高溫合金深異形腔霧化燒蝕加工試驗(yàn)研究

白松凱，劉志東，孔令蕾，韓云曉，邱明波

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

為提高綜合性能，航空航天發(fā)動(dòng)機(jī)、武器裝備等越來越多地采用新結(jié)構(gòu)、新材料的整體構(gòu)件[1]。 但是，有些整體構(gòu)件的型腔、型面加工性差且包含深窄、復(fù)雜異形型腔，其材料多為鈦合金、高溫合金等難切削材料[2-3]。 在國內(nèi)，針對寬葉間通道的閉式整體葉盤加工，西北工業(yè)大學(xué)通過研究已成功實(shí)現(xiàn)五坐標(biāo)數(shù)控銑削的應(yīng)用[4]，然而對于狹窄或彎扭程度較大的異形通道， 在采用多軸數(shù)控銑削加工時(shí)，極易發(fā)生刀具干涉、剛度不足等問題，很難進(jìn)行整體加工。 隨著數(shù)控電火花加工技術(shù)發(fā)展為一種高水平的精密特種加工技術(shù)，電火花加工成為閉式復(fù)雜整體構(gòu)件加工的有效解決方法[5]。 李剛等[6]針對帶冠整體葉輪的加工難題進(jìn)行了電火花加工工藝技術(shù)的研究，雖解決了能加工的問題，但受多種因素制約，電火花加工效率相對較低[7]。 因此，為解決具有典型深異形腔的閉式整體構(gòu)件加工難題，本文利用放電誘導(dǎo)霧化燒蝕成形加工方法， 實(shí)現(xiàn)了高溫合金GH4169 材料的深窄、異形腔的高效加工。

本文通過對比實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了放電誘導(dǎo)霧化燒蝕加工方法可滿足深異形腔的高效加工要求。 針對異形腔加工深度增加，霧化燒蝕加工極間狀態(tài)急劇惡化，無法維持正常持續(xù)加工的問題，本文提出分段霧化燒蝕成形加工方法。 采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（computational fluid dynamics，CFD） 對整體電極直接加工與分段加工極間流場及顆粒運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行了仿真分析與比較，還基于仿真結(jié)果進(jìn)行了分段加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證， 并加工出了高溫合金GH4169 異形腔樣件。 本研究具有重要的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

1 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

圖1 是氣霧介質(zhì)電火花成形加工系統(tǒng)原理及實(shí)物圖。 可見，高壓氣體和液體分別通入霧化裝置，高壓氣體在霧化裝置中將水流沖裂，并與之在裝置內(nèi)部相互混合，形成氣霧工作介質(zhì)；工作液由高壓氧氣介質(zhì)供給壓力，此封閉霧化系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間加工狀態(tài)下的穩(wěn)定霧化介質(zhì)供給，滿足放電燒蝕極間需要高壓、高質(zhì)量霧化介質(zhì)的要求。 加工介質(zhì)通過多孔紫銅管進(jìn)入工件與電極之間的加工區(qū)域，輔助裝置固定在機(jī)床主軸上并作伺服進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

圖1 加工裝置示意及實(shí)物圖

1.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及參數(shù)

為驗(yàn)證霧化燒蝕加工在深異形腔加工中的優(yōu)勢，實(shí)驗(yàn)選用相同的參數(shù)進(jìn)行了霧化燒蝕加工與傳統(tǒng)內(nèi)沖液（自來水）電火花加工對比實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)條件見表1。實(shí)驗(yàn)采用正極性加工，加工時(shí)間為140 min，并通過稱重計(jì)算的方法比較了兩種加工方式的加工效率與相對電極損耗率，還將加工后的樣件對稱剖開，進(jìn)行了結(jié)果分析。

表1 實(shí)驗(yàn)條件及參數(shù)

1.3 異形電極的制備

整體構(gòu)件異形通道形式多樣， 圖2a 是典型徑向擴(kuò)壓器及其流道圖。 可見，其流道是一段具有固定軸線且截面形狀沿軸線方向變化的流道。 實(shí)驗(yàn)時(shí)，對該流道進(jìn)行了簡化仿形并選擇紫銅作為電極材料進(jìn)行電極制備。 制備紫銅異形電極時(shí)，先在UG軟件中建立了電極模型， 并通過編程生成G 代碼，再將G 代碼輸入到數(shù)控銑床進(jìn)行加工。 加工好的紫銅件與多孔紫銅管連接， 制成如圖2b 所示的異形流道電極。

