振动电解加工脉冲参数对TC17钛合金成形质量的影响研究

刘莫邪，黄明涛，程小元，张明岐，傅军英

（北京航空制造工程研究所，北京100024）

钛合金具有高强度、高抗氧化性及良好耐腐蚀性等特点，是优异的结构材料和功能材料，常用于制作发动机复杂结构件，且因具有良好的生物相容性而用于制作关节植入物。但钛合金是典型的难加工金属，在其机械加工过程中存在刀具易磨损、切削温度高引发严重表面硬化、加工后有残余应力、弹性模量低、易变形等问题[1]。电解加工通过阳极金属溶解的方式进行加工，不受材料硬度限制，加工速度快、表面质量好、无飞边毛刺，且不产生再铸层、显微裂纹和残余应力，加工过程中无电极损耗，特别适合加工难切削金属材料，也适用于薄壁件、空间曲面、形状较复杂零件的低成本批量生产。分析表明，钛合金表面成形加工采用电解加工方式具有显著优势。

国外已成功将电解加工技术应用于钛合金零件加工中，将其作为加工航空发动机钛合金零件的主要手段，是加工钛合金叶片的重要方法，如EJ200型涡扇发动机低压部分使用了该技术加工的叶片。众多企业还开展了叶片的无余量精密电解加工，加工精度可达0.07～0.08 mm，有些企业还建立了专用的叶片自动生产线。Klocke等[2]综合分析了铣削、电火花、电解等多种钛合金整体叶盘的加工方式，认为电解加工是制备钛合金叶盘最具成本效益的方法，适用于大规模生产叶盘。国内电解加工钛合金技术主要应用于钛合金叶片的叶型加工[3]、整体叶盘的叶栅通道套料[4]等。

本文通过实验研究了不同脉冲参数对TC17钛合金振动电解加工精度及非加工面杂散腐蚀的影响，并结合加工区域电场仿真结果分析了TC17钛合金表面杂散腐蚀的难易。通过对TC17钛合金电解加工特性的研究，为航空用钛合金零部件的制造提供了技术支持。

1 电解浅孔实验方案

1.1 实验装置

对尺寸为40 mm×40 mm×20 mm的TC17钛合金试验块进行振动脉冲电解加工实验，设计了加工电极，并对其侧壁进行绝缘处理，实验装置见图1。电极直径为25 mm且带有直径约10 mm的通液孔。电解液采用正向供液方式，从电极通液孔流出。电解加工系统装置见图2。

图1 试验装置和电极示意图

图2 电解加工系统装置示意图

1.2 工艺评价指标

图3是加工结果实物图。为了更清楚地分析脉冲参数对TC17钛合金成形质量的影响，选取中心凸台底部直径、凸台锥度及凸台顶部杂散腐蚀程度作为评价指标（图4）。

图3 电解加工实物图

1.3 加工参数选择

1.3.1 电极振动参数

电极振动参数包括电极振动频率F和电极振幅A。振动电解加工设备的振动进给装置主要有电磁式、超声振动式、机械偏心式等结构[5]，前两种结构的驱动力过小，多用于微米级尺寸加工；机械偏心式结构易控制，可保证振动与加工脉冲同步，还可满足质量较大的工具阴极振动进给电解加工要求，是常用的结构形式。本次实验设备也采用机械偏心结构作为振动驱动，鉴于该结构振幅不可调，故设振幅为0.3 mm，振动频率为40 Hz。

图4 评价指标参数示意图

1.3.2 脉冲参数

在振动电解加工过程中，加工间隙随着电极振动变化，在振动最低点（180°振动角）时，加工间隙最小，故脉冲开通、关闭角应设置在该点附近，以保证小间隙加工、大间隙冲刷，有助于提高加工精度和表面质量；当电极从0°角振动到开通角时，脉冲开启，电解加工开始，至电极振动至关闭角时，脉冲关闭，结束一个振动周期内的电解加工。一般设前导通角（βon～180°）为后导通角（180°～βoff）的 2 倍，并将二者按2∶1的比例分配。虽然初始加工间隙较大，但加工结束时的加工间隙很小，有利于提高加工精度、增强加工稳定性，故实验中的脉冲导通角均按前、后导通角为2∶1的比例分配（图5）。

