鈦合金異形內(nèi)螺旋線電解加工過(guò)程工藝優(yōu)化

晏永寧YAN Yong-ning；唐霖TANG Lin；周嘉凱ZHOU Jia-kai；劉世英LIU Shi-ying

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）

0 引言

鈦合金以其強(qiáng)度高、高低溫性能優(yōu)異、抗腐蝕性好等特性在兵器裝備、航空航天、生物醫(yī)療等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。采用鈦合金材料設(shè)計(jì)輕武器身管既能顯著降低裝備整體重量，充分發(fā)揮機(jī)動(dòng)響應(yīng)能力，又可以保證其使用壽命與火力打擊效能[1]。然而機(jī)械加工鈦合金存在易發(fā)熱粘刀、刀具壽命低、加工效率低等問(wèn)題，嚴(yán)重制約了我國(guó)大長(zhǎng)徑比鈦合金內(nèi)螺旋線產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。電解加工是一種利用電化學(xué)陽(yáng)極溶解的原理對(duì)材料進(jìn)行非接觸式加工的工藝，以其加工效率高、表面質(zhì)量好、陰極無(wú)損耗的優(yōu)點(diǎn)在異型內(nèi)螺旋線身管的工程化應(yīng)用中發(fā)揮了重要作用。

為實(shí)現(xiàn)鈦合金高效高質(zhì)量電解加工，國(guó)內(nèi)外學(xué)者在鈦合金電解加工溶解特性、加工精度及效率、工藝優(yōu)化等方面開展了大量科學(xué)研究。Baehre D等研究了鈦合金在不同電解液中的電化學(xué)溶解行為，發(fā)現(xiàn)含鹵化物能夠同時(shí)提升鈦合金溶解速率和均勻性[2]。何亞峰等通過(guò)測(cè)量Ti6Al4V在不同濃度NaBr中的極化曲線和樣件表面形貌，發(fā)現(xiàn)隨著NaBr濃度的增加，工件表面更加平整[3]。合理的流場(chǎng)設(shè)計(jì)決定電解加工效率及精度，姚冶冰等通過(guò)流場(chǎng)仿真發(fā)現(xiàn)鈦合金薄壁型腔電解加工過(guò)程中，群孔出液口陰極可以減輕加工表面雜散腐蝕現(xiàn)象、提高加工精度[4]。為了進(jìn)一步掌握鈦合金電解加工成形規(guī)律、縮短工藝優(yōu)化周期，研究人員從加工設(shè)備、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面開展了大量研究。Zaytsev A N等應(yīng)用微秒級(jí)脈沖電源進(jìn)行Ti6Al4V鈦合金電解加工，所得樣件表面粗糙度低，無(wú)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象[5]。唐霖等人對(duì)大長(zhǎng)徑比內(nèi)螺旋線類零件電解加工開展了大量研究，在陰極設(shè)計(jì)方法、陰極運(yùn)動(dòng)軌跡精確控制、工藝參數(shù)優(yōu)化等方面取得了突破性進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了大中小口徑內(nèi)螺旋線高效高質(zhì)量加工[6]。

針對(duì)鈦合金內(nèi)螺旋線加工間隙流場(chǎng)分布不均，鈦合金材料溶解特性復(fù)雜等問(wèn)題，本文提出一種順流換向式陰極結(jié)構(gòu)，通過(guò)加工間隙流場(chǎng)仿真，實(shí)現(xiàn)陰極的優(yōu)化設(shè)計(jì)；開展了電解液基礎(chǔ)試驗(yàn)研究，尋求適合鈦合金電解加工的最優(yōu)電解液；采用自主研發(fā)的大型臥式數(shù)控電解加工機(jī)床，加工出合格的鈦合金內(nèi)螺旋線零件。

1 電解加工陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)鈦合金內(nèi)螺旋線高精度、高質(zhì)量電解加工，對(duì)傳統(tǒng)陰極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化。提出了一種新型順流換向式陰極，主要包括陰極體、前引導(dǎo)、后引導(dǎo)、端蓋，如圖1所示。

陰極模型剖視圖如圖2所示。電解液沿拉桿進(jìn)入陰極體內(nèi)部，通過(guò)過(guò)液孔進(jìn)入加工間隙，從工作齒后端向前端流動(dòng)，進(jìn)入前引導(dǎo)設(shè)置的回液孔后經(jīng)陰極體內(nèi)部從后端排出。該結(jié)構(gòu)改變了電解液在陰極體內(nèi)的流向，使電解液流動(dòng)方向與陰極進(jìn)給方向一致，減輕了機(jī)床軸向載荷。

