钛合金方孔电解加工多物理场耦合研究*

何亚峰　卢文壮　干为民

(1.南京航空航天大学 机电学院, 江苏 南京 210016; 2.江苏省数字化电化学加工重点实验室, 江苏 常州 213002;3.常州工学院 机械与车辆工程学院, 江苏 常州 213002)



钛合金方孔电解加工多物理场耦合研究*

何亚峰1,2卢文壮1†干为民2,3

(1.南京航空航天大学 机电学院, 江苏 南京 210016; 2.江苏省数字化电化学加工重点实验室, 江苏 常州 213002;3.常州工学院 机械与车辆工程学院, 江苏 常州 213002)

摘要:为进一步提高电解加工的质量和精度,以钛合金方孔电解加工为对象,充分考虑了电解加工中电场、流场和温度场的相互影响关系,建立了钛合金方孔电解加工多物理场耦合模型,通过数值计算得到了多物理场耦合电解加工电位、深度、流速、气泡率和温度梯度的分布,探讨了各物理量随加工时间的变化规律,并开展了钛合金方孔电解加工试验,研究了不同的电解液入口压力对加工质量的影响规律.试验结果表明:电解加工是电场、流场和温度场相互耦合的过程;相同条件下不同加工时间的方孔轮廓实测值与理论计算值吻合得较好;随着加工时间的递增,加工的深度和锥角在变大,加工区域的流速降低、气泡率增加和温度梯度增大.

关键词：电解加工;方孔;钛合金;多物理场耦合;气液两相流

钛合金Ti6Al4V是一种α+β两相材料,经热处理后强度高、塑性良好,已广泛应用在航空、航天领域中.由于钛合金变形系数小,切削加工容易出现切削温度高、切削呈挤裂状及严重的粘刀现象,刀具磨损快,加工表面易生成硬脆变质层和损伤,从而严重影响钛合金的使用性能.而电解加工具有工具无损耗、不受材料限制、不产生残余应力和加工表面质量好等优点,为钛合金加工提供了一种有效的加工方式.多年来国内外学者对钛合金电解加工进行了大量的研究,取得了重要的成果.房晓龙等[1]研究了电极内孔结构对钛合金方孔电解加工的影响,发现采用圆形内孔电极加工时流场比方形内孔要均匀.王维等[2- 3]采用管电极进行了难加工材料电解加工阵列群孔的若干关键技术研究,得到了优化的工艺参数.王福元[4]进行了整体叶轮叶片型面数控电解精加工的若干关键技术研究,提出了分步分区方法.Rajurkar等[5]对近年来电解加工和电火花加工研究成果进行了综述,列举了大量的电解加工研究成果.Ghoshal等[6]采用振动进给电解加工进行织构孔研究.Li等[7]采用电解加工方法对喷油嘴锥孔进行加工,得到了加工参数之间的影响关系.然而,电解加工是电场、流场和温度场相互作用、相互耦合的过程,其机理非常复杂,在实验中不容易观测到多物理场耦合的变化情况,在加工中容易出现定域性不容易控制、加工精度不高等问题.为了深入研究电解加工规律,王明环等[8]对螺旋孔电解加工多物理场耦合机理进行了研究,建立了多相流三维模型;Klocke等[9]建立了航空发动机零件材料去除过程模型,研究了加工参数对材料去除的影响;Deconinck等[10]对电解加工中金属离子的变化过程进行了研究;Zhu等[11]建立了电解加工反流式钻孔流场模型,开展了相关试验,得到了高质量和效率的加工件;Ghoshal等[12]建立了微槽电解加工模型,通过优化工艺得到了较小的加工锥角;Hinduja等[13]开展了电解加工耦合场模型研究.

为了进一步提高电解加工质量和精度,文中以钛合金方孔电解加工为对象,综合考虑电解加工中电场、流场和温度场在耦合边界上的传递关系,采用数值计算方法研究加工间隙中电场、气液两相流、温度场相互耦合随着加工时间的变化规律,并开展相关试验进行验证.

1方孔电解加工多物理场耦合模型

1.1钛合金方孔电解加工计算模型

根据钛合金方孔结构特点建立的计算模型示意图如图1所示.假定每个截面的耦合场情况基本相同,则钛合金方孔电解加工纵剖面和横剖面的计算结果可以做二维简化处理,电解液在工具电极与工件(阳极)形成的加工间隙中高速流动,在外加电场作用下工件发生电化学反应溶解,工具电极析出氢气,随着工具电极以va速度向工件运动,电解加工进一步进行,直到完成最终的加工.数值计算中以加工间隙流体为对象,为了减小计算工作量,不建立工具电极和工件的实体模型,在耦合场计算时做边界处理.

