薛潤(rùn)榮 ，趙建社 ，姚學(xué)磊 ，嵇霖澤 ，王忠恒

（ 1.南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016；2.中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司，金城南京機(jī)電液壓工程研究中心，江蘇南京211106 ）

新型異形深孔結(jié)構(gòu)在航空航天、 換熱設(shè)備、醫(yī)療器械等領(lǐng)域中具有廣泛應(yīng)用，多數(shù)零件采用不銹鋼、高溫合金、鈦合金等難加工材料制造，且對(duì)加工效率、加工質(zhì)量、加工成本等提出了更高的要求[1]。例如：渦輪葉片氣膜冷卻孔，孔徑通常在0.3～2 mm，且進(jìn)出氣口形狀不規(guī)則；隱形戰(zhàn)機(jī)采用進(jìn)氣道格柵隱身技術(shù)， 格柵零件上排布有大量鈦合金傾斜方孔；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)核心部件噴油嘴噴孔，其沿噴射方向帶有一定錐度等[2-5]。 這些異形深孔的加工精度與質(zhì)量對(duì)零部件的功能實(shí)現(xiàn)具有重要影響。

對(duì)于孔類零件的制造，傳統(tǒng)鉆削加工工藝的效率與成形精度較高， 但鉆削存在刀具剛性不足、鉆頭易折斷、切屑難以排出等工藝缺陷；使用電火花加工技術(shù)可加工各種異形孔，工件材料硬度不受限制，但隨著孔深的增加，工具電極損耗嚴(yán)重，加工效率大幅降低，制造成本顯著增加。 電解加工工藝具有工具陰極無損耗、加工效率高、表面質(zhì)量好、無殘余應(yīng)力及再鑄層等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于難加工材料、異形孔零件的加工具有顯著優(yōu)勢(shì)，且批量生產(chǎn)時(shí)成本低[6]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者在提高電解加工過程穩(wěn)定性方面開展了大量研究。 Manikandan 等[7]采用灰色關(guān)聯(lián)度分析方法，建立了管電極電解加工進(jìn)給速度、電解液流速、電解液濃度對(duì)材料去除率與加工間隙影響的數(shù)學(xué)模型，得到了優(yōu)化的參數(shù)組合。 Zinecker 等[8]提出脈沖與振動(dòng)電解加工多尺度耦合仿真方法，有助于分析電解前后加工間隙變化情況。 何亞峰等[9]通過數(shù)值模擬計(jì)算菱形孔電場(chǎng)與流場(chǎng)分布狀況，分析菱形棱角處易形成圓角的原因并開展電解加工試驗(yàn)，得到的加工樣件與理論分析基本吻合。 房曉龍等[10]研究了工具陰極通液孔形狀對(duì)電解加工流場(chǎng)的影響，結(jié)果表明采用圓形通液孔時(shí)加工區(qū)域流場(chǎng)分布要比方形通液孔更加均勻。 趙建社等[11-12]對(duì)錐形孔與微尺度群縫的電解加工試驗(yàn)研究表明，工具陰極復(fù)合進(jìn)給方式有助于優(yōu)化加工間隙流場(chǎng)，促進(jìn)電解產(chǎn)物的排出。

異形孔電解加工過程中，加工間隙流場(chǎng)影響電解液流速、壓力、溫度等分布情況，關(guān)系到加工各部位溶解速率及電解產(chǎn)物能否及時(shí)排出，而加工間隙內(nèi)電解產(chǎn)物及電解液溫度分布不均又直接影響電導(dǎo)率，進(jìn)而影響間隙電場(chǎng)分布，因此合理的流場(chǎng)不僅能保證加工過程穩(wěn)定，還能在一定程度上提高加工效率與加工質(zhì)量。 由于異形深孔電解加工中存在進(jìn)出口流場(chǎng)突變、加工間隙流場(chǎng)分布不均、工藝穩(wěn)定性相對(duì)較差等問題， 在實(shí)際生產(chǎn)中可控性較差，限制了電解技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展應(yīng)用。 為進(jìn)一步提高異形深孔電解加工工藝穩(wěn)定性，本文以深徑比12∶1 的異形孔零件為研究對(duì)象，對(duì)加工開始、加工穩(wěn)定、加工穿透等各個(gè)階段流場(chǎng)分布進(jìn)行仿真模擬與優(yōu)化研究，并通過開展電解加工試驗(yàn)，穩(wěn)定加工出多個(gè)異形深孔樣件，為實(shí)際工程應(yīng)用提供參考。

