球槽曲面电解加工流场设计及试验研究

2021-08-26周叙荣蒋永锋干为民何亚峰

电加工与模具 2021年4期

周叙荣，蒋永锋，干为民，何亚峰，徐波

（1.河海大学机电工程学院，江苏常州213022；2.常州工学院航空与机械工程学院，江苏省特种加工重点实验室，江苏常州213032）

球槽曲面是一种球形轮廓扫掠曲线后形成的曲面，常应用于盘式制动器[1]，钢球在驱动轴端面和螺杆端面的球槽曲面中滚动来完成制动并最终驻车，受几何形状、高硬度与高精度的限制，传统切削方法通常难以加工。电解加工是一种基于法拉第定律的特殊机械加工工艺，利用金属在电解液中发生阳极溶解进而去除材料，将工件阳极按照预先制备的工具阴极的形状和尺寸“拷贝”加工出所需的工件形状[2]。相比其他加工方法，电解加工具有工具阴极无损耗、无切削力、加工不受材料切削性能影响及加工精度好、成形效率高等诸多优点[3]，常应用于汽车零部件、医疗设备、航空航天、模具、齿轮、涡轮叶片等工业制造领域[4]，特别适合于高硬度、难加工材料的曲面、异形面的加工[5]，为加工球槽曲面提供一种低成本、高效率、高质量的加工方式。

流场设计是电解加工的关键技术之一，电解液流场设计时，应保证加工间隙供液充分、流场分布均匀，且电解液具有较高的冲刷速度，以便于带走加工产物、气泡和热量，避免产生局部缺液涡流等现象[6]。电解液的压力、流动方式都是影响流场的主要因素。徐正扬等[7]在叶片电解加工中，采用主动控制型电解液流动方式，有助于流场的均匀稳定。李晓龙等[8]用涡轮钻具叶片阴极模型和近轮廓模型代替传统的理想化模型，得到最优的电解液流场分布；同时，为在分析涡轮钻具叶片流场时获得更好的流场分布效果，在叶盆阴极流场使用了竖直导流，在叶背阴极流场使用了相切导流。刘强等[9]针对航天发动机叶片式扩压器提出了一种阴极交叉结构并设计了部分阻隔式反W型流场，解决了反W型流场的漏液，进行了流场仿真与电解加工试验。王轶禹等[10]在渐开线内花键电解加工流场设计时，使用带有导流段的变截面阴极，可以降低工件表面的流速波动。薛润荣等[11]在异形深孔电解加工时设计导流结构，能在一定程度上减弱异形孔开始加工阶段的流场发散程度，使流场快速进入稳定加工状态，分析得出在电解液入口压力0.9 MPa、出口背压0.3 MPa时，底面加工区域流速满足设计要求。王雅丽等[12]分析了阴极形状和电解液入口压力对流场流速分布的影响，发现入口压力越大，电解液的流速越大。

为了研究和提高球槽曲面电解加工过程的稳定性，本文采用数值分析方法研究了不同电解液流动方式、导流结构和电解液压力对流场的影响，并开展极间电压、进给速度对球槽曲面电解加工工艺稳定性的影响试验。

1 流场设计

1.1 电解液流动形式设计

设计电解液流动形式的目的是使加工间隙内的电解液流量充足，保证电解加工过程的稳定性。电解液常见的流动方式有径向正流、径向反流和侧向流动三种。径向正流的电解液从工具阴极内部流向加工间隙，再从加工间隙中向四周流出；径向反流与径向正流的电解液流动方向正好相反；侧向流动电解液则直接进入加工间隙，从一侧边进入，从另一侧边流出。电解液流动形式需要根据毛坯形状和零件最终要求形状综合分析后确定，针对球槽曲面采用两种电解液流动方式及三种流道模型进行研究。

图1是电解液径向正流示意图和径向正流的流道模型图，在加工过程中，电解液以一定的压力从工具阴极入口进入，再经过通液槽流入加工间隙，最终从已加工间隙中向四周流出，并带走电解产物。

图1 径向正流模式

图2是电解液侧向流动示意图和侧向流动流道模型，其中图2c为电解液侧向流动长流程流道模型，图2d为电解液侧向流动短流程流道模型。电解液由进口流入，流经导流段，从加工区域一侧（短方向或长方向）进入加工间隙，再从另一侧流出，最终由电解液出口流出，带走电解产物。

图2 侧向流动模式

1.2 电解液进口流速选择

流速是保证电解加工过程得以稳定进行的主要流场参数之一。进口压力是保证电解液流速的必要条件，选择适当的流速，便能从加工间隙中带走电解产物，且使电解液流动状态处于达到紊流状态，加工电流保持在较为稳定的状态，电解液紊流状态流速满足[11]：

式中：u1为电解液流速；v为电解液的运动黏性系数；Dλ为水力直径。

2 流场模型数值分析

在电解加工中，球槽曲面工具作为阴极连接电源负极，工件作为阳极连接电源正极，如图1a、图2a所示。电解液作为导电介质高速流过工具阴极与工件阳极所形成的加工间隙，在直流稳压脉冲电源作用下发生电化学反应，金属工件材料被溶解并不断产生电解产物，随着电解液的不断流动，溶解的电解产物从加工侧面间隙被带出。

