劉玉杰　趙建社　干為民　祈　璐

1.南京航空航天大學(xué)，南京，210016　　2.常州工學(xué)院，常州，213002

輕量化階梯孔結(jié)構(gòu)電解加工試驗研究

劉玉杰1趙建社1干為民2祈璐1

1.南京航空航天大學(xué)，南京，2100162.常州工學(xué)院，常州，213002

針對內(nèi)大外小輕量化階梯孔結(jié)構(gòu)特點與加工難點，采用固定陰極電解加工方式實現(xiàn)其內(nèi)孔加工。以某飛機起落架轉(zhuǎn)軸中心階梯孔為例，為提高其加工質(zhì)量及加工效率，基于數(shù)值分析和試驗驗證的方法優(yōu)化了陰極結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際生產(chǎn)需要，提出了階梯式變電壓加工方法。在上述基礎(chǔ)上修正陰極錐度并進行工藝試驗，最終加工出合格件，該方法加工質(zhì)量穩(wěn)定，滿足批量生產(chǎn)需要。

階梯孔；電解加工；固定陰極；數(shù)值分析；階梯式電壓

0　引言

輕量化結(jié)構(gòu)件在以減重、高性能為目標(biāo)的航空航天和汽車交通等領(lǐng)域應(yīng)用十分廣泛[1]。據(jù)統(tǒng)計，汽車質(zhì)量每減少10%，燃油消耗可降低6%～8%，相應(yīng)的排放下降5%～6%[2]。航空航天工業(yè)對減重的要求更是以克為單位，輕量化結(jié)構(gòu)件成形制造的能力水平和技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo)，已經(jīng)成為衡量一個國家的制造工業(yè)發(fā)展水平以及重大關(guān)鍵技術(shù)裝備自主創(chuàng)新能力的主要標(biāo)志之一[3-4]。

輕量化結(jié)構(gòu)的表現(xiàn)形式多種多樣，階梯孔結(jié)構(gòu)為其中之一，表現(xiàn)為內(nèi)大外小，且兩孔間以圓角過渡。階梯孔結(jié)構(gòu)在滿足機械性能的前提下，可有效減輕該零件的重量，對以減輕構(gòu)件重量為第一目標(biāo)的航空設(shè)計具有重要意義。常規(guī)機械加工方法更適用于內(nèi)小外大式階梯孔，加工內(nèi)大外小階梯孔零件時較困難，特別是當(dāng)材料難切削或內(nèi)外孔直徑差較大、內(nèi)孔較深時，甚至無法加工。電解加工因不存在機械切削力且工具陰極無損耗等優(yōu)點，在此類輕量化結(jié)構(gòu)的制造中顯示了良好的應(yīng)用前景。本文將電解加工應(yīng)用于某型飛機起落架轉(zhuǎn)軸內(nèi)部輕量化階梯孔的加工，通過合理選擇加工方案、優(yōu)化設(shè)計夾具和陰極，來實現(xiàn)此類零件的高效、低成本加工。

1　電解加工裝置設(shè)計

1.1加工方式的選擇

圖1所示為某飛機起落架轉(zhuǎn)軸，該類零件在結(jié)構(gòu)上有以下特點：①中心孔內(nèi)大外小，外孔直徑d2=20 mm，內(nèi)孔直徑d1=28 mm、30 mm;②內(nèi)孔深度l1=66 mm、133 mm，外孔深度l2=46 mm;③外孔與內(nèi)孔過渡處及內(nèi)孔底端以圓角過渡。

圖1　某飛機起落架右轉(zhuǎn)軸

針對上述零件特點，可考慮采用片狀陰極移動式加工和整體式陰極固定加工兩種方式進行加工。片狀陰極移動式加工陰極結(jié)構(gòu)簡單、制造容易，但加工效率低，且由于本文所針對的加工對象外孔與內(nèi)孔直徑差達10 mm，內(nèi)孔加工深度l1達133 mm，材料去除量大，采用此方式加工效率太低，難以滿足其工業(yè)生產(chǎn)。整體式陰極固定加工需要較大容量的電源，但加工效率高[5]，更適于上述零件的加工。1.2夾具設(shè)計