图5 一个振动周期内的脉冲电流示意图

实验重点研究脉冲参数对电解加工的影响，从固定脉冲周期改变脉冲宽度、固定脉冲宽度改变脉间宽度入手设计了两组实验，工艺参数见表1。其他实验条件为：加工电压22 V、初始间隙0.2 mm、加工行程3 mm、进给速度0.08 mm/min；取质量分数为10%的NaNO3溶液作为电解液，设电极振幅为0.3 mm，电解液压力为8 bar。

2 加工区域电场仿真

根据实验参数简化模型，利用ANSYS 14.0有限元分析软件对加工终止位置时的加工区域电场进行仿真，重点分析中心凸台顶部非加工表面电流密度的分布情况。设质量分数为10%的NaNO3溶液的电导率为0.11 Ω/cm；采用TC17钛合金作为阳极材料、316L不锈钢作为阴极材料，设侧壁绝缘层厚度为0.5 mm，电极与阳极浅孔底部间隙为0.1 mm，加工电压为22 V。仿真得到加工区域的电场分布情况见图6a，加工区域的电流密度分布情况见图6b。

从图6所示电场仿真结果可知，浅孔底部加工区域的电流密度值最大（170～230 A/cm2）且分布均匀，中心凸台侧面的电流密度值为40～170 A/cm2，且从底部到顶部逐渐降低。在电解加工过程中，中心凸台顶部表面存在杂散电流，而凸台边缘处的杂散电流值可达40 A/cm2，电流密度则由凸台边缘向中心逐渐减小，中心处电流密度值为9～18 A/cm2。由此推断，凸台顶部非加工表面的杂散腐蚀程度由中心向边缘逐渐加深。至于凸台顶部表面中心处是否会在10 A/cm2左右的电流密度下发生腐蚀，则需进一步的实验验证。

表1 实验参数表

图6 加工区域电场仿真

3 实验结果及分析

由图3所示的加工实物可看出，中心凸台外侧的浅孔底部平面上有一圈明显的流痕和凸起区域。一方面是由于采用了正流式的实验流场方式，该部位流场处于发散状态，不同位置的流场状态变化较大，易产生流痕；另一方面是由于该部位的电解产物易聚集，电解液不能充分更新，影响了该部位的电解去除能力。本文将重点针对脉冲参数对中心凸台成形质量的影响进行分析研究。

3.1 脉冲参数对中心凸台直径的影响

图7是两组实验中脉冲参数对中心凸台底部直径的影响曲线。可看出，当脉冲周期保持不变时，凸台底部尺寸精度随着脉冲宽度的减小而提高。这是因为随着脉冲宽度变窄，在相同加工时间内，凸台侧面的加工时间减少，造成蚀除量相对减少，电极内孔与凸台之间的加工间隙减小，使加工形成的中心凸台底部直径增大，且与电极内孔尺寸更接近。然而，随着脉冲宽度进一步减小，降低了电解加工的去除能力，使中心凸台底部直径进一步增大，超过了电极内孔尺寸，定域性有所降低。

图7 脉冲参数对凸台底部直径的影响

当保持脉冲宽度不变时，凸台底部尺寸精度随着脉间宽度的增大而提高。原因在于：当脉冲间隔较小时，由于凸台底部及浅孔底面间隙较小，前一个脉冲的加工产物不能及时排出加工间隙就立即进行下一个脉冲的加工，使电解液得不到充分更新，电解加工去除能力减弱，导致中心凸台底部直径大于电极内孔直径；随着脉冲间隔增大，有利于电解产物排出，提高了凸台底部加工区域的去除能力，定域性有所提高，但由于脉宽固定，实际加工时间没有变化，随着脉冲间隔进一步增大，凸台底部直径趋于稳定。