为了保证球槽曲面电解加工区域内流场均匀稳定、电解液流量供给充足，避免出现通液槽流线相交、空穴和分离等流场弊端，采用流场数值分析方法研究电解液流动方式、设计导流段结构、电解液压力对电解液流场的影响规律。

2.1 流动方式对流场的影响

工件加工表面的电解液流速分布对加工过程稳定性影响显著，图3是进口压力0.8 MPa、出口压力0.2 MPa时，工件加工表面电解液流速等值线分布情况。在图3a所示的电解液正向流动方案中，电解液经通液槽垂直流向加工区域后，碰撞工件而沿工件表面向四周分散，中间流速最低、为3.02 m/s，通液槽两侧流速最高、为26.2 m/s，加工表面流速出现由最低向最高的突变，流速不稳定，易出现短路，工件加工表面通液槽处出现加工余量残余。在图3b所示的电解液侧向流动长流程方案中，工件加工表面长流程方向电解液流速由低变高再变低，流速最低为5.49 m/s，最高达25.54 m/s；图3c所示的电解液侧向流动短流程方案中，工件加工表面短流程方向电解液流速也是由低变高再变低，流速最低为6.21 m/s，最高达27.91 m/s。三种方案流场比较可知，正向流动方案中流程最短，但流速不稳定；侧向长流程方案中流程最长，流阻最大，流速衰减最大；侧向短流程方案中流程较短，流速最大。

图3 加工表面流场分布

根据上述分析结果可知：电解液侧向短流程方案的工件加工表面电解液流速最高，分布较为均匀，避免了缺液及流线交叉的问题。

2.2 导流段对流场的影响

稳定的流场可提高球槽曲面电解加工的精度和稳定性。为了使球槽的加工曲面流场均匀，必须在加工间隙进口前布置一段适当长度的导流段，在加工间隙出口后布置另一导流段[13]，以确保从加工间隙全长上均处于紊流状态，且不发生流线相交、不形成空穴现象，防止电解分离现象，为此要对侧流进行电解液流道设计。图4是球槽曲面侧向流道模型，加工间隙进口前设计有一长Li、高Hi的导流段，并呈α角收敛状进入加工间隙，从而可以提高流场的稳定性；同样，出口也设计有一长Lo、高Ho的导流段，电解液从加工间隙出去后呈β角展开状流出。侧流流道共计有6种参数，每种参数均预先设定3个数值，通过数值模拟计算后，优先选择有利于电解加工的参数，最终确定进口导流段Li取27 mm、，Hi取3 mm、α角取18°；出口导流段Lo取27 mm、Ho取3 mm、β角取15°。

图4 球槽曲面侧向流道模型

2.3 电解液压力对流场的影响

图5a是侧向短流程轴线方向电解液出口背压0 MPa、进口压力0.5 MPa的电解液压力分布，压力由加工区进口到出口呈下降趋势，在加工区出口附近出现-0.3 MPa的负压，电解液发生气化，气泡聚集出现空穴现象，工件表面易产生放射性条纹；防止产生空穴的主要办法是施加适当背压。图5b是电解液出口施加0.2 MPa背压的电解液压力分布，压力由电解液进口0.5 MPa沿电解液流程降至0.187 MPa，压力分布均匀性明显改善；但施加出口背压降低了电解液平均流速，电解液的扰动和更新能力减弱，电解产物蓄积严重，阻碍加工过程的稳定进行。

图5 球槽曲面侧向流道模型

图6、图7分别是进口压力0.5、0.8、1.1 MPa，出口背压力均0.2 MPa时，侧向短流程工件加工表面电解液压力与流速分布。可见，加工区域电解液压力由进口压力值逐渐减少至出口压力值；加工区域电解液流速先增加后减少，入口压力由0.5 MPa增加至1.1 MPa时，电解液平均流速逐渐增大。当入口压力是0.5 MPa时，从入口至出口，压力减少缓慢；入口压力是0.8 MPa时，从入口至出口，压力减少加快；入口压力是1.1 MPa时，从入口至出口，压力减少最快，并在出口处附近出现-0.046 MPa的负压。剔除负压和低速因素，选择入口压力0.8 MPa为宜。

图6 加工表面的压力分布图

图7 加工表面压力与流速分布图

3 试验与讨论

3.1 试验条件

表1是球槽曲面电解加工试验选用的条件及工艺参数，阴极、工件材料为304不锈钢。

表1 试验条件及工艺参数

3.2 径向正流试验准备

图8是径向正流电解加工试验装置，主要包括电解加工机床、工件夹具和工具阴极。工具阴极连接在机床进给系统上沿Z轴作往复运动，并对阴极非工作区域进行绝缘；工件固定在工件夹具上，电解液在液压泵的作用下通过过滤器，从工具阴极入口进入，经通液槽高速流入加工区域，在电化学作用下工件发生溶解最终完成加工。