圖2 陰極剖視圖

2 間隙流場(chǎng)建模與仿真

增大過(guò)液孔直徑能提高加工區(qū)域電解液流量。但是過(guò)液孔直徑過(guò)大，既會(huì)影響陰極結(jié)構(gòu)剛性，又會(huì)引起電解液的流速下降。為了得到合適的過(guò)液孔直徑，需對(duì)不同過(guò)液孔直徑下的流速及進(jìn)行仿真分析。

為保障加工順利進(jìn)行，需使過(guò)液孔處電解液流量大于加工間隙所需流量，即使過(guò)液孔截面積之和大于加工間隙中最大截面積。即滿足：nS2≥S1（1）

式中：S1為加工間隙最大過(guò)液面積，S2為過(guò)液孔截面積，單位為mm2；n為過(guò)液孔數(shù)量。

通過(guò)對(duì)流體幾何模型測(cè)量可得，S1=95.5mm2，n為24，則：d1≥2.25mm。受陰極內(nèi)孔直徑和過(guò)液孔數(shù)量限制，d1≤5.24mm。故選擇供液孔直徑依次為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0mm，分別建立流場(chǎng)物理模型，導(dǎo)入COMSOL進(jìn)行仿真分析。

2.1 物理模型建立

電解加工過(guò)程中，陰極與工件之間充滿電解液的部分為加工間隙，加工間隙流場(chǎng)物理模型如圖3所示，電解液按圖中箭頭所示方向流動(dòng)。

圖3 鈦合金內(nèi)螺旋線電解加工物理模型

2.2 幾何模型及網(wǎng)格劃分

鈦合金內(nèi)螺旋線電解加工過(guò)程中，電解液所經(jīng)過(guò)區(qū)域的并集即為所研究的流場(chǎng)幾何模型，如圖4所示。采用COMSOL軟件進(jìn)行流場(chǎng)仿真計(jì)算，對(duì)過(guò)液孔附近進(jìn)行邊界層加密處理，拐角區(qū)域角部進(jìn)行加密。（圖5）

圖4 流場(chǎng)幾何模型

圖5 網(wǎng)格剖分結(jié)果

2.3 仿真結(jié)果分析

選取過(guò)液孔圓心位置的截面，繪制表面速度云圖，如圖6所示?？梢钥闯霎?dāng)過(guò)液孔直徑為3.5mm時(shí)，進(jìn)入加工區(qū)域的電解液流速較高，工作齒區(qū)域電解液充足。

圖6 過(guò)液孔直徑3.5mm的流場(chǎng)分布

3 電解液基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究

鈦合金材料電解加工難點(diǎn)在于：電解液需要較強(qiáng)活性以突破基體表面的鈍化層，同時(shí)要防止活性過(guò)強(qiáng)導(dǎo)致工件出現(xiàn)雜散腐蝕。為解決該問(wèn)題，需要我們進(jìn)一步了解電解液類型，保障鈦合金金屬基體穩(wěn)定有序溶解。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

利用立式電解加工機(jī)床，在鈦合金板材上進(jìn)行圓孔加工試驗(yàn)。兼顧鈦合金溶解特性與原料成本，配制了表1所示的電解液。

表1 電解液成分和參數(shù)表

依據(jù)材料去除率和表面質(zhì)量來(lái)分析不同電解液對(duì)鈦合金材料的電解加工效率和質(zhì)量的影響。其中材料去除率計(jì)算公式如式（3）；表面質(zhì)量通過(guò)便攜式粗糙度檢測(cè)儀測(cè)量。

式中：MRR—材料去除率（g/min）；m0—加工前工件的重量（g）；m—工件后加工的重量（g）；t—加工時(shí)間（min）。

3.2 電解液對(duì)加工效率和表面質(zhì)量的影響

根據(jù)測(cè)量結(jié)果繪制不同成分電解液對(duì)加工效率和表面質(zhì)量的影響曲線?？梢钥闯?，20%NaCl電解液得到的材料去除率最大，10%NaNO3的材料去除率最小；從表面粗糙度變化曲線可以看出，10%NaNO3電解液的表面質(zhì)量相對(duì)最好。在此基礎(chǔ)上加入3%的緩蝕劑Na2HPO4，同時(shí)提高NaCl、降低NaNO3濃度，表面粗糙度值有所上升，在其比例為10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4時(shí)，鈦合金電解加工同時(shí)獲得了較好的材料去除率和表面質(zhì)量。（圖7）

