球槽曲面電解加工流場設(shè)計(jì)及試驗(yàn)研究

周敘榮，蔣永鋒，干為民，何亞峰，徐 波

（1.河海大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，江蘇常州213022；2.常州工學(xué)院航空與機(jī)械工程學(xué)院，江蘇省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213032）

球槽曲面是一種球形輪廓掃掠曲線后形成的曲面，常應(yīng)用于盤式制動(dòng)器[1]，鋼球在驅(qū)動(dòng)軸端面和螺桿端面的球槽曲面中滾動(dòng)來完成制動(dòng)并最終駐車，受幾何形狀、高硬度與高精度的限制，傳統(tǒng)切削方法通常難以加工。電解加工是一種基于法拉第定律的特殊機(jī)械加工工藝，利用金屬在電解液中發(fā)生陽極溶解進(jìn)而去除材料，將工件陽極按照預(yù)先制備的工具陰極的形狀和尺寸“拷貝”加工出所需的工件形狀[2]。相比其他加工方法，電解加工具有工具陰極無損耗、無切削力、加工不受材料切削性能影響及加工精度好、成形效率高等諸多優(yōu)點(diǎn)[3]，常應(yīng)用于汽車零部件、醫(yī)療設(shè)備、航空航天、模具、齒輪、渦輪葉片等工業(yè)制造領(lǐng)域[4]，特別適合于高硬度、難加工材料的曲面、異形面的加工[5]，為加工球槽曲面提供一種低成本、高效率、高質(zhì)量的加工方式。

流場設(shè)計(jì)是電解加工的關(guān)鍵技術(shù)之一，電解液流場設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)保證加工間隙供液充分、流場分布均勻，且電解液具有較高的沖刷速度，以便于帶走加工產(chǎn)物、氣泡和熱量，避免產(chǎn)生局部缺液渦流等現(xiàn)象[6]。電解液的壓力、流動(dòng)方式都是影響流場的主要因素。徐正揚(yáng)等[7]在葉片電解加工中，采用主動(dòng)控制型電解液流動(dòng)方式，有助于流場的均勻穩(wěn)定。李曉龍等[8]用渦輪鉆具葉片陰極模型和近輪廓模型代替?zhèn)鹘y(tǒng)的理想化模型，得到最優(yōu)的電解液流場分布；同時(shí)，為在分析渦輪鉆具葉片流場時(shí)獲得更好的流場分布效果，在葉盆陰極流場使用了豎直導(dǎo)流，在葉背陰極流場使用了相切導(dǎo)流。劉強(qiáng)等[9]針對航天發(fā)動(dòng)機(jī)葉片式擴(kuò)壓器提出了一種陰極交叉結(jié)構(gòu)并設(shè)計(jì)了部分阻隔式反W型流場，解決了反W型流場的漏液，進(jìn)行了流場仿真與電解加工試驗(yàn)。王軼禹等[10]在漸開線內(nèi)花鍵電解加工流場設(shè)計(jì)時(shí)，使用帶有導(dǎo)流段的變截面陰極，可以降低工件表面的流速波動(dòng)。薛潤榮等[11]在異形深孔電解加工時(shí)設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)，能在一定程度上減弱異形孔開始加工階段的流場發(fā)散程度，使流場快速進(jìn)入穩(wěn)定加工狀態(tài)，分析得出在電解液入口壓力0.9 MPa、出口背壓0.3 MPa時(shí)，底面加工區(qū)域流速滿足設(shè)計(jì)要求。王雅麗等[12]分析了陰極形狀和電解液入口壓力對流場流速分布的影響，發(fā)現(xiàn)入口壓力越大，電解液的流速越大。

為了研究和提高球槽曲面電解加工過程的穩(wěn)定性，本文采用數(shù)值分析方法研究了不同電解液流動(dòng)方式、導(dǎo)流結(jié)構(gòu)和電解液壓力對流場的影響，并開展極間電壓、進(jìn)給速度對球槽曲面電解加工工藝穩(wěn)定性的影響試驗(yàn)。

1 流場設(shè)計(jì)