图1　方孔电解加工计算模型示意图

Fig.1Sketch map of electrochemical machining calculation model of a square role

1.2方孔电解加工间隙多物理场耦合理论模型

1.2.1电解加工间隙气液两相流模型

电解加工间隙存在气、液、固三相混合流,由于电解产物所占的体积比很小,可以忽略其对电解液电导率及密度的影响,因而将加工间隙中流场简化近似看作气液两相流动.为了研究气液两相流的运动规律,假定气体密度相对于液体密度可以忽略,气泡相对液体运动取决于黏度张力和压力的平衡,气液两相处于同一压力场,则气液两相流电解加工动量控制方程为

[ul+(

(1)

气液两相流连续性方程为

(2)

气相转移控制方程为

(3)

假设气泡流中的气泡可以变大或变小,但不可以完全消失,则质量转移方程为

(4)

由于电解加工时加工间隙非常小,间隙流速高,根据雷诺数判断为湍流k-ε模型,即

(5)

1.2.2电解加工间隙电场与流场的耦合

根据电流守恒方程,电解加工间隙电场有

(6)

式中,Q为电量,ε0为真空介电常数,εr为相对介电常数,i为电流密度,U为阳极表面的电位值,σ0为不产生气泡时电解液的电导率,σ为电解液电导率.

加工间隙中气液两相流的流动特性造成了间隙中各处的电导率不同,而电导率的变化主要受气泡率和电解液温度的影响.一般来说,气泡率指单位时间内流过每一流通截面的气相介质所占两相流体总体积的比例,气泡率越大,电导率越小.为了简化问题,文中不考虑温度对电导率的影响,只研究电解间隙流场流动对电场电导率的影响.设电解液流动方向任意位置x的气泡率为βx,则βx对电解液电导率σ的影响为[14]

σ=2σ0(1-βx)/(2+βx)

(7)

根据气泡率的定义有

βx=φg(x)

(8)

将式(7)和(8)代入式(6),可得到电解加工间隙电场和流场的耦合为

(9)

1.2.3电解加工间隙温度场与电场、流场的耦合

电解加工过程中钛合金方孔受到电场和流体粘性阻力的相互作用,其温度场控制方程为

(10)

式中，ρ=ρlφl+ρgφg，Cp=Clφl+Cgφg,Cp为气液混合比热熔,Cl为液体比热熔,Cg为气体比热熔,热量H=iE.

将式(6)代入式(10),可得到电解加工间隙温度场与电场、流场的耦合为

(2U2

(11)

电解液经过加工间隙的温升ΔT为

(12)

1.2.4工件(阳极)的溶解速度

根据法拉第定律,工件(阳极)的溶解速度为

va=ηωi

(13)

式中,ω为元素的体积电化学当量,η为电流效率.

将式(6)-(8)代入式(13),可得到工件(阳极)的溶解速度方程:

(14)

1.2.5电解加工的质量传递式

电解加工过程中多物理场耦合相互作用和影响,从而使阴极析出氢气,阳极去除材料,其质量传递式为

(15)

式中,nθ为电解反应浓度,Dθ为电解反应扩散系数,zθ为参与反应电荷数量,μm,j为离子移动量,F为法拉第常数,Rθ为电极表面分子流动通量.

2钛合金方孔电解加工的多物理场耦合计算

2.1物理场的耦合计算参数

加工间隙为0.2 mm,工具电极进给速度为0.8 mm/min,脉冲平均电压为18 V,电解液为10%(质量分数,下同)NaNO3与10%NaCl的混合溶液,在20 ℃下忽略气泡对电解液的影响,则电导率为11.61 S/m,氢气的密度和比热熔分别为0.09 kg/m3、909 J/(kg·K),工件(阳极)材料为钛合金Ti6Al4V,加工时间为60 s.

2.2多物理场的耦合计算结果

2.2.1电解加工电位及深度分布

在电解加工过程中,电场和流场相互耦合,工具电极析出的氢气降低了溶液的电导率,电导率的变化引起了电场分布的变化,电场的变化导致了加工间隙的变化,从而影响加工成型的变化,出现加工锥度和加工精度不容易控制等问题.图2为数值计算的钛合金方孔电解加工的电位及深度分布,从图中可以看出:方孔4个棱角的电位较大;加工深度曲线的变化趋势基本相同,随着加工时间tm的延长,加工深度随之增大,加工底部的宽度在变小,侧壁锥角随之变大,这从机理上反映了锥角的形成过程,锥角的变化直接影响着成型的加工精度,需要从改善工艺方法上去减小锥度.