1 加工試驗(yàn)設(shè)備與工藝分析

圖1 是異形孔電解加工示意，工具陰極接電源負(fù)極、工件接電源正極，工具陰極以一定速度向下進(jìn)給，電解液高速流過工具陰極與工件形成的加工間隙，帶走加工產(chǎn)物及焦耳熱，實(shí)現(xiàn)工件加工成形。工具陰極外側(cè)涂覆絕緣層，以防止加工過的孔壁發(fā)生二次電解。

圖2 是試驗(yàn)加工的異形深孔結(jié)構(gòu)零件，深徑比為12∶1，采用電解加工工藝需解決關(guān)鍵問題包括：

圖1 異形孔電解加工示意圖

（1）由于異形孔入口處為平面、出口處為半通半盲孔，電解加工開始、加工穿透階段都會(huì)產(chǎn)生流場(chǎng)突變，易發(fā)生短路現(xiàn)象。

（2）異形孔深徑比較大，陰極剛性較低，且電解液壓力沿流程損失較大， 更新電解液效果減弱，容易產(chǎn)生空穴現(xiàn)象；此外，電解產(chǎn)物堆積于加工間隙內(nèi)會(huì)改變加工區(qū)域電導(dǎo)率分布，影響加工效率與穩(wěn)定性。

圖2 異形深孔結(jié)構(gòu)零件

2 異形深孔電解加工流場(chǎng)優(yōu)化

2.1 加工開始階段

圖3 是異形孔加工開始階段的示意圖。如圖3a無導(dǎo)流結(jié)構(gòu)所示，由于異形孔入口處為平面，加工間隙流場(chǎng)呈發(fā)散狀態(tài)，工具陰極從開始加工到穩(wěn)定加工的過程中流場(chǎng)存在突變， 易發(fā)生短路現(xiàn)象，同時(shí)會(huì)對(duì)工件表面非加工部位產(chǎn)生雜散腐蝕；而圖3b有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)所示，采用在工件表面放置帶絕緣導(dǎo)流板的方式，能有效減弱流場(chǎng)的發(fā)散程度，同時(shí)保護(hù)工件表面非加工部位不發(fā)生雜散腐蝕。

圖3 異形孔加工開始階段示意圖

為研究導(dǎo)流板對(duì)流場(chǎng)的作用規(guī)律，需要分析陰極切入不同距離時(shí)電解液流場(chǎng)變化情況。 假設(shè)陰極底部與工件表面距離為h （圖3a）， 分別設(shè)置h=0.15、0、-0.15、-0.3 mm， 提取加工區(qū)域底面對(duì)角線電解液流速數(shù)據(jù)樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析，每個(gè)位置分別從對(duì)角線上提取200 個(gè)樣點(diǎn)，得到的電解液流速分布曲線見圖4。

圖4 加工開始階段對(duì)角線電解液流速分布曲線

由圖4 可見，無導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí)，加工間隙流速波動(dòng)相對(duì)較大，隨著陰極的不斷深入，流場(chǎng)發(fā)散程度減小，流速波動(dòng)變小，流場(chǎng)均勻性提高，電解加工逐漸進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)；而有導(dǎo)流結(jié)構(gòu)時(shí)，隨著陰極的不斷深入，加工間隙流速波動(dòng)并無明顯變化，異形孔開始加工階段流場(chǎng)發(fā)散程度等同于加工進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，流場(chǎng)均勻性較穩(wěn)定，不存在突變現(xiàn)象，有利于提高切入階段加工穩(wěn)定性。

2.2 加工穩(wěn)定階段

異形深孔電解加工進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，加工間隙內(nèi)電解液需具有一定流速，以滿足排出電解產(chǎn)物與控制溫升的要求。 以雷諾系數(shù)為判別依據(jù)，對(duì)應(yīng)紊流狀態(tài)的流速ua滿足：