1.1 電解液流動(dòng)形式設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)電解液流動(dòng)形式的目的是使加工間隙內(nèi)的電解液流量充足，保證電解加工過程的穩(wěn)定性。電解液常見的流動(dòng)方式有徑向正流、徑向反流和側(cè)向流動(dòng)三種。徑向正流的電解液從工具陰極內(nèi)部流向加工間隙，再從加工間隙中向四周流出；徑向反流與徑向正流的電解液流動(dòng)方向正好相反；側(cè)向流動(dòng)電解液則直接進(jìn)入加工間隙，從一側(cè)邊進(jìn)入，從另一側(cè)邊流出。電解液流動(dòng)形式需要根據(jù)毛坯形狀和零件最終要求形狀綜合分析后確定，針對球槽曲面采用兩種電解液流動(dòng)方式及三種流道模型進(jìn)行研究。

圖1是電解液徑向正流示意圖和徑向正流的流道模型圖，在加工過程中，電解液以一定的壓力從工具陰極入口進(jìn)入，再經(jīng)過通液槽流入加工間隙，最終從已加工間隙中向四周流出，并帶走電解產(chǎn)物。

圖1 徑向正流模式

圖2是電解液側(cè)向流動(dòng)示意圖和側(cè)向流動(dòng)流道模型，其中圖2c為電解液側(cè)向流動(dòng)長流程流道模型，圖2d為電解液側(cè)向流動(dòng)短流程流道模型。電解液由進(jìn)口流入，流經(jīng)導(dǎo)流段，從加工區(qū)域一側(cè)（短方向或長方向）進(jìn)入加工間隙，再從另一側(cè)流出，最終由電解液出口流出，帶走電解產(chǎn)物。

圖2 側(cè)向流動(dòng)模式

1.2 電解液進(jìn)口流速選擇

流速是保證電解加工過程得以穩(wěn)定進(jìn)行的主要流場參數(shù)之一。進(jìn)口壓力是保證電解液流速的必要條件，選擇適當(dāng)?shù)牧魉?，便能從加工間隙中帶走電解產(chǎn)物，且使電解液流動(dòng)狀態(tài)處于達(dá)到紊流狀態(tài)，加工電流保持在較為穩(wěn)定的狀態(tài)，電解液紊流狀態(tài)流速滿足[11]：

式中：u1為電解液流速；v為電解液的運(yùn)動(dòng)黏性系數(shù)；Dλ為水力直徑。

2 流場模型數(shù)值分析

在電解加工中，球槽曲面工具作為陰極連接電源負(fù)極，工件作為陽極連接電源正極，如圖1a、圖2a所示。電解液作為導(dǎo)電介質(zhì)高速流過工具陰極與工件陽極所形成的加工間隙，在直流穩(wěn)壓脈沖電源作用下發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，金屬工件材料被溶解并不斷產(chǎn)生電解產(chǎn)物，隨著電解液的不斷流動(dòng)，溶解的電解產(chǎn)物從加工側(cè)面間隙被帶出。

為了保證球槽曲面電解加工區(qū)域內(nèi)流場均勻穩(wěn)定、電解液流量供給充足，避免出現(xiàn)通液槽流線相交、空穴和分離等流場弊端，采用流場數(shù)值分析方法研究電解液流動(dòng)方式、設(shè)計(jì)導(dǎo)流段結(jié)構(gòu)、電解液壓力對電解液流場的影響規(guī)律。

2.1 流動(dòng)方式對流場的影響

工件加工表面的電解液流速分布對加工過程穩(wěn)定性影響顯著，圖3是進(jìn)口壓力0.8 MPa、出口壓力0.2 MPa時(shí)，工件加工表面電解液流速等值線分布情況。在圖3a所示的電解液正向流動(dòng)方案中，電解液經(jīng)通液槽垂直流向加工區(qū)域后，碰撞工件而沿工件表面向四周分散，中間流速最低、為3.02 m/s，通液槽兩側(cè)流速最高、為26.2 m/s，加工表面流速出現(xiàn)由最低向最高的突變，流速不穩(wěn)定，易出現(xiàn)短路，工件加工表面通液槽處出現(xiàn)加工余量殘余。在圖3b所示的電解液側(cè)向流動(dòng)長流程方案中，工件加工表面長流程方向電解液流速由低變高再變低，流速最低為5.49 m/s，最高達(dá)25.54 m/s；圖3c所示的電解液側(cè)向流動(dòng)短流程方案中，工件加工表面短流程方向電解液流速也是由低變高再變低，流速最低為6.21 m/s，最高達(dá)27.91 m/s。三種方案流場比較可知，正向流動(dòng)方案中流程最短，但流速不穩(wěn)定；側(cè)向長流程方案中流程最長，流阻最大，流速衰減最大；側(cè)向短流程方案中流程較短，流速最大。

