電解銑磨加工GH4169電場(chǎng)仿真與試驗(yàn)研究

王系眾，李寒松，付書星，岳小康，劉洋

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

0 引言

GH4169合金作為鎳基高溫合金的一種，因其優(yōu)良的力學(xué)性能、高溫性能和耐腐蝕性，常被用于航空航天制造業(yè)[1-2]。但由于其較高的強(qiáng)度和剛度、低導(dǎo)熱性和加工硬化，采用傳統(tǒng)機(jī)械加工時(shí)，會(huì)產(chǎn)生較大的切削力、較高的加工溫度，導(dǎo)致刀具壽命短、加工效率低，因此GH4169是典型的難加工材料。電化學(xué)加工[3]通過(guò)電化學(xué)腐蝕反應(yīng)去除材料，具有無(wú)切削力、無(wú)刀具磨損、無(wú)熱影響等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)難加工材料高效去除的有效方法。電解銑磨[4-5]是一種將電解加工和機(jī)械磨削結(jié)合起來(lái)的復(fù)合加工。電解銑磨以磨輪作為工具陰極，在加工過(guò)程中，材料在電解腐蝕和機(jī)械磨削的雙重作用下被去除。LI H[6]等研究了磨粒大小、電壓、電解液壓力和溫度等參數(shù)對(duì)電解銑磨加工效率的影響，使用直徑為6 mm、切深為3 mm的棒狀磨輪加工GH4169，在180#金剛石磨粒、25 V、35 ℃、0.5 MPa的條件下，最大進(jìn)給速度為2.4 mm/min，材料去除率達(dá)到了355 mg/min。

上述文獻(xiàn)中的方法，在加工電壓較高時(shí)，磨輪對(duì)工件已加工表面會(huì)造成嚴(yán)重的雜散腐蝕，導(dǎo)致過(guò)切量增加，降低了加工精度。同時(shí)，磨輪底面會(huì)對(duì)已加工溝槽的底面造成二次腐蝕，使得溝槽底面呈中間下凹的形狀，這是由于溝槽底面不同位置受到的二次腐蝕的程度不同。如圖1所示，當(dāng)磨輪從虛線位置進(jìn)給到實(shí)線位置時(shí)，參考線上不同位置受到的電解時(shí)間不同。A0、B0兩點(diǎn)被電解的時(shí)間與其對(duì)應(yīng)的線段A1-A2、B1-B2的長(zhǎng)度成正比。因此溝槽底面線段A1-A2處受到的電解腐蝕程度最為嚴(yán)重，過(guò)切量最大，導(dǎo)致加工出的溝槽形成了中間下凹的形狀。

圖1 電解銑磨加工溝槽示意圖

為了抑制溝槽底面中部下凹，本文提出了一種電解銑磨錐形凹坑磨輪，通過(guò)弱化磨輪底面電場(chǎng)來(lái)均化加工溝槽底面上的過(guò)切量，提高溝槽底面的平整性。通過(guò)電場(chǎng)仿真和試驗(yàn)研究，進(jìn)行了加工前后效果的對(duì)比分析，并使用改進(jìn)后的磨輪加工出了薄壁特征結(jié)構(gòu)。

1 研究方法

利用COMSOL有限元軟件對(duì)加工過(guò)程中磨輪與工件間的電流密度做仿真分析，改進(jìn)前后的電解銑磨磨輪基體的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 改進(jìn)前后磨輪基體結(jié)構(gòu)圖

為簡(jiǎn)化模型和計(jì)算過(guò)程，忽略了磨粒層以及出液孔，并作出如下假設(shè)：

1)加工區(qū)域電解液內(nèi)的電場(chǎng)是無(wú)源電場(chǎng)；

2)電場(chǎng)參數(shù)僅是空間位置函數(shù)與時(shí)間無(wú)關(guān)；

3)加工區(qū)域內(nèi)電解液各向同性且電導(dǎo)率為定值。

根據(jù)電場(chǎng)理論，加工區(qū)域內(nèi)電場(chǎng)分布符合拉普拉斯方程：

(1)

模型邊界條件為：

φ|Γ1,2=U(陽(yáng)極邊界)

(2)

φ|Γ3,4,5,6=0 (陰極邊界)

(3)

(4)

其中n為邊界法向。

圖3為電場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3 電場(chǎng)模型結(jié)構(gòu)示意圖

1.1 參數(shù)設(shè)置

仿真分析中，電場(chǎng)模型的各參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 電場(chǎng)仿真參數(shù)