图8 径向正流电解加工试验装置

3.3 侧流试验准备

图9是侧流电解加工试验装置，包括电解加工机床、试验夹具和工具阴极。其中，图9a为试验夹具实物，试验夹具包括上座、底座和保压罩；图9b、图9c分别为侧向长流程与短流程试验夹具体模型。上座通过U形槽用螺钉吊装在机床主轴上，工具阴极通过螺钉吊装在上座上，方便可拆卸，以便在电解加工出现短路烧伤后更换；工件毛坯通过螺钉固定在夹具底座上；保压罩安装固定在底座上，罩住工具阴极和工件毛坯，工具阴极和工件毛坯设计有导流槽，电解液从试验夹具的进液口流入，经导流槽进入加工区域，最终由出液口流出。

图9 侧流电解加工试验装置

3.4 电解液流动方式对工艺稳定性影响

加工过程稳定性受到不同电解液流动方式的影响。通过进行电解液正向流动、侧向长流程和侧向短流程单因素试验，在加工电压16 V、进给速度0.4 mm/min时得到的加工样件形貌见图10。

如图10a所示，采用电解液正向流动时，由于电解液经通液槽垂直流向加工区域后，碰撞工件而沿工件表面向四周分散，电解液流速不均、不稳定，导致加工区内各处电导率差异明显，部分区域蚀除速率较低，加工过程中发生多次短路，且工件加工表面通液槽处留有加工余量残余。

图10 试验样件

采用电解液侧向流动时，加工过程中电流变化较为平稳，未发生短路。图10b所示为侧向长流程加工所得样件，由于流程长，电解液流阻较大，流速衰减较快，电解产生的气泡会在长流程的后段聚集，阻碍电解加工，并伴有电解产物堆积的现象，最终形成的样件加工表面右侧轮廓变小，且型面有黑色的电解产物堆积；图10c所示为侧向短流程加工所得样件，由于流程短，电解液流阻小，流速均匀，使得样件曲面轮廓清晰，表面光亮，表面光整度好。试验结果表明：电解液侧向短流程改善了流场的均匀性，有利于曲面类零件电解加工的进给速度与加工质量。

3.5 极间电压对工艺稳定性影响

极间电压是电解加工的一个关键工艺参数，是施加在工件阳极和工具阴极之间的电压，它不仅可以建立电解加工电极之间的电场，保证电解加工过程的连续进行，而且可以保持电解加工过程中的电流密度。在其他电解加工工艺参数不变的情况下，极间电压越高，平衡间隙就越大，工艺稳定性越差。

图11是不同极间电压下电解液侧向短流程方式试验结果，在其他电解加工条件不变的情况下，极间电压从16 V增加至24 V，平衡间隙明显随之从152μm增大到279μm，且呈线性增长。这是由于随着极间电压的增加，球槽曲面的工具阴极与工件阳极的电流密度也增加，而进给速度保持不变，电解反应越来越强烈，从而导致更多的金属材料单位时间内溶解，最终导致平衡间隙增大。

图11 极间电压与平衡间隙的关系

陈远龙等[14]对叶片进行电化学加工，得知加工电压越大，间隙也相应增大，且间隙分布越不均匀。ZHANG等[15]用空心管电解钻孔时发现，低电压和高进给速度钻进时平衡间隙小，高电压和低进给速度钻进时平衡间隙大，最终得到在适当的电压与电极进给速度设置下，孔底不会产生尖刺。CHAI等[16]进行电解加工冷却孔时发现，孔的单侧间隙随极间电压的增加而增大，原因是极间电压的增加导致管工具和冷却孔之间的电流密度变高，进而导致更多的工件材料单位时间溶解，形成更大的单边间隙。CHEN等[17]研究了钛合金Ti60叶盘的电解加工，发现随着电压的升高，电解反应越来越强烈，会产生大量的电解产物，聚集在加工区，使得表面粗糙度变差。

3.6 阴极进给速度对工艺稳定性影响

进给速度为工具阴极的进给速度，是电解加工的另一个关键工艺参数，对工艺稳定性的影响也很大。图12是不同阴极进给速度下电解液侧向短流程方式试验结果，在其他电解加工条件不变的情况下，进给速度从0.4 mm/min增大至0.8 mm/min，平衡间隙从226μm先增至230μm再减至193μm，总体减少了14.6%，平衡间隙与进给速度总体呈下降直线关系。这是由于随着进给速度的增加，电流密度也增加，从而使金属材料电解腐蚀速度加快；进给速度比材料溶解速度快，进一步缩小工具与工件间的间隙，工艺稳定性越好。然而，进给速度过快，会引起加工过程频繁短路。

图12 进给速度与平衡间隙的关系

Anasane等[18]在电化学微机械加工钛基通孔时发现，当微刀具进给速度比材料溶解速度快时，电极间的间隙进一步缩小。LIU等[19]研究金属管内环形微槽脉冲电化学锯切加工时发现，随着进给速度的增加，加工间隙会减小；然而加工间隙过小时，电化学反应会很剧烈，会发生不期望的放电与短路。在其他电解加工工艺参数不变的情况下，进给速度越快，平衡间隙就越小，工艺稳定性越好。