控制電解液溫升所需流速滿足：

電解液最終流速應(yīng)選擇兩者較大值：

式中：v 為電解液運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)；Dh為水力直徑；i 為電流密度；ρ 為電解液密度；c 為比熱容；κ 為電解液的電導(dǎo)率；ΔTe為電解液的允許溫升范圍；L 為流程長(zhǎng)度。

選用多孔通液工具陰極結(jié)構(gòu)，由上述公式計(jì)算出保證電解液紊流狀態(tài)所需流速ua＞5.117 m/s，控制溫升5 ℃以內(nèi)所需電解液流速ub＞1.523 m/s；取兩者中的較大值，即穩(wěn)定狀態(tài)下加工區(qū)域電解液流速u≥5.117 m/s 時(shí)，可同時(shí)滿足紊流狀態(tài)與控制溫升原則。

電解液進(jìn)出口壓力是保證電解液流速的必要條件，取電解液出口壓力為0 MPa、進(jìn)口壓力分別為0.3、0.6、0.9 MPa 進(jìn)行數(shù)值分析，得到的加工區(qū)域電解液流速與壓力分布見圖5。從流速分布結(jié)果來看，相鄰2 個(gè)通液孔連線外側(cè)區(qū)域流速最高，隨著進(jìn)口壓力不斷增加， 加工間隙內(nèi)電解液流速迅速上升，同時(shí)流速降低的幅度也相應(yīng)加大；當(dāng)進(jìn)口壓力達(dá)到0.6 MPa 時(shí)，加工區(qū)域電解液流速不低于5.117 m/s，已滿足電解液流速設(shè)計(jì)要求。 從壓力分布結(jié)果來看，4 個(gè)通液孔中心位置處壓強(qiáng)最高，且短對(duì)角線通液孔中心壓強(qiáng)高于長(zhǎng)對(duì)角線；同時(shí)，相鄰2 個(gè)通液孔連線外側(cè)區(qū)域均出現(xiàn)負(fù)壓， 隨著進(jìn)口壓力的增加，負(fù)壓現(xiàn)象更為明顯，負(fù)壓區(qū)域也逐漸增加。

間隙內(nèi)壓力突降會(huì)造成電解液氣化，氣泡積聚則會(huì)導(dǎo)致空穴現(xiàn)象，影響加工順利進(jìn)行，因此需要施加適當(dāng)?shù)谋硥骸?背壓施加會(huì)使電解液流速變慢，為滿足電解液流速設(shè)計(jì)要求， 分別對(duì)比進(jìn)口壓力0.6 MPa、 出口背壓 0.15 MPa 和進(jìn)口壓力 0.9 MPa、出口背壓0.3 MPa 條件下， 所得加工區(qū)域的電解液壓力及流速分布。 由圖6 可見，當(dāng)電解液進(jìn)口壓力0.6 MPa、出口背壓0.15 MPa 時(shí)，與無背壓相比部分區(qū)域流速降至0～5 m/s，難以排出電解產(chǎn)物；當(dāng)電解液進(jìn)口壓力0.9 MPa、出口背壓0.3 MPa 時(shí)，底面加工區(qū)域流速均大于5.895 m/s，滿足流速設(shè)計(jì)要求。

圖5 加工區(qū)域電解液流速與壓力分布云圖

2.3 加工穿透階段

圖7 是加工穿透階段的示意圖，可見異形孔出口處為半通半盲，加工穿透瞬間大量電解液從孔底部流出，此時(shí)加工間隙缺液，易引發(fā)短路現(xiàn)象而導(dǎo)致加工中斷，造成陰極損傷與零件報(bào)廢，擬采取改變陰極通液孔結(jié)構(gòu)的方式來改善加工穿透時(shí)的流場(chǎng)分布情況。

圖6 施加背壓的加工區(qū)域電解液壓力及流速分布云圖

圖7 加工穿透階段示意圖

采用中心單孔通液結(jié)構(gòu)， 隨著電解深度的增加，異形孔底部中心處會(huì)形成凸臺(tái)，若該凸臺(tái)過大，電解液流動(dòng)受阻， 會(huì)造成加工區(qū)域流場(chǎng)劇烈變化，影響加工過程的穩(wěn)定性，因此不宜選取直徑過大的單通液孔，否則會(huì)形成較大的殘余凸起。 圖8 是擬設(shè)計(jì)的兩種通液孔結(jié)構(gòu)，圖8a 為單孔通液結(jié)構(gòu)，孔徑為0.6 mm，通液孔流道截面積為0.283 mm2，濕邊周長(zhǎng)為1.884 mm； 圖8b 為多孔通液結(jié)構(gòu)， 孔徑為0.4 mm，通液孔流道截面積之和為0.502 mm2，濕邊周長(zhǎng)為5.02 mm。 取底面加工間隙為0.1 mm，兩者皆滿足通液孔流道截面積之和不小于加工間隙流道截面積之和的設(shè)計(jì)原則。