圖3 加工表面流場分布

根據(jù)上述分析結(jié)果可知：電解液側(cè)向短流程方案的工件加工表面電解液流速最高，分布較為均勻，避免了缺液及流線交叉的問題。

2.2 導(dǎo)流段對流場的影響

穩(wěn)定的流場可提高球槽曲面電解加工的精度和穩(wěn)定性。為了使球槽的加工曲面流場均勻，必須在加工間隙進(jìn)口前布置一段適當(dāng)長度的導(dǎo)流段，在加工間隙出口后布置另一導(dǎo)流段[13]，以確保從加工間隙全長上均處于紊流狀態(tài)，且不發(fā)生流線相交、不形成空穴現(xiàn)象，防止電解分離現(xiàn)象，為此要對側(cè)流進(jìn)行電解液流道設(shè)計(jì)。圖4是球槽曲面?zhèn)认蛄鞯滥Ｐ停庸らg隙進(jìn)口前設(shè)計(jì)有一長Li、高Hi的導(dǎo)流段，并呈α角收斂狀進(jìn)入加工間隙，從而可以提高流場的穩(wěn)定性；同樣，出口也設(shè)計(jì)有一長Lo、高Ho的導(dǎo)流段，電解液從加工間隙出去后呈β角展開狀流出。側(cè)流流道共計(jì)有6種參數(shù)，每種參數(shù)均預(yù)先設(shè)定3個(gè)數(shù)值，通過數(shù)值模擬計(jì)算后，優(yōu)先選擇有利于電解加工的參數(shù)，最終確定進(jìn)口導(dǎo)流段Li取27 mm、，Hi取3 mm、α角取18°；出口導(dǎo)流段Lo取27 mm、Ho取3 mm、β角取15°。

圖4 球槽曲面?zhèn)认蛄鞯滥Ｐ?/p>

2.3 電解液壓力對流場的影響

圖5a是側(cè)向短流程軸線方向電解液出口背壓0 MPa、進(jìn)口壓力0.5 MPa的電解液壓力分布，壓力由加工區(qū)進(jìn)口到出口呈下降趨勢，在加工區(qū)出口附近出現(xiàn)-0.3 MPa的負(fù)壓，電解液發(fā)生氣化，氣泡聚集出現(xiàn)空穴現(xiàn)象，工件表面易產(chǎn)生放射性條紋；防止產(chǎn)生空穴的主要辦法是施加適當(dāng)背壓。圖5b是電解液出口施加0.2 MPa背壓的電解液壓力分布，壓力由電解液進(jìn)口0.5 MPa沿電解液流程降至0.187 MPa，壓力分布均勻性明顯改善；但施加出口背壓降低了電解液平均流速，電解液的擾動(dòng)和更新能力減弱，電解產(chǎn)物蓄積嚴(yán)重，阻礙加工過程的穩(wěn)定進(jìn)行。

圖5 球槽曲面?zhèn)认蛄鞯滥Ｐ?/p>

圖6、圖7分別是進(jìn)口壓力0.5、0.8、1.1 MPa，出口背壓力均0.2 MPa時(shí)，側(cè)向短流程工件加工表面電解液壓力與流速分布。可見，加工區(qū)域電解液壓力由進(jìn)口壓力值逐漸減少至出口壓力值；加工區(qū)域電解液流速先增加后減少，入口壓力由0.5 MPa增加至1.1 MPa時(shí)，電解液平均流速逐漸增大。當(dāng)入口壓力是0.5 MPa時(shí)，從入口至出口，壓力減少緩慢；入口壓力是0.8 MPa時(shí)，從入口至出口，壓力減少加快；入口壓力是1.1 MPa時(shí)，從入口至出口，壓力減少最快，并在出口處附近出現(xiàn)-0.046 MPa的負(fù)壓。剔除負(fù)壓和低速因素，選擇入口壓力0.8 MPa為宜。

圖6 加工表面的壓力分布圖

圖7 加工表面壓力與流速分布圖

3 試驗(yàn)與討論

3.1 試驗(yàn)條件

表1是球槽曲面電解加工試驗(yàn)選用的條件及工藝參數(shù)，陰極、工件材料為304不銹鋼。

表1 試驗(yàn)條件及工藝參數(shù)

