管電極電解銑削深窄槽流場(chǎng)研究

張傳運(yùn)，郭錦輝，李俊飛，堯佳路，陳曉磊，張永俊

（ 1. 廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電與工程學(xué)院，廣東廣州510006；2. 廣州市非傳統(tǒng)制造技術(shù)及裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510006；3. 廣東工業(yè)大學(xué)材料與能源學(xué)院，廣東廣州510006 ）

深窄盲槽廣泛應(yīng)用于航空、醫(yī)療及精密儀器等領(lǐng)域[1-2]。 對(duì)于深窄槽的加工，目前主要的加工方法有傳統(tǒng)銑削加工、激光加工、電火花銑削及成形加工[3-5]。 傳統(tǒng)銑削加工屬于接觸式加工，由于工件材料硬度大、粘刀、刀具易斷裂，特別是加工大深寬比窄槽，傳統(tǒng)銑削很難完成。 激光加工是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)深窄槽層層加工，在加工區(qū)會(huì)出現(xiàn)重鑄層與熱影響區(qū)，同時(shí)不可避免地會(huì)有錐度出現(xiàn)。 電火花銑削加工只能層層銑削，效率低、電極損耗快，需要實(shí)時(shí)補(bǔ)償；而電火花成形加工，隨著深度的增加，產(chǎn)物難以從加工間隙中排出，易造成拉弧現(xiàn)象，影響加工效率與表面質(zhì)量[6]。

電解加工是通過陽極溶解對(duì)工件實(shí)現(xiàn)成形加工的一種方法，對(duì)于深窄槽結(jié)構(gòu)件的加工具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，眾多學(xué)者對(duì)其做了深入研究。 戶亞娜等[7]利用掩膜電解加工出了寬500 μm、 深200 μm 的微溝槽；任錕等[8]通過控制陰極分段速進(jìn)給在圓管上電解加工出了寬0.5 mm、深0.25 mm、長(zhǎng)98 mm 的窄細(xì)槽。 成形陰極可實(shí)現(xiàn)窄深槽的加工，但隨著加工深度的增加，加工區(qū)的產(chǎn)物不易排出，王峰等[9]提出一種基于陰極振動(dòng)的復(fù)合進(jìn)給模式，有效提高了窄深槽的加工定域性。 為進(jìn)一步提高溝槽加工的精度與靈活性，Niu 等[10]提出一種內(nèi)噴式電解銑削的加工方法， 在GH4169 上加工出了寬7 mm、 深3 mm的溝槽。 微細(xì)窄深槽加工方面，Anasane 等[11]提出了一種電解微細(xì)銑削方法，通過控制陰極分層進(jìn)給加工出了寬178 μm 的S 形復(fù)雜微溝槽， 但對(duì)于寬度1 mm 以下的深窄盲槽加工， 目前仍是一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的難題。

本文針對(duì)槽寬1 mm 的深窄槽加工難點(diǎn)， 創(chuàng)新性地提出了利用管電極一次成形加工出深窄槽的電解銑削加工方法。 通過仿真軟件對(duì)管電極電解銑削過程中的流場(chǎng)進(jìn)行建模仿真，并用200K-M-8Gb型高速攝影儀對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，分析該方法的可行性。 利用外徑0.8 mm 的管電極對(duì)電解液壓強(qiáng)在電解銑削加工深窄槽加工過程中的影響規(guī)律進(jìn)行研究，制備出形狀與精度滿足要求的封閉深窄盲槽。

1 管電極電解銑削

1.1 加工原理

圖1 是管電極電解銑削深窄槽原理，其需要兩步來實(shí)現(xiàn)。 第一步，管電極先縱向進(jìn)給對(duì)工件進(jìn)行打孔加工，并進(jìn)給到窄槽所需的指定深度；第二步，管電極橫向進(jìn)給實(shí)現(xiàn)深窄槽的一次銑削成形加工。

1.2 管電極電解銑削可行性分析

實(shí)現(xiàn)管電極電解銑削的關(guān)鍵在于橫向銑削過程中，管電極前進(jìn)方向的加工區(qū)時(shí)刻保證有充足分布均勻的高流速電解液，因此，需對(duì)管電極電解銑削深窄槽加工過程中的流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析。 首先，針對(duì)該方法的加工特點(diǎn)建立流場(chǎng)模型，并導(dǎo)入仿真軟件COMSOL 中，利用三角形離散法對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，所得流場(chǎng)模型見圖2。

根據(jù)流體力學(xué)原理，流體中存在大量流體質(zhì)點(diǎn)的橫向遷移，因此推測(cè)該電解加工過程中電解液處于湍流狀態(tài)。 對(duì)不可壓縮的三維流動(dòng)采用質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程、動(dòng)量守恒的Navier-Stokes 方程（簡(jiǎn)稱N-S 方程）及標(biāo)準(zhǔn)k-ε 雙方程湍流模型建立封閉的控制方程組。

電解加工過程中，為簡(jiǎn)化計(jì)算，可做如下假設(shè)：加工間隙流場(chǎng)中的電解液為理想狀態(tài)液體，不含氣泡、固體顆粒等雜質(zhì)，電解液的流動(dòng)特性不受溫度等因素的影響；各項(xiàng)參數(shù)不隨時(shí)間變化而只是幾何位置的函數(shù)。 在本文仿真中，其他參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 仿真參數(shù)