圖8 通液孔結(jié)構(gòu)示意圖

取進(jìn)口壓力0.9 MPa、出口壓力0.3 MPa，運(yùn)動(dòng)黏度為0.89×10-6m2/s，電解液溫度為25 ℃，電解液流速分布見圖9。 其中，圖9a 為加工穿透瞬間單孔通液電解液流速分布云圖，可知幾乎全部電解液從半通孔中流出， 而半盲孔工件表面電解液大量缺失，電解液流速基本為0 m/s，這將嚴(yán)重影響加工過程的穩(wěn)定性； 圖5b 為加工穿透瞬間多孔通液電解液流速分布云圖，可見雖然大量電解液從半通孔中流出，但半盲孔工件表面仍有電解液流動(dòng)，電解液流速為 6.924～10.386 m/s。

圖9 加工穿透間隙電解液流速分布云圖

因此，采用多孔通液工具陰極結(jié)構(gòu)，可保證半通半盲孔加工穿透階段工具陰極與工件表面之間仍有一定流速的電解液通過，有利于提高半通半盲孔加工穿透階段流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

2.4 復(fù)合進(jìn)給對(duì)流場(chǎng)的影響

增加背壓可一定程度上減小負(fù)壓區(qū)域，但很難完全消除。 因此，在滿足上述加工區(qū)域電解液流速設(shè)計(jì)前提下，開展復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)對(duì)流場(chǎng)分布規(guī)律影響研究。 假設(shè)工具陰極持續(xù)進(jìn)給速度0.5 mm/min，疊加與其方向相同的正弦振動(dòng)波形運(yùn)動(dòng)， 振幅為0.3 mm，底面加工間隙最小為0.1 mm。

提取單個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)不同時(shí)刻對(duì)角線上的電解液流速、電解液壓力數(shù)據(jù)樣點(diǎn)進(jìn)行對(duì)比分析。 圖10 是單個(gè)振動(dòng)周期的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，可見t=0.25T 時(shí)，工具陰極與工件表面加工間隙最大，隨后工具陰極向下快速進(jìn)給；t=0.5T 時(shí)， 工具陰極處于振動(dòng)平衡位置；t=0.75T 時(shí)，工具陰極與工件表面加工間隙最小，隨后回退至平衡位置，如此周而復(fù)始。

圖10 單個(gè)振動(dòng)周期運(yùn)動(dòng)示意圖

圖11 是復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)下異形孔對(duì)角線電解液流速分布曲線，長(zhǎng)、短對(duì)角線的電解液流速分布均隨著工具陰極振動(dòng)運(yùn)動(dòng)而呈現(xiàn)一定周期性變化。 由圖可見，電解液流速隨著加工間隙的進(jìn)行呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，當(dāng)加工間隙最大（即t=0.25T）時(shí)，流速分布波動(dòng)相對(duì)較小， 有利于提高流場(chǎng)均勻性；當(dāng)加工間隙最?。磘=0.75T）時(shí)，流速分布波動(dòng)相對(duì)較大，總體流速變快。

圖11 復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)異形孔對(duì)角線電解液流速分布曲線圖

圖12 是復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)下異形孔對(duì)角線電解液壓力分布曲線，同呈周期性變化。 可見，施加振動(dòng)對(duì)加工區(qū)域電解液壓力分布產(chǎn)生一定的擾動(dòng)作用，避免電解產(chǎn)物堆積，促進(jìn)低流速區(qū)電解產(chǎn)物和焦耳熱的排出，改善缺液所導(dǎo)致的流場(chǎng)突變現(xiàn)象。