图2　电解加工的电位及深度分布

2.2.2流速分布

电解加工间隙流场和电场的相互耦合作用直接影响工件(阳极)的溶解速度场,而溶解速度场也影响着加工间隙的分布,电解液流动的变化情况关系着溶解产物的排出和流场的稳定,流速的变化直接影响着电解加工过程.为了能够将工件(阳极)的溶解产物及时排出,加工中采取比较大的电解液入口压力,根据雷诺数判断加工间隙的流场处于湍流状态.图3为钛合金方孔电解加工的间隙流速分布,从图中可以看出:加工间隙的流速分布不均匀,在加工间隙的入口和出口,电解液流速较大,加工间隙区域内的电解液流速呈曲线分布趋势;随着加工时间的延长,加工间隙出口的电解液流速在降低,这是由于随着电解加工的进行,工件(阳极)产生了大量的溶解产物,这些产物在加工间隙有阻止电解液流动的趋势,也影响着加工区域流场的稳定性,若电解产物没有及时排出,将导致溶液的电导率下降,加工区域阻塞使电解加工中断,因而采取较大的电解入口压力有利于电解产物的排除和流场的稳定.

图3　电解加工的流速分布

2.2.3气泡率分布

在电解加工过程中,工件(阳极)会发生溶解.为了维持电化学反应体系的平衡,在工具电极上析出大量的氢气,在一定的加工条件下有可能也会产生氯气、氧气等,析出的气体以微小气泡形式均匀混合在流过加工间隙的电解液中,形成气液两相流[15],影响着电解液的电导率,其电导率随着气泡率(体积分数)的增加而降低,加工间隙中的气体一部分随着电解液的作用力而发生破灭,另一部分随着电解液的流动被带到加工间隙出口.图4为数值计算的钛合金方孔电解加工气泡率分布.从图中可以看出:加工间隙区域内的气泡率较低,加工间隙出口处的气泡率较高,从加工间隙入口到出口,气体气泡率呈抛物线分布,随着加工时间的延长,电解加工过程产生的气体在增加,气泡率所占比例增大.

图4　气泡率分布

2.2.4温度梯度分布

电解加工中加工电流通过电解液产生了焦耳热,同时由于电解液本身的粘性阻力也会产生热量,这样会导致电解液温度上升,若温度过高,则局部电解液可能沸腾、蒸发,导致局部可能出现空穴现象,使该处加工停止,因而在加工过程中需要对电解液温度进行控制.图5为钛合金方孔电解加工的温度梯度分布,温度梯度是衡量该区域温度的变化程度,从图中可以看出:从加工间隙入口到加工间隙出口,电解液的温度梯度在增大和减小之间交替变化,总体呈上升趋势;随着加工时间的延长,温度梯度分布趋势基本相同,温度梯度增大.

图5　电解加工的温度梯度分布

Fig.5Distribution of temperature gradient during electroche-mical machining

3钛合金方孔电解加工试验

为验证钛合金方孔电解加工耦合场数值计算模型,在电解加工机床上开展了工艺试验研究,图6为钛合金方孔电解加工试验系统示意图,该系统主要包括机床主体、电解液循环系统、脉冲电源等.试验所用的工具电极方形尺寸4.5 mm×4.5 mm,工具电极电解液通道为圆形通道(直径为1 mm),试验前工具电极外表面采用环氧树脂绝缘处理;试验工件经钛合金Ti6Al4V板材线切割而成,工件尺寸为50 mm×50 mm×3 mm,对工件材料表面进行喷砂清洗去除氧化皮,用金相砂纸进行研磨抛光,在进行电解加工之前用丙酮清洗.电解液为10%NaNO3+10%NaCl的混合溶液,工作温度为(20±0.5)℃,脉冲加工平均电压为18 V,工具电极进给速度为0.8 mm/min.