采用陰極固定方式加工圖1所示零件時，電解液流動形式可考慮正流式和反流式。反流式結(jié)構(gòu)為收斂流，流場均勻性較好，進出口壓力易于控制，然而由于流程較長，密封裝置設(shè)計難度較大。本文采用正流式結(jié)構(gòu)并加適當(dāng)背壓，利用高速流動的電解液形成加工間隙流場，能滿足加工要求。在工藝試驗中設(shè)計的正流式電解加工裝置如圖2所示(電解液流向如箭頭所示，背壓大小可通過調(diào)整密封圈壓塊松緊來控制)，該裝置主要由陰極導(dǎo)電板、陰極接桿、密封圈、密封圈壓塊、背壓腔、工具陰極、支座、工件、工件導(dǎo)電板等組成。

圖2　正流式電解加工裝置

1.3陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

電解加工是建立在加工間隙中特定的電場、流場分布的基礎(chǔ)上的，因而電場、流場因素直接影響到加工間隙的分布狀態(tài)，進而影響到工具陰極的設(shè)計[6-7]。

1.3.1陰極設(shè)計

針對圖1所示零件的特點，基于等間隙原則設(shè)計的陰極如圖3所示，包括加工部位和絕緣部位，其中加工部位用于零件內(nèi)孔的電解成形，絕緣層用于保護外孔不受電解作用，而陰極加工部位與絕緣層之間的過渡由于直接影響零件內(nèi)外孔間過渡圓角的質(zhì)量而顯得尤其重要。為得到較佳的圓角質(zhì)量，設(shè)計了三種方案：方案1采用階梯過渡，同時考慮到陰極剛度，絕緣層半徑較陰極加工部位小0.2 mm；方案2采用圓角過渡，過渡區(qū)圓角半徑0.2 mm；方案3采用直線過渡，即絕緣層直徑等于陰極加工部位直徑。

圖3　不同結(jié)構(gòu)陰極

1.3.2電場分析

為了掌握不同結(jié)構(gòu)陰極加工時工件圓角過渡處的電場分布，設(shè)計中利用comsol軟件進行電場分析。圖4為加工間隙分布圖，仿真用的電場模型如圖5所示，三種模型施加相同的邊界條件(陽極電勢為10 V，陰極電勢為0，初始加工間隙0.3 mm，電導(dǎo)率7.2 S/m)，得到工件圓角附近(圖5中方框區(qū)域，內(nèi)外孔分界線左側(cè)4 mm，右側(cè)6 mm，用l表示)電流密度i分布曲線，如圖6所示，從圖6中可知三種陰極結(jié)構(gòu)對應(yīng)工件圓角附近的電流密度均從48 A/mm2左右開始下降至0，下降速度順序從高到低依次為方案2、方案1、方案3，其中方案1和方案3相近，軌跡近似為正弦曲線。由上述結(jié)果分析可知，方案1和方案3能形成圓角，而方案2將形成變圓角，但由于三者相差較小，故最終加工結(jié)果區(qū)別不大，均能夠滿足本文零件加工需求。

圖4　加工間隙分布圖

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3Γ1-陰極邊界　Γ2-陽極邊界　Γ3-絕緣邊界圖5　不同結(jié)構(gòu)陰極電場模型

圖6　不同結(jié)構(gòu)陰極圓角附近電流密度分布

1.3.3流場分析

為了掌握加工間隙中流速分布，設(shè)計中利用FLUENT軟件進行流場分析。一般可認(rèn)為，電解液為理想狀態(tài)液體，不含氣泡、固體顆粒；流體為不可壓縮、恒定的牛頓流體；加工過程中忽略電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的電解液溫度變化及溫度變化造成的能量耗散，流體流動受質(zhì)量守恒方程和動量守恒方程的約束[8-9]。

圖7a為整個流道流速分布，圖7b為不同陰極結(jié)構(gòu)工件圓角過渡處電解液流速分布，其中，進口處電解液壓力為0.4 MPa，出液口處壓力為0.1 MPa，由數(shù)值分析結(jié)果可知，方案1和方案2加工間隙流速均在10 m/s左右，方案3整個流道流速在8.6 m/s左右，相比較而言，方案1和方案2加工間隙內(nèi)電解液更新較快，更有利于電解加工的進行。然而，方案1和方案2圓角過渡處存在不同程度的“死水區(qū)”，電解產(chǎn)物易在此處聚集，引起局部電解液電導(dǎo)率下降，進而對圓角的形成造成影響。綜合上述流場數(shù)值分析結(jié)果，方案3最為合理。