圖12 復(fù)合進(jìn)給運(yùn)動(dòng)異形孔對(duì)角線電解液壓力分布曲線圖

根據(jù)上述復(fù)合進(jìn)給模式對(duì)流場(chǎng)影響分析，工具陰極直線進(jìn)給過程中輔以低幅周期性振動(dòng)，可避免電解產(chǎn)物堆積，減弱雜散電場(chǎng)對(duì)異形孔側(cè)壁的二次腐蝕，使流場(chǎng)分布更加均勻，改善異形孔加工精度，優(yōu)化加工穿透時(shí)流場(chǎng)分布狀態(tài)，提高加工穩(wěn)定性。

3 異形深孔電解加工試驗(yàn)

試驗(yàn)所用電解加工設(shè)備主要包括機(jī)床本體、控制系統(tǒng)、 電解液循環(huán)過濾系統(tǒng)和加工電源四個(gè)部分。 機(jī)床可對(duì)數(shù)控軸、加工電源參數(shù)和電解液參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，并依據(jù)反饋信息實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)；Z 軸附帶有振動(dòng)裝置，可作直線運(yùn)動(dòng)或復(fù)合運(yùn)動(dòng)，為試驗(yàn)提供良好的硬件支持。

試驗(yàn)所用工件材料為1Cr17Ni2，在電解液溫度21 ℃、進(jìn)口壓力 0.9 MPa、電導(dǎo)率 0.078 S/cm、pH 值為 8.0 的條件下， 施加 17.5 V 的加工電壓，Z 軸以0.46 mm/min 的進(jìn)給速度及20 Hz 的振動(dòng)頻率 （開通角為80°～260°）做復(fù)合運(yùn)動(dòng)，電解液進(jìn)口壓力及出口背壓均可調(diào)節(jié)， 試驗(yàn)期間工裝夾具實(shí)物見圖13，加工后樣件實(shí)物見圖14。

圖13 工裝夾具實(shí)物圖

圖14 樣件實(shí)物圖

為測(cè)試優(yōu)化流場(chǎng)后異形深孔的電解工藝穩(wěn)定性，進(jìn)行了異形深孔連續(xù)電解加工試驗(yàn)。 利用三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)分別采集異形孔長(zhǎng)、短對(duì)角線樣點(diǎn)并測(cè)量距離，繪制的對(duì)角線實(shí)測(cè)尺寸見圖15。可見，連續(xù)加工過程穩(wěn)定且無短路現(xiàn)象發(fā)生，樣件短對(duì)角線尺寸可穩(wěn)定控制在2.02～2.08 mm，長(zhǎng)對(duì)角線尺寸控制在3.02～3.07 mm，加工出的樣件一致性良好，加工得到的實(shí)物見圖16，孔尺寸精度可控制在 0.03 mm。

圖15 樣件對(duì)角線實(shí)測(cè)尺寸

圖16 小批量樣件實(shí)物圖

4 結(jié)論

以深徑比12∶1 的異形孔零件為對(duì)象，開展了電解加工流場(chǎng)仿真優(yōu)化研究及試驗(yàn)，得出以下結(jié)論：

（1）通過流場(chǎng)仿真研究了通液孔結(jié)構(gòu)對(duì)異形孔加工穿透階段流場(chǎng)分布影響，發(fā)現(xiàn)多孔工具陰極結(jié)構(gòu)可有效保證半通半盲孔加工穿透階段流場(chǎng)平穩(wěn)。

（2）由仿真結(jié)果可知，設(shè)計(jì)導(dǎo)流結(jié)構(gòu)能在一定程度上減弱異形孔開始加工階段流場(chǎng)發(fā)散程度，使流場(chǎng)快速進(jìn)入穩(wěn)定加工狀態(tài)。

（3）加工進(jìn)入穩(wěn)定階段后，設(shè)置合理的電解液進(jìn)出口壓力及采用復(fù)合進(jìn)給加工模式可顯著改善異形深孔流場(chǎng)分布均勻性，避免空穴現(xiàn)象，提高異形深孔加工工藝穩(wěn)定性。

（4）基于流場(chǎng)優(yōu)化結(jié)果，自主設(shè)計(jì)工裝夾具開展了異形深孔連續(xù)電解加工試驗(yàn)， 加工過程穩(wěn)定，孔尺寸精度可控制在0.03 mm。