圖7 電解液對(duì)加工效率和表面質(zhì)量的影響

通過(guò)掃描電子顯微鏡對(duì)試驗(yàn)加工出的圓孔底面形貌進(jìn)行檢測(cè)，其中NaCl電解液的樣件表面雜散腐蝕現(xiàn)象明顯，材料表面晶界腐蝕嚴(yán)重，NaNO3電解液作用下樣件溶解較均勻，表面質(zhì)量最好。在電解液為10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4時(shí)，樣件表面如圖8所示，無(wú)明顯點(diǎn)蝕現(xiàn)象，凹坑尺寸較小且分布均勻，整體較為平整。

圖8 加工后工件的表面形貌圖

4 內(nèi)螺旋線樣件加工試驗(yàn)及分析

試驗(yàn)設(shè)備采用課題組自主研發(fā)的臥式數(shù)控電解加工系統(tǒng)，機(jī)床床身長(zhǎng)達(dá)24m，加工電壓可實(shí)現(xiàn)0~24V無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，電流最高可達(dá)15000A，電解液系統(tǒng)恒溫控制精度可達(dá)±1℃。

工具陰極為優(yōu)化后的順流換向式陰極，電解液為10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4的復(fù)合溶液，實(shí)驗(yàn)參數(shù)選取加工電壓10V、電解液入口壓力1.2MPa、陰極進(jìn)給速度20mm/min，在電解液恒溫30℃條件下，進(jìn)行鈦合金內(nèi)螺旋線電解加工驗(yàn)證試驗(yàn)，加工環(huán)境如圖9所示。整個(gè)加工過(guò)程穩(wěn)定，陰極工作正常，無(wú)短路現(xiàn)象發(fā)生。加工出的鈦合金內(nèi)螺旋線實(shí)物如圖10所示，身管內(nèi)表面不存在明顯的點(diǎn)蝕或雜散腐蝕現(xiàn)象，陰線輪廓與試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)一致，無(wú)塌壁、燒傷現(xiàn)象。

圖9 實(shí)際加工環(huán)境

圖10 鈦合金身管內(nèi)螺旋線樣件

在加工后的鈦合金身管樣件上切割厚度5mm的薄片樣件，利用光學(xué)影像測(cè)量?jī)x對(duì)樣件進(jìn)行測(cè)量，樣件成形精度值小于0.04mm。陰線表面質(zhì)量均勻，無(wú)明顯流紋、點(diǎn)蝕微坑，采用白光干涉儀對(duì)樣塊進(jìn)行表面粗糙度檢測(cè)，結(jié)果如圖11所示，陰線表面粗糙度為Ra0.697μm。

圖11 表面粗糙度為Ra0.697μm

5 結(jié)論

本文提出了一順流換向式陰極設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了流場(chǎng)仿真并開展了鈦合金內(nèi)螺旋線電解加工工藝試驗(yàn)，得到以下結(jié)論：

①當(dāng)順流換向式陰極過(guò)液孔直徑為3.5mm時(shí)，過(guò)液孔出口電解液流速相對(duì)較高，能明顯改善加工間隙電解液流場(chǎng)分布均勻性，提高電解加工過(guò)程穩(wěn)定性。

②通過(guò)電解液基礎(chǔ)試驗(yàn)分析了不同電解液對(duì)鈦合金電解加工效率和表面質(zhì)量的影響，獲得了最優(yōu)電解液配方10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4，有效抑制了點(diǎn)蝕現(xiàn)象的出現(xiàn)。

③在加工電壓10V，陰極進(jìn)給速度20mm/min，電解液壓力1.2MPa，電解液溫度30℃的條件下，采用優(yōu)化的順流換向式陰極與復(fù)合電解液實(shí)現(xiàn)了鈦合金內(nèi)螺旋身管線樣件穩(wěn)定可靠加工，加工表面無(wú)點(diǎn)蝕現(xiàn)象出現(xiàn)，成形精度值達(dá)到0.04mm，陰線表面粗糙度為Ra0.697μm。