根據(jù)上述條件和參數(shù)對(duì)所建流暢模型進(jìn)行仿真模擬，三維流場(chǎng)分布云圖見圖3，其中進(jìn)口壓力為0.4 MPa、出口壓力為0 MPa。 由三維圖中的淺色區(qū)域可知，高流速的電解液主要分布在加工區(qū)及其鄰近區(qū)域。

為了分析加工區(qū)的電解液流速大小及均勻性，對(duì)三維結(jié)果云圖進(jìn)行截面處理，并提取加工區(qū)不同方向的邊界（圖2 所示前進(jìn)方向的前側(cè)邊界、左側(cè)邊界和右側(cè)邊界）流場(chǎng)分布數(shù)據(jù)，結(jié)果見圖4。 可見，三個(gè)方向的流場(chǎng)速度分布趨勢(shì)幾乎一致，前進(jìn)方向的前側(cè)邊界電解液平均流速較高，為17.5 m/s；左側(cè)邊界和右側(cè)邊界平均流速幾乎一樣，約為15.8 m/s。

在以上仿真的基礎(chǔ)上，采用高速攝影儀對(duì)電解加工過程中的流場(chǎng)進(jìn)行觀測(cè)，結(jié)果見圖5。 可看出，加工間隙中填充有高流速的電解液，并沿管電極噴射而出。 結(jié)合前述仿真結(jié)果可知，對(duì)于深窄槽加工，管電極電解銑削是可行的方案。

2 加工試驗(yàn)過程

圖6 是試驗(yàn)采用的自主研制的電解加工系統(tǒng)，包括電解機(jī)床、脈沖電源、電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)[12]。伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)由兩個(gè)水平的直線位移平臺(tái)和一個(gè)垂直于水平位移平臺(tái)的豎直直線位移平臺(tái)組成。 整個(gè)伺服進(jìn)給機(jī)構(gòu)帶動(dòng)管電極實(shí)現(xiàn)相對(duì)于X、Y、Z三個(gè)方向的聯(lián)合運(yùn)動(dòng)。

為更好地對(duì)管電極電解銑削深窄槽的加工精度進(jìn)行分析，在檢測(cè)過程中將不同參數(shù)下加工的深窄槽用線切割分割3 次，對(duì)每個(gè)截面槽寬分別檢測(cè)5 次，求寬度平均值。試驗(yàn)采用的電解加工參數(shù)見表2，檢測(cè)示意見圖7。

表2 加工試驗(yàn)參數(shù)

3 結(jié)果與討論

3.1 壓強(qiáng)對(duì)加工輪廓的影響

試驗(yàn)采用電壓12 V、加工速度0.42 mm/min，研究不同電解液壓強(qiáng)對(duì)深窄槽加工輪廓的影響，結(jié)果見圖8?？梢姡茈姌O電解銑削深窄槽輪廓的一致性較好。

圖9 是不同壓強(qiáng)下所得的深窄槽平均槽寬，隨著電解液壓強(qiáng)從0.4 MPa 增加到0.7 MPa， 深窄槽平均槽寬從1025 μm 降至1008 μm。這是由于隨著電解液壓強(qiáng)增加，管電極電解銑削加工深窄槽的加工區(qū)前側(cè)邊界電解液流速逐漸增加（圖10），進(jìn)而使加工區(qū)的電解產(chǎn)物能更快速地從間隙中被排出，由此增加了電解銑削過程的穩(wěn)定性。

3.2 深窄槽加工驗(yàn)證

為了驗(yàn)證管電極電解銑削加工深窄槽結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與加工精度，采用電解液壓強(qiáng)0.7 MPa，成功加工出了槽寬（1±0.05） mm、深度（2.5±0.05） mm 的側(cè)壁陡直的薄壁深窄槽結(jié)構(gòu)，見圖11?？煽闯?，加工起點(diǎn)處有明顯的喇叭口，這是由于在管電極電解銑削加工深窄槽的過程中，首先要將管電極縱向進(jìn)給到預(yù)定深度，該過程中側(cè)壁已加工區(qū)會(huì)出現(xiàn)側(cè)向二次腐蝕。

4 結(jié)論

針對(duì)深窄槽加工難點(diǎn)，本文提出了一種管電極電解銑削方法。 通過仿真，流場(chǎng)觀測(cè)和不同電解液壓強(qiáng)的加工試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）通過仿真軟件和高速攝影儀對(duì)管電極電解銑削加工的流場(chǎng)仿真和觀測(cè)分析，在電解銑削加工前進(jìn)方向的加工間隙中有充足的高流速電解液。

（2）高壓強(qiáng)電解液有助于提高管電極電解銑削加工過程的穩(wěn)定性與輪廓精度。

（3）管電極電解銑削可高精度高效地實(shí)現(xiàn)深窄槽結(jié)構(gòu)的一次成形加工， 并成功加工出了槽寬為（1±0.05） mm、深度為（2.5±0.05） mm 的薄壁深窄槽結(jié)構(gòu)。