圖2 擴(kuò)壓器及其仿形流道電極

1.4 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果及機(jī)理分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別見圖3、圖4。 可知，霧化燒蝕加工方法在加工效率與加工深度上相比于傳統(tǒng)電火花加工具有明顯優(yōu)勢。 由圖3 可見，內(nèi)沖液電火花加工的過程雖然穩(wěn)定，但加工效率極低，在140 min內(nèi)的加工深度僅10 mm，該深度不到整個(gè)流道長度的1/6，加工效率低于2 mm3/min，且在異形流道加工的前半段，材料的蝕除體積較小，繼續(xù)向下加工時(shí)，隨著加工面積的增加，加工速度勢必降低，故運(yùn)用傳統(tǒng)內(nèi)沖液電火花加工方法加工異形腔耗時(shí)長，不能滿足高效加工要求。 而采用沖液霧化燒蝕加工方法， 在140 min 內(nèi)的加工深度可達(dá)45 mm 以上，加工效率大于20 mm3/min，是傳統(tǒng)內(nèi)沖液電火花加工效率的13 倍多。

圖3 兩種方法加工深度隨著時(shí)間變化對比曲線

圖4 兩種方法的材料蝕除率與相對電極損耗率對比

圖5 是兩種加工方法的異形腔與電極對比。 可見，霧化燒蝕加工的型腔側(cè)壁和電極表面都有黑色氧化物附著，但型腔表面質(zhì)量相較于傳統(tǒng)電火花加工的型腔無明顯差別。 這是因?yàn)槭紫龋瑲忪F介質(zhì)具有分散極間能量的特點(diǎn)，加工表面質(zhì)量較好；其次，由于加工后期氣霧介質(zhì)供給不足，加工后半段更加依靠放電來蝕除材料，起到了表面修整的作用。 雖然傳統(tǒng)沖液電火花加工電極表面無黑色氧化物，但是由于型腔內(nèi)積水，電極經(jīng)長時(shí)間浸水，其表面會(huì)有一層銹蝕物。

圖5 兩種加工方法的型腔與電極圖

為驗(yàn)證加工過程中的放電狀態(tài)，實(shí)驗(yàn)分別采集兩種加工方法的放電波形并進(jìn)行對比分析。 由圖6可見，兩種加工方法的放電電流基本相同，但峰值電壓存在較大差異。 傳統(tǒng)沖液電火花加工的峰值電壓約為90 V，這是因?yàn)樗疄槿蹼娊赓|(zhì)，在電場作用下會(huì)發(fā)生弱電解并產(chǎn)生漏電流[8]，空載電壓會(huì)低很多；霧化燒蝕加工的峰值電壓可達(dá)220 V，這是因?yàn)闊g加工時(shí)的加工區(qū)域內(nèi)有氧氣而不會(huì)產(chǎn)生電解，對空載電壓幾乎無影響，峰值電壓較高[9]，因此霧化燒蝕加工的加工狀態(tài)更好，放電概率更高，加工效率也更高。

圖6 兩種加工方法放電波形對比

分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，霧化燒蝕的加工速度隨著加工深度的增加而逐漸降低。 這一方面是因?yàn)殡S著加工異形腔的深度增加，加工面積逐漸增大；另一方面是因?yàn)榕判疾粫?，加工產(chǎn)物快速凝結(jié)而無法排出細(xì)窄且長的流道，會(huì)堵塞在加工區(qū)域并造成放電集中、拉弧現(xiàn)象頻繁，且該現(xiàn)象隨著加工深度的增加而變得更加嚴(yán)重，在加工后期還會(huì)不斷出現(xiàn)退刀現(xiàn)象，導(dǎo)致正常加工無法進(jìn)行。 實(shí)驗(yàn)證明，在異形腔的加工過程中，若加工深度在30 mm 以內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無障礙快速加工；若加工深度在40 mm 以內(nèi)基本可實(shí)現(xiàn)持續(xù)正常加工；若型腔深度大于40 mm，會(huì)大量出現(xiàn)拉弧及退刀現(xiàn)象，造成加工無法正常進(jìn)行。 此外， 外圓直徑3 mm 的多孔銅管作為介質(zhì)通入的唯一途徑，在流道的后半段加工過程中已無法滿足所需氧氣的供給，這也造成加工速度降低。由凌加健[10]的研究可知，通介質(zhì)孔徑對氧氣的覆蓋面積有重要影響，隨著加工深度的增加，待加工面的面積也在增加， 無足夠氧氣與活化基體材料發(fā)生燒蝕反應(yīng)，加工速度勢必放緩。