图6　钛合金方孔电解加工试验系统示意图

Fig.6Schematic diagram of electrochemical machining test system of square holes in titanium alloys

电解加工是电场、流场和温度场相互耦合的过程,流场的稳定性影响着电场和温度场,在加工过程中电解液流过工具电极和工件(阳极)形成的加工间隙中,流动的电解液一方面排出间隙中电解产物和所产生的热量,另一方面维持着电解加工体系的平衡,而间隙入口的电解液压力是保证流场稳定的重要条件.在脉冲加工平均电压为18 V、工具电极进给速度为0.8 mm/min、加工间隙为0.2 mm的试验条件下,钛合金方孔电解加工试验结果如图7所示.从图7(a)可知,由于试验中电解液入口压力较低,电解液流速相对较慢,故其移除产物和热量的能力下降,使得电解液电导率下降,从而极间电流密度下降,间隙内流阻增大,加工失去平衡,导致加工区出现严重短路,加工区域内的钛合金表面出现部分脱落,加工质量出现缺陷.从图7(b)可以看出,随着电解液入口压力的增大,电解液流速增加,短路现象有所改善,部分加工产物没有及时排出.从图7(c)可以看出,电解加工区域内的钛合金表面质量好,方坑底部加工均匀,这是由于高的电解液入口压力可以及时将电解产物和气体排出,流场稳定维持着高的电流密度,保证了加工平衡.因而在电解加工中应重点考虑电解液入口压力问题.

　

4方孔电解加工试验与数值计算讨论

在脉冲加工平均电压为18 V、工具电极进给速度为0.8 mm/min、加工间隙为0.2 mm、电解液入口压力为0.5 MPa的试验条件下,图7(c)钛合金方孔试样的形貌和剖面如图8所示.从图8(a)可知,方孔底部表面加工均匀,方孔加工形状尺寸较好;从图8(c)可知,钛合金方孔在加工50、60 s后的加工深度、轮廓的理论数值计算和实际加工实测值基本吻合,验证了钛合金方孔电解加工耦合场模型的正确性,可为指导实际生产提供一定的依据和参考.

图8　钛合金方孔电解加工的形貌与剖面

Fig.8Morphology and profile of electrochemical machining of square holes in titanium alloys

5结论

文中建立了钛合金方孔电解加工的多物理场耦合模型,通过数值计算得到了耦合场各场量随时间的变化规律,开展了加工参数对加工精度和稳定性影响的试验,得到如下结论:①电解加工是电场、流场和温度场相互耦合的过程,文中建立的多物理场耦合数学模型与工件(阳极)的电位有关,这也说明脉冲电源所提供的脉冲电压对电解加工具有重要的意义；②多物理场耦合数值计算结果说明,随着加工时间的延长,加工深度和锥角均增大,加工区域的流速有所降低,加工区域的气泡率和温度梯度均增大.③电解加工过程中加工间隙区域的流速呈抛物线分布趋势,加工区域的大多气泡随着电解液流动被带到加工间隙出口位置,出口位置的气泡率急剧增大.④采用调节溢流阀增大方孔电解加工的电解液入口压力,可使加工区域温度降低,气泡率和流场的阻力减小,从而增大电导率,提升加工电流密度,加快电解排出产物的速度,增强流场稳定性,使方孔棱角特征更加清晰,提高了方孔电解加工精度和表面质量,避免了钛合金零件方孔加工过程短路、杂散腐蚀等问题.由于电解加工过程非常复杂,今后将着重在工艺参数优化和提高加工质量方面开展研究.

参考文献：

[1]房晓龙,曲宁松,李寒松,等.电极内孔结构对钛合金方孔电解加工的影响 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2013,41(9):137- 142.

FANG Xiao-long,QU Ning-song,LI Han-song,et al.Effects of hollow hole structure of electrode on electro-chemical machining of square holes in titanium alloys [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2013,41(9):137- 142.

[2]王维,朱荻,曲宁松,等.群孔管电极电解加工均流设计及其试验研究 [J].航空学报,2010,31(8):1667- 1673.

WANG Wei,ZHU Di,QU Ning-song,et al.Flow balance design and experimental investigation on electrochemical drilling of multiple holes [J].Acta Aeronautica et Astronautica Sinica,2010,31(8):1667- 1673.

[3]王维,朱荻,曲宁松,等.管电极电解加工工艺过程稳定性研究 [J].机械工程学报,2010,46(11):179- 184.

WANG Wei,ZHU Di,QU Ning-song,et al.Investigation on the process stability of electrochemical drilling [J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2010,46(11):179- 184.

[4]王福元.整体叶轮叶片型面数控电解精加工的若干关键技术研究 [D].南京:南京航空航天大学,2011.

[5]RAJURKAR K P,SUNDARAM M M,MALSHE A P.Review of elecrochemical and electrodischarge machining [C]∥Proceedings of the Seventeenth CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining.Leuven:Elsevier,2013:13- 26.

[6]GHOSHAL B,BHATTACHARYYA B.Vibration assisted electrochemical micromaching of high aspect ratio micro features [J].Precision Engineering,2015,42:231- 241.