3.2 脉冲参数对中心凸台锥度的影响

图8是两组实验中脉冲参数对中心凸台锥度的影响曲线。可看出，当脉冲周期保持不变时，凸台锥度随着脉冲宽度的减小而减小。这是因为随着脉冲宽度变窄，在相同加工时间内，凸台侧面的加工时间减少，蚀除量相对减少，凸台底部与顶部蚀除量的差值减小，导致锥度降低。

图8 脉冲参数对凸台锥度的影响

当脉冲宽度保持不变时，凸台锥度随着脉间宽度的增大而降低。这是因为脉冲间隔较小时，凸台底部电解产物不易排出，降低了底部加工区域的去除能力，而凸台顶部距电极内壁间隙较大，电解产物易排除，电解液更新顺畅，去除能力并未受到影响，导致凸台锥度偏大；随着脉冲间隔增大，有利于电解产物排除，提高了底部加工区域的去除能力，锥度有所降低，但由于脉宽固定，实际加工时间没有变化，随着脉冲间隔进一步增大，凸台锥度趋于稳定。

3.3 脉冲参数对凸台顶部杂散腐蚀水平的影响

根据表1所示两组实验数据加工浅孔，加工时间约为37.5 min，所形成的中心凸台上表面和孔口轮廓分别见图9、图10。可见，中心凸台上表面虽为非加工表面，但暴露于电解液中受到电极内孔壁杂散电流的影响，不可避免地受到腐蚀，其腐蚀程度由中心向四周逐渐加深，与图6所示的电场仿真分析结果一致。由图9a可看出，中心凸台顶部非加工表面完全受到杂散腐蚀，故认为TC17钛合金易受杂散腐蚀影响，且在10 A/cm2的电流密度下即可发生腐蚀。

当固定脉冲宽度Tpon=0.36 ms时，凸台上表面完全被腐蚀，形成了大量的凹坑；随着脉宽变窄，凸台顶部腐蚀程度逐渐降低，仅有部分区域受到腐蚀，形成的小坑深度也相对较浅，说明在一定范围内减小脉冲宽度，有助于减弱非加工表面的杂散腐蚀。一方面是因为减小脉冲宽度，实际上也减小了凸台顶部受杂散电流影响的时间；另一方面，根据图11所示的电解加工阳极电容模型[6]（C为等效双电层电容；Rd为电化学反应电阻；Rr为溶液电阻），由于非加工表面与电极之间形成的等效双电层电容远大于加工区域的，其等效时间常数τ（τ=RlC，Rl为等效电路电阻，Rl=Rr/Rd）也大于加工区域内的，则需更长的充电时间才能达到所需的加工电压。随着脉冲宽度减小，脉冲对双电层的充电时间减小，导致该部位还未达到分解电压或刚达到分解电压就开始放电，降低了非加工区域的腐蚀程度[6～7]，且凸台中心与电极内壁之间形成的电容远大于凸台边缘的，故凸台中心受到杂散腐蚀的程度要远小于凸台边缘。

图9 固定脉冲周期（Tpoff=0.66 ms）时，不同脉冲宽度加工所得的中心凸台轮廓

图10 固定脉冲宽度（Tpon=0.2 ms）时，不同脉间宽度加工所得的中心凸台轮廓

由图10可见，当脉冲宽度固定时，改变脉间宽度，非加工表面的杂散腐蚀情况并没有明显变化，说明单纯改变脉冲间隔并不能起到减弱非加工面杂散腐蚀的作用。

图11 阳极电容模型[6]

4 结论

（1）脉冲宽度是影响TC17钛合金电解加工成形精度的主要参数。减小脉冲宽度，有利于提高电解加工的定域性和成形精度。

（2）电解加工TC17钛合金时，非加工表面易出现杂散腐蚀，而减小加工过程中的脉冲宽度可明显降低其杂散腐蚀程度。

（3）脉冲宽度大小主要影响加工产物的排出，对电解加工成形精度和表面质量的影响相对较弱，但过小的脉间宽度不利于电解产物的排出，会降低加工区域的蚀除能力，进而影响加工精度。

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