3.2 徑向正流試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖8是徑向正流電解加工試驗(yàn)裝置，主要包括電解加工機(jī)床、工件夾具和工具陰極。工具陰極連接在機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)上沿Z軸作往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并對陰極非工作區(qū)域進(jìn)行絕緣；工件固定在工件夾具上，電解液在液壓泵的作用下通過過濾器，從工具陰極入口進(jìn)入，經(jīng)通液槽高速流入加工區(qū)域，在電化學(xué)作用下工件發(fā)生溶解最終完成加工。

圖8 徑向正流電解加工試驗(yàn)裝置

3.3 側(cè)流試驗(yàn)準(zhǔn)備

圖9是側(cè)流電解加工試驗(yàn)裝置，包括電解加工機(jī)床、試驗(yàn)夾具和工具陰極。其中，圖9a為試驗(yàn)夾具實(shí)物，試驗(yàn)夾具包括上座、底座和保壓罩；圖9b、圖9c分別為側(cè)向長流程與短流程試驗(yàn)夾具體模型。上座通過U形槽用螺釘?shù)跹b在機(jī)床主軸上，工具陰極通過螺釘?shù)跹b在上座上，方便可拆卸，以便在電解加工出現(xiàn)短路燒傷后更換；工件毛坯通過螺釘固定在夾具底座上；保壓罩安裝固定在底座上，罩住工具陰極和工件毛坯，工具陰極和工件毛坯設(shè)計(jì)有導(dǎo)流槽，電解液從試驗(yàn)夾具的進(jìn)液口流入，經(jīng)導(dǎo)流槽進(jìn)入加工區(qū)域，最終由出液口流出。

圖9 側(cè)流電解加工試驗(yàn)裝置

3.4 電解液流動(dòng)方式對工藝穩(wěn)定性影響

加工過程穩(wěn)定性受到不同電解液流動(dòng)方式的影響。通過進(jìn)行電解液正向流動(dòng)、側(cè)向長流程和側(cè)向短流程單因素試驗(yàn)，在加工電壓16 V、進(jìn)給速度0.4 mm/min時(shí)得到的加工樣件形貌見圖10。

如圖10a所示，采用電解液正向流動(dòng)時(shí)，由于電解液經(jīng)通液槽垂直流向加工區(qū)域后，碰撞工件而沿工件表面向四周分散，電解液流速不均、不穩(wěn)定，導(dǎo)致加工區(qū)內(nèi)各處電導(dǎo)率差異明顯，部分區(qū)域蝕除速率較低，加工過程中發(fā)生多次短路，且工件加工表面通液槽處留有加工余量殘余。

圖10 試驗(yàn)樣件

采用電解液側(cè)向流動(dòng)時(shí)，加工過程中電流變化較為平穩(wěn)，未發(fā)生短路。圖10b所示為側(cè)向長流程加工所得樣件，由于流程長，電解液流阻較大，流速衰減較快，電解產(chǎn)生的氣泡會在長流程的后段聚集，阻礙電解加工，并伴有電解產(chǎn)物堆積的現(xiàn)象，最終形成的樣件加工表面右側(cè)輪廓變小，且型面有黑色的電解產(chǎn)物堆積；圖10c所示為側(cè)向短流程加工所得樣件，由于流程短，電解液流阻小，流速均勻，使得樣件曲面輪廓清晰，表面光亮，表面光整度好。試驗(yàn)結(jié)果表明：電解液側(cè)向短流程改善了流場的均勻性，有利于曲面類零件電解加工的進(jìn)給速度與加工質(zhì)量。

3.5 極間電壓對工藝穩(wěn)定性影響

極間電壓是電解加工的一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，是施加在工件陽極和工具陰極之間的電壓，它不僅可以建立電解加工電極之間的電場，保證電解加工過程的連續(xù)進(jìn)行，而且可以保持電解加工過程中的電流密度。在其他電解加工工藝參數(shù)不變的情況下，極間電壓越高，平衡間隙就越大，工藝穩(wěn)定性越差。

