無成熟的大型臥式數(shù)控電解加工機床裝備。為加工出合格的樣件，研制了大口徑的深螺旋線電解加工系統(tǒng)，主要包括：機床、電源、控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)、恒溫控制系統(tǒng)及電解液過濾系統(tǒng)等。其中，機床床身長達24 m，直流電源電壓為0～24 V，電流達15000 A，電解液壓力為2.5 MPa，同時，導電軸具有導電、旋轉(zhuǎn)、密封、不漏液等特性，電源具有快速短路保護功能，長時間加工時電解液系統(tǒng)可實現(xiàn)在線凈化和恒溫控制，控制精度達±1℃。自主研發(fā)的大型臥式數(shù)控電解加工機床見圖4。

圖4 自主研制的大型臥式數(shù)控電解加工系統(tǒng)及裝備

3.2 電解加工工藝實驗

在自主研制的臥式數(shù)控電解加工機床上，用復合電解液（10%NaCl+4%NaNO3+2%NaClO3）在表 4所示的參數(shù)條件下進行正交試驗研究，試驗設計過程見表5。

表4 電解加工工藝正交試驗因素水平表

表5 樣件切片成形精度正交試驗設計

電解加工后，用電火花線切割將螺旋線工件切割成厚度為0.5 mm的薄片，并對切片成形精度進行測試。由表5可知，試驗7加工出的工件尺寸精度最佳，為0.02 mm，對應的A3B1C3D2參數(shù)組合為最佳工藝參數(shù)組合，即加工電壓為18 V，陰極進給速率為30 mm/min，陰極內(nèi)收角為9°，電解液壓力為1.2 MPa。

圖5是利用自主研發(fā)的大型臥式電解加工機床加工出的典型異形深螺旋線樣件，分別為石油鉆采領(lǐng)域中的全金屬螺桿鉆具定子和典型螺旋線花鍵，進一步驗證了臥式數(shù)控電解加工機床的可靠性與工藝穩(wěn)定性。

圖5 典型的異形螺旋線加工樣件

4 結(jié)論

本文開展了復合電解液配方試驗、陰極結(jié)構(gòu)設計和陰極齒模擬仿真、臥式數(shù)控電解加工系統(tǒng)開發(fā)等研究，成功實現(xiàn)了典型樣件的穩(wěn)定加工，得出以下結(jié)論：

（1）針對高硬度30CrNi2MoV特種鋼的難加工問題，提出正交與灰關(guān)聯(lián)分析理論相結(jié)合的方法，通過試驗研究獲得了一種高效高質(zhì)量電解加工的復合電解液配方，其成分為10%NaCl+4%NaNO3+2%NaClO3。

（2）采用電場仿真方法優(yōu)化陰極齒內(nèi)收角，縮短了陰極齒設計周期，降低了試驗成本，是一種可行的研究方法。

（3）自主研制的 24 m 長、15000 A、2.5 MPa 的大型臥式數(shù)控電解加工系統(tǒng)及裝備，可實現(xiàn)大長徑比的異形螺旋線零件的24 h穩(wěn)定可靠加工，同時實現(xiàn)了電解液的在線凈化和恒溫控制。