[7]LI Yong,HU Ruiqin.Micro electrochemical machining for tapered holes of fuel jet nozzles [C]∥Proceedings of the Seventeenth CIRP Conference on Electro Physical and Chemical Machining.Leuven:Elsevier,2013:395- 400.

[8]王明环,章巧芳,彭伟.螺旋孔电解加工多物理场耦合机理研究 [J].南京航空航天大学学报,2014,46(5):774- 779.

WANG Ming-huan,ZHANG Qiao-fang,PENG Wei.Multiphysics coupling of electrochemical machining for spiral hole [J].Journal of Nanjing University of Aeronautics & Astronautics,2014,46(5):774- 779.

[9]KLOCKE F,ZEIS M,HARSt S,et al.Modeling and simulation of the electrochemical machining material removal process for the manufacture of aero engine components [C]∥Proceedings of the 14th CIRP Conference on Mo-deling Operation.Torino:Elsevier,2013:265- 270.

[10]DECONINCK D,VAN DAMME S,DECONINCK J.A temperature dependent multi-ion model for time accurate numerical simulation of the electrochemical machining process [J].Electrochimica Acta,2012,60:321- 328.

[11]ZHU D,WANG W,FANG X L,et al.Electrochemical drilling of multiple holes with electrolyte-extraction [J].Manufacturing Technology,2010,59:239- 242.

[12]GHOSHAL B,BHATTACHARYYA B.Investigation on profile of microchannel generated by electrochemical micromachining [J].Journal of Materials Processing Technology,2015,222:410- 421.

[13]HINDUJA S,KUNIEDA M.Modeling of ECM and EDM processes [J].Manufacturing Technology,2013,62:775- 797.

[14]李志永,朱荻.基于间隙电导率模型的叶片电解加工阴极设计 [J].华南理工大学学报(自然科学版),2005,33(3):73- 77.

LI Zhi-yong,ZHU Di.Cathode design in electrochemical machining of blades based on conductivity mathematical model in machining gap [J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2005,33(3):73- 77.

[15]徐家文,云乃彰,王建业,等.电化学加工技术原理工艺及应用 [M].北京:国防工业出版社,2008.

收稿日期:2015- 11- 20

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(51275230);江苏省科技支撑计划(工业)项目(BE2014051);常州市应用基础研究计划项目(CJ20140046)

Foundation items: Supported by the National Natural Science Foundation of China(51275230) and the Science and Technology Support Industry Project of Jiangsu Province(BE2014051)

作者简介:何亚峰(1975-),男,博士生,主要从事电解加工技术研究.E-mail:460465979@qq.com †通信作者: 卢文壮(1972-),男,教授,博士生导师,主要从事现代加工技术研究.E-mail:meewzlu@nuaa.edu.cn

文章编号:1000- 565X(2016)05- 0110- 07

中图分类号：V 261.5

doi：10.3969/j.issn.1000-565X.2016.05.017

A Probe into Multi-Physics Coupling in Electrochemical Machining Process of Square Holes in Titanium Alloys

HEYa-feng1,2LUWen-zhuang1GANWei-min2,3

(1.College of Mechanical and Electrical Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,Nanjing 210016,Jiangsu,China; 2.Digital Electrochemical Machining Key Laboratory of Jiangsu Province,Changzhou 213002, Jiangsu, China;3.College of Mechanics and Vehicle, Changzhou Institute of Technology,Changzhou 213002, Jiangsu,China)

Abstract:In order to further improve the quality and precision of electrochemical machining, by taking the machining of square roles in titanium alloys as the research object, firstly, a multi-physics coupling mathematical model describing the electrochemical machining of square holes is established, which fully takes into consideration the mutual relationship among electric field, flow field and temperature field. Secondly, the distributions of square role’s multi-physics coupling electrochemical machining potential, machining depth, flow velocity, bubble ratio and temperature gradient are obtained via numerical simulations. Then, the variations different physical parameters with time are discussed. Finally, electrochemical machining experiments of square holes in titanium alloys are carried out, and the influence of electrolyte inlet pressure on processing quality is investigated. The results show that(1) electrochemical machining is an interaction process of electric field, flow field and temperature field;(2) the measured square role contour accords well with the theoretically-calculated one; and (3)with the increase of processing time,the machining depth and cone angle become larger, the flow rate in the processing area decreases, while the bubble rate as well as the temperate gradient increases.

Key words:electrochemical machining; square hole; titanium alloys; multi-physics coupling; gas-liquid two-phase flow