為解決上述加工問題，本文提出分段加工異形腔的方法：將深異形腔沿軸線分為多個(gè)加工單元逐次加工，不同的加工單元依照實(shí)際加工要求選擇相應(yīng)的加工參數(shù)，加工后的型腔表面利用整體電極進(jìn)行表面修整， 去除多段加工產(chǎn)生的加工連接痕，同時(shí)保證加工表面精度。

2 仿真分析

2.1 仿真條件

利用Workbench fluent 軟件對加工流道內(nèi)的介質(zhì)壓力與蝕除顆粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真，建立了異形電極與電極分段后加工流場的幾何模型。 為方便研究，采用了電極內(nèi)部流場直徑分別為2.5、3.5 mm 的兩種圓柱體。 極間流場模型如圖7 所示，流體通過銅管進(jìn)入極間后， 經(jīng)由極間底部間隙從側(cè)壁間隙流出。 為簡化計(jì)算，仿真時(shí)將底面放電間隙與側(cè)面間隙均設(shè)為0.1 mm，并對流場模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖7 加工流道模型圖

由于到達(dá)工件表面的混合霧化介質(zhì)中液體的體積分?jǐn)?shù)占比較低，故將介質(zhì)簡化為氧氣和蝕除顆粒，其中氧氣為連續(xù)相，蝕除顆粒為離散相。 用歐拉-拉格朗日方法[11]對流場及蝕除顆粒進(jìn)行研究。仿真的假設(shè)條件如下：

（1）氣體介質(zhì)為氧氣，其密度和運(yùn)動(dòng)粘度分別為 1.43 kg/m3和 1.59×10-5m2/s。

（2）工件材料是密度為 8240 kg/m3的 GH4169高溫合金；將固相蝕除產(chǎn)物簡化為直徑10 μm 的均勻?qū)嵭那蛐晤w粒[12]，其初始速度為0 m/s。

（3）模型入口邊界條件為：進(jìn)口壓力0.4 MPa，出口壓力為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，即101 325 Pa，穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。

（4）通過雷諾數(shù)值判斷流體流動(dòng)特性[13]，當(dāng)Re>2300 時(shí)，液流處于湍流狀態(tài)；當(dāng)Re<2300 時(shí)，液流處于層流狀態(tài)。結(jié)合計(jì)算表達(dá)式Re=vd/ν（其中，v 為入口流速；d 為入口直徑；ν 為氣相材料粘度），根據(jù)實(shí)驗(yàn)測得氣體的體積流量為2.2×10-4m3/s， 可計(jì)算出流體的入口流速v=45 m/s。 紫銅管直徑有兩種，分別為2.5、3.5 mm，可直接計(jì)算通氣直徑2.5 mm 時(shí)，雷諾數(shù)Re=7089＞2300，故流體狀態(tài)為湍流，選擇kξ 湍流模型。

2.2 仿真結(jié)果分析

圖8 為兩種加工方式下的極間流速仿真圖。 由圖8a 可見，流道底部是介質(zhì)流速最高的區(qū)域，流道中間區(qū)域的流速降低，流道出口處的流速為0，這說明氧氣介質(zhì)無法覆蓋整個(gè)加工流道，燒蝕反應(yīng)集中在流道下半部分，而流道上半部分由于氧氣介質(zhì)供給不足， 實(shí)際只能依靠放電加工方式進(jìn)行材料蝕除。 如圖8b 和圖8c 所示，在分段后的兩部分流道內(nèi)，介質(zhì)流速分布規(guī)律與圖8a 所示相同，故主要觀察流道出口處的流速數(shù)值。 經(jīng)觀察可知，這兩部分流道的加工介質(zhì)流速在流道出口處均大于0， 這證明氧氣可覆蓋整個(gè)加工區(qū)域，從而保證整個(gè)加工過程都有燒蝕反應(yīng)發(fā)生。

圖9 為兩種加工方式下顆粒隨著時(shí)間運(yùn)動(dòng)的軌跡圖。 觀察圖9a 可知，由于整段流道的深度大，顆粒在流體帶動(dòng)下無法沖出加工流道； 持續(xù)加工時(shí)，蝕除顆粒和阻值較大的反應(yīng)產(chǎn)物不斷積聚在加工流道內(nèi)， 會(huì)導(dǎo)致極間狀態(tài)的惡化。 圖9b 和圖9c為分段加工蝕除顆粒的運(yùn)動(dòng)軌跡圖。 從仿真結(jié)果來看，理論上分段加工時(shí)所有的反應(yīng)產(chǎn)物和蝕除顆粒都能順暢地排出極間，不會(huì)出現(xiàn)蝕除產(chǎn)物堆積嚴(yán)重的情況。