圖11是不同極間電壓下電解液側(cè)向短流程方式試驗(yàn)結(jié)果，在其他電解加工條件不變的情況下，極間電壓從16 V增加至24 V，平衡間隙明顯隨之從152μm增大到279μm，且呈線性增長。這是由于隨著極間電壓的增加，球槽曲面的工具陰極與工件陽極的電流密度也增加，而進(jìn)給速度保持不變，電解反應(yīng)越來越強(qiáng)烈，從而導(dǎo)致更多的金屬材料單位時(shí)間內(nèi)溶解，最終導(dǎo)致平衡間隙增大。

圖11 極間電壓與平衡間隙的關(guān)系

陳遠(yuǎn)龍等[14]對葉片進(jìn)行電化學(xué)加工，得知加工電壓越大，間隙也相應(yīng)增大，且間隙分布越不均勻。ZHANG等[15]用空心管電解鉆孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，低電壓和高進(jìn)給速度鉆進(jìn)時(shí)平衡間隙小，高電壓和低進(jìn)給速度鉆進(jìn)時(shí)平衡間隙大，最終得到在適當(dāng)?shù)碾妷号c電極進(jìn)給速度設(shè)置下，孔底不會產(chǎn)生尖刺。CHAI等[16]進(jìn)行電解加工冷卻孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，孔的單側(cè)間隙隨極間電壓的增加而增大，原因是極間電壓的增加導(dǎo)致管工具和冷卻孔之間的電流密度變高，進(jìn)而導(dǎo)致更多的工件材料單位時(shí)間溶解，形成更大的單邊間隙。CHEN等[17]研究了鈦合金Ti60葉盤的電解加工，發(fā)現(xiàn)隨著電壓的升高，電解反應(yīng)越來越強(qiáng)烈，會產(chǎn)生大量的電解產(chǎn)物，聚集在加工區(qū)，使得表面粗糙度變差。

3.6 陰極進(jìn)給速度對工藝穩(wěn)定性影響

進(jìn)給速度為工具陰極的進(jìn)給速度，是電解加工的另一個(gè)關(guān)鍵工藝參數(shù)，對工藝穩(wěn)定性的影響也很大。圖12是不同陰極進(jìn)給速度下電解液側(cè)向短流程方式試驗(yàn)結(jié)果，在其他電解加工條件不變的情況下，進(jìn)給速度從0.4 mm/min增大至0.8 mm/min，平衡間隙從226μm先增至230μm再減至193μm，總體減少了14.6%，平衡間隙與進(jìn)給速度總體呈下降直線關(guān)系。這是由于隨著進(jìn)給速度的增加，電流密度也增加，從而使金屬材料電解腐蝕速度加快；進(jìn)給速度比材料溶解速度快，進(jìn)一步縮小工具與工件間的間隙，工藝穩(wěn)定性越好。然而，進(jìn)給速度過快，會引起加工過程頻繁短路。

圖12 進(jìn)給速度與平衡間隙的關(guān)系

Anasane等[18]在電化學(xué)微機(jī)械加工鈦基通孔時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微刀具進(jìn)給速度比材料溶解速度快時(shí)，電極間的間隙進(jìn)一步縮小。LIU等[19]研究金屬管內(nèi)環(huán)形微槽脈沖電化學(xué)鋸切加工時(shí)發(fā)現(xiàn)，隨著進(jìn)給速度的增加，加工間隙會減?。蝗欢庸らg隙過小時(shí)，電化學(xué)反應(yīng)會很劇烈，會發(fā)生不期望的放電與短路。在其他電解加工工藝參數(shù)不變的情況下，進(jìn)給速度越快，平衡間隙就越小，工藝穩(wěn)定性越好。

4 結(jié)論

本文建立了球槽曲面電解加工過程中電解液流動(dòng)模型，數(shù)值分析了不同電解液流動(dòng)方式、導(dǎo)流段、電解液壓力對流場的影響規(guī)律，并針對加工工藝穩(wěn)定性開展了試驗(yàn)研究，得到以下結(jié)論：

（1）與電解液正向流動(dòng)相比，采用電解液側(cè)向流動(dòng)方案的流場均勻性較好，有利于曲面類零件的電解加工效率及表面質(zhì)量的提升。

（2）在電解液側(cè)向流動(dòng)方案中，短流程方向較長流程得到的流場更加均勻、穩(wěn)定。

（3）極間電壓與平衡間隙成正比，極間電壓越高，平衡間隙就越大，工藝穩(wěn)定性越差；進(jìn)給速度與平衡間隙成反比，進(jìn)給速度越快，平衡間隙就越小，工藝穩(wěn)定性越好。