燃?xì)鈴澒芑∶娼Y(jié)構(gòu)電解銑削加工特性研究

謝 洲，曲寧松，劉 洋

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

液氧煤油火箭發(fā)動機燃?xì)鈴澒苁前l(fā)動機推力室的重要組成部件，肩負(fù)承重、耐高溫、耐高壓的重任，并應(yīng)適應(yīng)發(fā)動機高速、富氧、高頻震動的環(huán)境，對其結(jié)構(gòu)復(fù)雜性及對材料性能的要求不斷提高[1]。燃?xì)鈴澒苁怯筛邷睾辖鸩牧现圃於?，待加工面是變曲率、變壁厚的空間復(fù)雜曲面，若用傳統(tǒng)數(shù)控機械加工方式，存在加工效率低、刀具磨損嚴(yán)重、易變形等問題[2]，國內(nèi)常采用整體拷貝式電解加工，但因待加工面積大、形狀特殊、產(chǎn)品毛坯精度差等原因?qū)е伦罱K加工形貌和表面質(zhì)量不佳[3]。 對此，耿雪松等[4]通過電解液流向控制、電極設(shè)計及流場仿真分析等技術(shù)研究改善了加工成形過程。

電解銑削加工時，陽極工件接電源正極、陰極中空管電極接電源負(fù)極，管電極采用射流方式噴液并在工件上方掃描移動加工。 其原理是電極在電解液中與工件界面發(fā)生陽極溶解而去除材料[2]，其優(yōu)點是不需要采用與加工工件形狀一樣的成形陰極電極工具，陰極工具沒有磨損和損耗，具有很好的靈活性與方便性，可實現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜三維型面的加工，加工后工件表面幾乎不存在缺陷且表面光滑、沒有毛刺[5-8]。

本文以新一代液氧煤油火箭發(fā)動機燃?xì)鈴澒転檠芯繉ο螅紫鹊缺瓤s小設(shè)計了樣件，在此基礎(chǔ)上研究采用316L 不銹鋼電極和質(zhì)量分?jǐn)?shù)20%的NaCl 溶液對弧面結(jié)構(gòu)316L 不銹鋼進(jìn)行電解銑削的加工特性，變量參數(shù)包括電壓、掃描速度、加工間隙，研究指標(biāo)包括材料去除率和表面幾何形貌。

1 試驗原理及相關(guān)設(shè)計

1.1 試驗原理

電解銑削加工一般使用中空金屬管作為電極，加工時通入電解液使其充滿電極與工件之間的加工間隙，在管電極接電源負(fù)極、工件接電源正極的同時，電極在工件上方做掃描運動，陽極工件在電化學(xué)溶解原理的作用下發(fā)生腐蝕，以此達(dá)到去除材料的加工目的。 本試驗加工對象為弧面，采用底面弧形的異形管作為電極，加工示意見圖1。

圖1 弧形電極電解銑削加工弧面工件示意圖

1.2 試驗系統(tǒng)及參數(shù)設(shè)計

圖2 是本試驗所采用的電解銑削加工系統(tǒng)裝置，包括三軸聯(lián)動機床本體、工裝夾具、運動控制系統(tǒng)、電解液循環(huán)系統(tǒng)及直流電源等。 其中，電解液循環(huán)系統(tǒng)由電解池、加熱冷卻裝置、過濾裝置等組成，電源采用80 V/40 A/1500 W 規(guī)格直流電源，并用數(shù)據(jù)采集模塊實時采集加工電流與電壓，加工裝置實物見圖3。

圖2 電解銑削加工系統(tǒng)示意圖

圖3 加工裝置實物圖

本試驗旨在研究恒電壓加工模式下弧形電極電解銑削弧面工件的加工特性，控制電解液濃度及溫度、電解液入口處壓強等不變，具體加工條件見表1。 為更好地得到不同加工參數(shù)對加工表面幾何形貌和材料去除率的影響規(guī)律，本試驗建立三因素五水平的因素水平表，且在不考慮不同因素之間的交互作用下研究單一因素對目標(biāo)參數(shù)的影響。 根據(jù)以往管電極電解銑削的加工經(jīng)驗，各參數(shù)具體數(shù)值選擇見表2。