1.2 結(jié)果分析

圖4所示為改進(jìn)前后加工過(guò)程中溝槽底面的電流密度仿真結(jié)果。改進(jìn)前，溝槽底面的電流密度較大且分布均勻。這是由于溝槽底面與磨輪底部的間距較小，其間的電場(chǎng)強(qiáng)度大。改進(jìn)后，磨輪底部的錐形凹坑增加了其底面與溝槽底面的間距，減弱了加工間隙內(nèi)的電場(chǎng)。因此，溝槽底面上發(fā)生的二次腐蝕減弱，過(guò)切量也減小。其次，由于錐形凹坑的形狀，加工間隙沿磨輪邊緣向中心方向逐漸減小，使得間隙內(nèi)的電流密度也沿此方向逐漸減小。溝槽底面上，電流密度最小的區(qū)域?yàn)槟ポ喌酌孢呇?；電流密度最大的區(qū)域?yàn)槟ポ喌酌嬷行?。這與改進(jìn)前刀具造成溝槽底面的下凹形狀相反，即下凹最嚴(yán)重的區(qū)域其間電流密度最弱，下凹最輕微處的區(qū)域其間電流密度最強(qiáng)。因此，與改進(jìn)前相比，改進(jìn)后的電解銑磨錐形凹坑磨輪可使所加工溝槽底面的不同區(qū)域受到的二次腐蝕更加均勻，提高了溝槽底面的平整性。

圖4 改進(jìn)前后溝槽底部電流密度對(duì)比

2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)改進(jìn)后磨輪對(duì)加工溝槽底面平整性的提高進(jìn)行驗(yàn)證。所使用電解銑磨磨輪見圖5。其外徑為10.2 mm，內(nèi)徑為8 mm，側(cè)壁上均勻分布著6列共30個(gè)出液孔。電解銑磨加工原理如圖6所示。加工過(guò)程中，工件與電源正極相連，磨輪與電源陰極連接。電解液從磨輪內(nèi)部高速噴出充滿加工間隙，連通工件與磨輪并構(gòu)成回路。數(shù)控系統(tǒng)控制磨輪高速旋轉(zhuǎn)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，對(duì)工件進(jìn)行加工。實(shí)驗(yàn)所用電解銑磨加工系統(tǒng)與NIU S等人[7]在研究中使用的系統(tǒng)一致。

圖5 改進(jìn)前后磨輪實(shí)物圖

圖6 電解銑磨加工原理示意圖

試驗(yàn)所用的加工電壓分別為20 V、25 V和30 V，其他加工參數(shù)如表2所示。

表2 電解銑磨加工參數(shù)

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)首先測(cè)量了改進(jìn)前刀具在各電壓下的最大進(jìn)給速度，結(jié)果如表3所示。

表3 最大進(jìn)給速度

分別使用改進(jìn)前和改進(jìn)后的磨輪，在測(cè)定的最大進(jìn)給速度下，在GH4169工件表面上加工溝槽。為便于觀察加工效果，使用電火花線切割將溝槽從距加工入口15 mm處切開，對(duì)溝槽的橫截面進(jìn)行觀察，結(jié)果見圖7。

圖7 改進(jìn)前后加工溝槽形狀對(duì)比

由圖7可看出，改進(jìn)后，溝槽底面中部的下凹得到了明顯改善。為了更精確地驗(yàn)證錐坑結(jié)構(gòu)對(duì)溝槽底面平整性的改善效果，采用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)(ZEISS CONTURA)在圖示截面處測(cè)量了均勻分布的100個(gè)測(cè)量點(diǎn)的槽深，隨后計(jì)算了加工槽深過(guò)切量以及槽深的標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如圖8與圖9所示。由結(jié)果可知，使用錐形凹坑磨輪加工溝槽，可減弱二次腐蝕作用，減小槽深的過(guò)切量，同時(shí)使得溝槽各部位受腐蝕的量更加均勻，其槽深標(biāo)準(zhǔn)差更小，溝槽底面的平整性更好。

圖8 改進(jìn)前后平均槽深過(guò)切量對(duì)比

圖9 改進(jìn)前后槽深標(biāo)準(zhǔn)差對(duì)比

使用改進(jìn)后的電解銑磨錐形凹坑磨輪，加工薄壁結(jié)構(gòu)樣件。為了獲得較高的加工效率，加工電壓為30 V，其他加工參數(shù)與表2一致。加工軌跡和結(jié)果如圖10所示。經(jīng)測(cè)量樣件中薄壁結(jié)構(gòu)平均厚度為2.316 mm。

圖10 薄壁結(jié)構(gòu)樣件

3 結(jié)語(yǔ)

提出一種電解銑磨錐形凹坑磨輪，通過(guò)電場(chǎng)仿真與對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

1)錐形凹坑結(jié)構(gòu)使得加工溝槽底面不同位置受到的二次腐蝕更加均勻。

2)與改進(jìn)前相比，錐形凹坑磨輪加工的溝槽過(guò)切量更小，槽深標(biāo)準(zhǔn)差更小，平整性更好。