圖8 極間流速仿真圖

圖9 顆粒隨時(shí)間運(yùn)動(dòng)軌跡圖

綜上所述，在對比實(shí)驗(yàn)中，霧化燒蝕加工的后半段加工速度變慢，其加工狀態(tài)不穩(wěn)定的原因是整段加工深異形腔時(shí)，極間存在加工介質(zhì)供給不足與排屑不暢的問題。 根據(jù)仿真結(jié)果，將流道從中部靠上的位置進(jìn)行劃分，分段以后的兩段流道極間都不存在上述問題。

3 分段加工

3.1 分段加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

依照仿真結(jié)果，將電極分為長度38 mm 的前半段和長度30 mm 的后半段。經(jīng)電火花線切割后制備的電極實(shí)體見圖10。 針對體積較大的電極后半段，將內(nèi)孔的孔徑擴(kuò)為5 mm，并改用外圓直徑5 mm 的多孔紫銅銅管與其連接作為電極。 因?yàn)樵摬糠旨s占整個(gè)型腔體積的70%，故需高效去除材料，且為達(dá)到高效加工目的，需更大的管徑增強(qiáng)排屑和保證氧氣能基本覆蓋加工區(qū)域。

圖10 分段電極實(shí)體圖

圖11 是前、后兩段的加工數(shù)據(jù)。 由于兩次加工都能保證充足的氣霧氧氣介質(zhì)覆蓋加工區(qū)域，每段加工都存在持續(xù)的燒蝕現(xiàn)象，加工效率始終維持在較高水平。 至于加工速度有略微下降，更多是因?yàn)榧庸っ娣e隨著深度增加而增加； 又因?yàn)榕判夹Ч?，燒蝕后的產(chǎn)物不易在極間積累，加工過程中幾乎不存在短路、放電集中等不正?，F(xiàn)象，加工過程更加穩(wěn)定。 去除更新電極的時(shí)間，將整個(gè)異形腔加工到67.5 mm 深度時(shí)所需時(shí)間為150 min， 對比直接加工45 mm 深度耗時(shí)140 min 的情況，僅多花費(fèi)了10 min 的時(shí)間，加工效率得到了明顯提升。

3.2 表面修整

上述實(shí)驗(yàn)證明：分段霧化燒蝕加工方法不僅可提高異形腔加工深度，其加工效率也有很大幅度的提升。 但是由于分段式加工采用了高能量加工參數(shù)，其電極損耗較大，無法保證粗加工的型腔成形精度，分段加工后的型腔表面存在連接痕，表面質(zhì)量過差，需對加工后的型腔進(jìn)行表面修整。 表面修整時(shí)，選用傳統(tǒng)沖液電火花加工方式，修整后的高溫合金異型腔樣件見圖12。理論設(shè)計(jì)的流道出口尺寸為25 mm×10 mm、進(jìn)口直徑為4 mm、型腔深度為68 mm。由于存在電極損耗和加工偏差，實(shí)際加工得到的型腔出口尺寸為26 mm×10.8 mm、進(jìn)口直徑為4.4 mm、型腔深度為67.5 mm。 因此，在利用電火花加工方法進(jìn)行修整前，應(yīng)預(yù)留0.4～0.5 mm 的加工余量較為合適。 利用表面粗糙度檢測儀測得的修整后的型腔表面粗糙度為Ra6.0 μm。

圖11 分段加工數(shù)據(jù)

圖12 修整后的異形腔樣件

4 結(jié)論

（1）霧化燒蝕加工高溫合金的加工效率可達(dá)到傳統(tǒng)沖液電火花加工的13 倍多， 而電極相對損耗率增加了不到1/3。 可以證明，霧化燒蝕加工具有高效加工、加工狀態(tài)穩(wěn)定的特點(diǎn)，適合進(jìn)行深異形型腔加工。

（2）通過仿真分析加實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式證明了分段加工可提高異形腔加工深度，氣霧介質(zhì)的有效利用使其加工效率也得到了提高； 分段加工67.5 mm深異形腔的時(shí)間約為150 min， 而直接加工的型腔深度只能達(dá)到50 mm 以內(nèi)，耗時(shí)140 min。

（3）加工所得高溫合金異形腔樣件通過傳統(tǒng)沖液電火花進(jìn)行表面修整，修整后的型腔表面粗糙度為 Ra6.0 μm。