表1 弧形電極電解銑削加工試驗條件

表2 弧形電極電解銑削加工試驗參數(shù)

加工前用電子天平對工件稱重， 加工結(jié)束后，對工件沖洗、吹干并再次稱重，計算材料去除率；用3D 輪廓測量儀拍照成像，用三坐標(biāo)測量機沿徑向掃描表面輪廓，利用Origin 軟件擬合測量半徑并計算圓度。

1.3 電極尺寸設(shè)計

試驗所用弧形電極及工件尺寸以新一代液氧煤油火箭發(fā)動機燃?xì)鈴澒艿耐獍牍芗庸楸尘霸O(shè)計。 圖4 是該彎管模型以及加工圖，外半管半徑在0°~90°變化截面下逐漸減小。 表3 列出了一組主要角度半徑數(shù)值。

表3 彎管外半管主要半徑尺寸

圖4 彎管模型及加工效果圖

外半管加工余量為3.5~6 mm，可接受誤差范圍在±2 mm，目前通常采用整體拷貝式電解加工方式。擬定加工方案陰極沿軸向掃描電解銑削，具體加工方案示意見圖5。

為簡化加工過程，合理利用誤差范圍，設(shè)計單一電極尺寸能滿足所有半徑尺寸的加工。 圖6 是設(shè)計過程，角α 半徑R 的扇形對應(yīng)工件尺寸，角β 半徑r 的扇形對應(yīng)電極尺寸，Δ 為加工誤差，考慮大小端兩種極限情況得到加工彎管某一截面時所能用到的電極尺寸范圍。

圖5 加工方案

圖6 電極尺寸設(shè)計

對于極限情況（a），計算過程見方程組：

對于極限情況（b），計算過程見方程組：

分別代入表3 中彎管大小端半徑尺寸計算，結(jié)果取交集， 可得電極半徑取值范圍為87~211 mm，對應(yīng)角度為47°至26°。擬定電極半徑為150 mm，取圓弧角度為30°，試加工半徑150 mm 的弧面。 本文按1∶10 制作縮比件進(jìn)行試驗， 研究其加工特性，采用的電極與工件實物見圖7。

圖7 電極與工件

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 電壓變化對加工的影響

為研究電壓對加工特性的影響規(guī)律，固定加工間隙為0.3 mm、電極掃描速度為20 mm/min，分別選取電壓 20、30、40、50、60 V 進(jìn)行電解銑削試驗，部分加工結(jié)果見圖8。

圖8 不同加工電壓下的加工結(jié)果

對加工完的工件稱重并計算材料去除率，用三坐標(biāo)掃描后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 擬合圓弧測量半徑及其標(biāo)準(zhǔn)差，將電壓換算成電流密度后繪制結(jié)果折線見圖9。 可見，隨著加工電壓增大，加工區(qū)域內(nèi)電流密度逐漸增大，導(dǎo)致材料去除率增大，同時較高的電流密度也會使工件復(fù)刻電極幾何形狀的能力提高，因此增大電壓有利于減小圓度，獲得更好的弧面，但過高的電壓會造成更多的雜散腐蝕，從而又對圓度產(chǎn)生負(fù)面影響。 從折線圖可以看出，電壓在30~50 V 內(nèi)都能獲得較好的圓度，結(jié)合擬合的半徑值優(yōu)選40 V 作為最佳加工電壓， 對應(yīng)圖中的電流密度。

圖9 電流密度對加工結(jié)果的影響

2.2 間隙大小對加工的影響

為研究間隙大小對加工特性的影響規(guī)律，固定加工電壓40 V、電極掃描速度20 mm/min，分別選取加工間隙 0.1、0.2、0.3、0.4、0.5 mm 進(jìn)行電解銑削試驗。 實際加工過程中，由于存在調(diào)整誤差，加工間隙0.1 mm 和0.2 mm 時存在打火現(xiàn)象， 故在此舍去，其余加工結(jié)果見圖10。