1.3.4試驗驗證

(a)整個流道流速分布

(b)圓角過渡處流速分布圖7　不同陰極結(jié)構(gòu)流場分析

根據(jù)上述數(shù)值分析結(jié)果進行試驗驗證。試驗結(jié)果如圖8所示，方案1工件大小二孔的過渡圓角半徑已經(jīng)明顯偏大，并存在一道“溝壑”，方案2工件圓角質(zhì)量相對方案1有很大改善，但仍存在一道淺“溝壑”(方案1溝壑深近2 mm，方案2溝壑深近1 mm)，而方案3工件圓角過渡處加工效果良好。這與數(shù)值分析結(jié)果較為一致，綜合電場和流場數(shù)值分析和試驗驗證可知，采用數(shù)值分析方法進行陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計，能夠縮短陰極設(shè)計周期，且仿真結(jié)果與試驗驗證結(jié)果較為一致。綜上分析，考慮實際加工需要，應(yīng)采用方案3。

(a)方案1　　　(b)方案2(c)方案3圖8　不同陰極結(jié)構(gòu)加工后圓角過渡處

2　電源參數(shù)選擇與優(yōu)化

整體式陰極固定加工相對片狀陰極移動式加工對電源的容量要求大得多，合理選擇其電源參數(shù)對工程應(yīng)用具有重要意義。加工過程中工件蝕除速度va可按式(1)或式(2)計算：

(1)

(2)

S≈π(φ0+2Δt)l1

(3)

將式(3)代入式(2)得

(4)

由式(1)和式(4)可得

(5)

式中，η ω為實際體積電化學(xué)當(dāng)量，可通過實驗的方法測得；U為陰陽極間的電壓；δE為陰陽極極化電位值之和，或近似為分解電壓；κ為電解液電導(dǎo)率；va為陽極(工件)溶解速度；Δt為加工間隙；It為加工電流；φ0為陰極直徑；S為加工面積。

由式(1)可知，采用恒壓源模式加工時，工件蝕除速度va與加工間隙Δt成雙曲線關(guān)系，初始階段加工間隙Δt很小，工件蝕除速度va很大，如果電解液流速不夠高，極間電解產(chǎn)物和氫氣將來不及時排出，易發(fā)生結(jié)疤、短路等現(xiàn)象，隨著加工間隙Δt的逐漸變大，工件的蝕除速度va越來越小，由于加工初始階段與加工最終階段加工間隙Δt相差數(shù)十倍，故加工最終階段工件的蝕除速度va將非常緩慢，整個加工過程的時間很長(工件蝕除速度va隨時間t的變化趨勢如圖9a所示)，難以滿足生產(chǎn)需求。

由式(4)可知，采用恒流源模式時，由于Δt相對φ0較小，故整個加工過程中工件蝕除速度變化不大(工件蝕除速度va隨時間t變化趨勢如圖9b所示)。然而，根據(jù)式(5)可知，由于最終加工階段加工間隙很大，此時加工電壓很大，易超出電源的容量，若減小加工電流使加工電壓降低又會大大影響加工效率。

(a)恒電壓　 　(b)恒電流(c)階梯式電壓圖9　工件蝕除速度隨加工時間變化

同時，由式(1)～式(3)可得

(6)

(7)

(8)

由式(6)可知，在加工電壓和電解液參數(shù)一定的情況下，工件蝕除速度va與加工電流It成線性關(guān)系，故當(dāng)電流變化較慢時，提高加工電壓，并通過式(8)判斷何時達到加工要求。

3　加工試驗

3.1試驗條件

輕量化階梯孔電解加工試驗在自行研制的電解加工機床上進行，圖10所示為電解加工試驗現(xiàn)場。試驗采用功率為90 kW的直流電源，選用了圖9c所示的階梯式電壓進行加工，電壓參數(shù)如表1所示。試件材料為超高強度鋼30CrMnSiNi2A；電解液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12% 的NaNO3溶液，進口壓力為0.4 MPa，出口壓力為0.1 MPa，初始溫度為30 ℃。

圖10　電解加工現(xiàn)場

加工電壓(V)1015202530加工時間(min)456610

3.2加工誤差分析

使用上述加工參數(shù)，采用圓柱陰極加工后的零件如圖11所示，表現(xiàn)0.8°的倒錐度。實際加工中，考慮溫度和氣泡率影響，電導(dǎo)率κ(x)和加工間隙Δ(x)由下式確定:

κ(x)=κ0[1+ξ(T(x)-T0)](1-β(x))n

(9)

Δ(x)=Δ0[1+ξ(T(x)-T0)](1-β(x))n

(10)

其中，Δ0為出口加工間隙，(1+ξ(T(x)-T0))描述了溫度的影響，(1-β(x))n反映了氣泡率的作用。

從式(9)、式(10)可以看出，氣泡率和溫度的綜合作用影響電導(dǎo)率κ(x)，從而影響加工間隙Δ(x)，沿流程方向上，溫度逐漸升高，則電導(dǎo)率增加而使加工間隙增大；但同時氣泡率沿流程增加又使加工間隙減小。該零件加工中，由于沿流程上溫度升高對加工間隙的影響大于氣泡率對加工間隙的影響，故加工間隙Δ(x)沿流程方向上逐漸變大，反映到加工結(jié)果上即表現(xiàn)為一定的倒錐度。

圖11　未修正陰極錐度加工后的零件

3.3陰極錐度修正

由上述分析可知，在不改變加工裝置的情況下，要降低加工錐度須使沿流程方向上的電導(dǎo)率均勻，即平衡氣泡率和溫升對加工間隙的影響。為實現(xiàn)上述目標(biāo)，修正陰極使陰極與工件在初始加工時就有一倒錐度(如圖12所示，不含絕緣部位)，采用修正后陰極(陰極大端直徑為19.7 mm，錐度為0.4°，加工部分長度為129 mm)，用同樣參數(shù)成功加工出最大處直徑為27.87 mm的內(nèi)孔，錐度小于0.05°，且過渡處圓角平滑，如圖13所示，滿足加工要求。加工過程中電流隨時間變化曲線如圖14所示，從圖14可以看出，加工初始階段的電流較小，在各個電壓參數(shù)持續(xù)階段，曲線斜率相差不大，由此可判斷整個加工過程中工件蝕除速度較穩(wěn)定，與前期設(shè)計目的較為一致。

圖12　修正錐度后的陰極

圖13　最終加工完成合格件

圖14　加工電流隨加工時間變化

4　結(jié)論

電解加工因不存在機械切削力且工具陰極無損耗等優(yōu)點在輕量化結(jié)構(gòu)的制造中顯示了良好的前景。通過上述飛機起落架轉(zhuǎn)軸輕量化階梯孔電解加工工藝試驗研究可得到以下結(jié)論。

(1)采用陰極固定式加工相比陰極移動式效率要高出許多，是電解加工應(yīng)用于此類零件加工的有效途徑。

(2)試驗中采用的成形陰極及專用工裝的設(shè)計方法，能夠滿足此類零件的流場要求，加工過程穩(wěn)定(已成功加工出合格件50根)。

(3)提出的階梯式電壓加工方法能夠有效避免恒壓源和恒流源模式加工時存在的不足，滿足實際生產(chǎn)需要。

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(編輯袁興玲)

Experimental Research on Electrochemical Machining of Lightweight Stepped Hole Structure

Liu Yujie1Zhao Jianshe1Gan Weimin2Qi Lu1

1.Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing，210016 2.Changzhou Institute of Technology，Changzhou，Jiangsu，213002

For the structure characteristics and machining difficulties of lightweight stepped hole with big inside and small outside, a fixed cathode electrochemical machining method was proposed to realize the inner hole machining. Taking the center stepped hole on rotation shaft of an airplane landing gear for example，in order to improve the machining quality and efficiency, the cathode structure was optimized firstly based on numerical analysis and experimental verification. Stepped variable voltage machining method was proposed which met the actual production needs. Based on the above, taper of cathode was modified and experiments were conducted. Finally, passable products were manufactured and the process is stable, which can meet the requirements of mass process.

stepped hole; electrochemical machining; fixed cathode; numerical analysis; stepped voltage

2014-07-04

“十二五”總裝預(yù)研項目(51318030403)；江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室(常州工學(xué)院)開放基金資助項目(KFJJ2004002)

TG662DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.11.002

劉玉杰，男，1989年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院碩士研究生。主要研究方向為CAD/CAM在特種加工中的應(yīng)用。趙建社，男，1976年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院副教授、博士。干為民，男，1960年生。常州工學(xué)院江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點建設(shè)實驗室教授、博士。祁璐，男，1989年生。南京航空航天大學(xué)機電學(xué)院碩士研究生。