圖10 不同加工間隙下的加工結(jié)果

對加工完的工件稱重并計算材料去除率，用三坐標(biāo)掃描后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 擬合圓弧測量半徑及其標(biāo)準(zhǔn)差，繪制結(jié)果折線見圖11?？梢?，隨著加工間隙的增大，加工區(qū)域內(nèi)電流密度逐漸減小，導(dǎo)致材料去除率減小，且電場分布不均，使加工工件定域性及表面圓弧的幾何質(zhì)量變差。 因此，在保證不發(fā)生打火現(xiàn)象的前提下， 加工間隙應(yīng)盡可能小，此處選擇0.3 mm 作為最佳加工間隙。

圖11 加工間隙對加工結(jié)果的影響

2.3 電極掃描速度對加工的影響

為研究電極掃描速度對加工特性的影響規(guī)律，固定加工電壓40 V、加工間隙0.3 mm，選取電極掃描速度 3、6、10、20、30 mm/min 進(jìn)行電解銑削實驗，部分加工結(jié)果見圖12。

圖12 不同掃描速度下的加工結(jié)果

對加工完的工件稱重并計算材料去除率，用三坐標(biāo)掃描后將數(shù)據(jù)導(dǎo)入Origin 擬合圓弧測量半徑及其標(biāo)準(zhǔn)差，繪制結(jié)果折線見圖13?？梢?，材料去除率隨掃描速度的加快逐漸增大，而工件表面圓度隨電極掃描速度的增加先減小后增大。 這是由于電場作用的差異， 對于工件垂直掃描速度的任意截面，快速掃描時電解作用時間短，此時電流密度保持中間小兩邊大的分布，材料去除量不一致，得到的半徑變小且圓度也大；而慢速掃描時電流密度的分布則為中間大兩邊小，故而得到半徑變大且圓度同樣大。 此外，較小的掃描速度不利于加工產(chǎn)物的排出，得到的表面質(zhì)量較差。 綜合來看，電極掃描速度達(dá)到20 mm/min 時，電場作用的平均電流密度分布均勻，能得到較小圓度的工件。

圖13 電極掃描速度對加工結(jié)果的影響

2.4 工件加工結(jié)果

在對加工電壓、加工間隙、電極掃描速度三個參數(shù)進(jìn)行試驗研究后，優(yōu)選加工電壓40 V、加工間隙0.3 mm、 電極掃描速度20 mm/min 作為最佳參數(shù)， 在此條件下加工一刀30°得到的工件圓弧半徑為14.96 mm，半徑標(biāo)準(zhǔn)差0.053 mm，材料去除率為0.351 g/min。最后，采用該參數(shù)進(jìn)行橫切加工得到圖14 所示的90°圓弧面，其半徑為15.18 mm，半徑標(biāo)準(zhǔn)差為0.085 mm，表面形貌良好且符合尺寸要求。

圖14 90°圓弧面加工件

3 結(jié)束語

基于新一代液氧煤油火箭發(fā)動機燃?xì)鈴澒艿母咝Ъ庸みM(jìn)行分析，對具有弧面結(jié)構(gòu)的不銹鋼316L工件進(jìn)行了電解銑削加工特性研究，初步驗證了采用電解銑削加工技術(shù)進(jìn)行宏觀尺度弧面結(jié)構(gòu)加工的可行性。 首先，依據(jù)彎管尺寸結(jié)構(gòu)等比縮小工件并完成了工具電極的設(shè)計，確定試驗用工具電極和工件的尺寸；然后，針對加工中工件表面圓度和材料去除率，對加工電壓、加工間隙和工具電極掃描速度三個參數(shù)進(jìn)行針對性研究；最終，采用加工電壓40 V、加工間隙0.3 mm、掃描速度20 mm/min 的優(yōu)選參數(shù)加工出了半徑為15.18 mm、半徑標(biāo)準(zhǔn)差為0.085 mm 的90°圓弧面， 表面形貌良好且符合尺寸要求。