宗亞偉，劉 嘉，高 豐

（南京航空航天大學機電學院，江蘇南京210016）

電解加工具有應用范圍廣、效率高、表面質(zhì)量好、工具無損耗、無機械切削力等工藝特點，在航空發(fā)動機葉片、機匣、整體葉盤等難加工材料復雜構(gòu)件制造中得到廣泛應用[1-2]。在電解加工中，由于存在遺傳誤差特性，工件在加工時經(jīng)常會出現(xiàn)余量分布不均的問題[3]，例如，在整體葉盤的葉柵通道電解加工完成時，可能存在余量不均勻問題，余量差往往達到2～3 mm，而最小余量通常不足1 mm。在如此小的最小余量狀態(tài)下，加工未進入平衡狀態(tài)最小余量就幾乎過切了[4]，在電解加工過度狀態(tài)下進行加工，加工精度難以控制[5]，因此對于工件存在大余量差、最小余量較小的問題，開展局部修形從而實現(xiàn)加工余量均勻化的研究很有必要。

針對電解加工中出現(xiàn)毛坯余量分布不均的問題，特別是余量差大、最小余量很小的情況，提出了一種局部修形電解加工方法，采用局部絕緣結(jié)構(gòu)形式的工具電極，對工件毛坯大余量區(qū)域進行局部修形，并盡可能保留小余量區(qū)域的加工余量。在本研究中，針對有無局部絕緣結(jié)構(gòu)的工具陰極，開展了陽極輪廓演變的動態(tài)仿真分析，基于仿真結(jié)果對陰極結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化，并開展相應的試驗研究。

1 遺傳誤差效應對余量整平的影響

電解加工中的遺傳誤差是指加工結(jié)束時尚未完全糾正的毛坯形面的初始誤差，這是由電解加工工藝特點決定的[6]。圖1是電解加工的遺傳誤差效應示意，在工具陰極進給過程中整個加工區(qū)域的陽極均在蝕除，工件余量大的區(qū)域加工間隙小，電流密度高，材料去除速度快；余量小的區(qū)域加工間隙較大，電流密度較低，材料去除速度較慢。通過借助小間隙處與大間隙處蝕除速度的差值來逐漸實現(xiàn)余量整平[7]，當最小余量區(qū)域的余量過小時，毛坯形面的初始誤差在加工過程中來不及完全消除，就會將初始誤差遺傳給成形的工件。

圖1 遺傳誤差對余量整平的影響

由于遺傳誤差的存在，會影響工件毛坯加工余量的分布，該余量分布對后續(xù)電解精加工工藝具有非常重大的影響，當出現(xiàn)余量差較大、最小加工余量很小時，后續(xù)電解加工會出現(xiàn)過切的情況[8]。如圖1所示，由于遺傳誤差的存在，當工件陽極余量小的部分加工到指定位置時，余量大的部位還有較大空間；當大余量區(qū)域加工到尺寸要求時，余量小的部位已出現(xiàn)嚴重的過切；當工件陽極的余量差被電解加工整平至滿足公差要求時，整個工件都發(fā)生了嚴重過切。實際生產(chǎn)中如出現(xiàn)上述余量差大且最小余量小的情況，只能依據(jù)毛坯余量情況設計工具陰極，使工件的終成形安排在電解加工過渡過程中。在電解加工過渡過程中，隨機因素會對成形精度帶來較大影響，若毛坯余量存在波動，則加工精度更難控制。在整體葉盤等高精度復雜零件加工中，一片葉片加工失敗則引起整個零件報廢，因此研究電解加工局部修形技術(shù)，在精加工前均勻毛坯余量顯得尤為重要，在實際生產(chǎn)加工有著重要的意義。

為了解決上述問題，針對毛坯余量差大且最小余量小的問題，采用部分絕緣的特殊工具陰極，用工具陰極絕緣的部分對工件大余量區(qū)域材料實現(xiàn)集中去除，并用陰極絕緣區(qū)域大幅減少小余量區(qū)域的電解加工電場，實現(xiàn)工件余量小的區(qū)域少量去除甚至不去除，從而實現(xiàn)工件陽極的局部修形，該加工方法如圖2所示。

圖2 局部整平示意圖

為了驗證提出方法的可行性，對有無局部絕緣結(jié)構(gòu)的工具陰極開展了陽極輪廓演變的動態(tài)仿真分析。

2 整平電解加工電場仿真研究

2.1 仿真模型建立

為了研究整平電解加工中有無局部絕緣陰極結(jié)構(gòu)的整平效果，首先對應用常規(guī)陰極和局部絕緣陰極的電解加工開展仿真研究。仿真中工件陽極長度設置為15 mm，并在距邊7.5 mm的長度上設置了2 mm余量差，常規(guī)工具陰極同樣設置為15 mm，局部絕緣陰極在與工件余量小的部分所對應區(qū)域設置了絕緣處理，通過這兩種不同結(jié)構(gòu)形式的陰極仿真研究，分析采用局部絕緣陰極實現(xiàn)局部整平的效果。

圖3是設計的仿真模型，模型建立在3個假設的基礎上[9]：第一，工具陰極和工件陽極被視為等勢體，這是由于二者的電導率遠遠大于電解液；第二，假設加工區(qū)域為一種穩(wěn)定的加工狀態(tài)，電解液的電導率等參數(shù)視為恒定；第三，工件陽極的電解加工速率符合法拉第定律[10-11]。

圖3 仿真模型

在仿真時，添加的邊界條件遵循拉普拉斯方程：

電解加工速度方程滿足法拉第定律：

式中：η為電流效率；ω為體積電化學當量；i為電流密度。

端面平衡間隙遵循以下公式：

式中：κ為電解液電導率；UR為加工間隙兩端電壓。

針對高溫合金GH4169材料進行研究，該材料在質(zhì)量分數(shù)為20%的NaNO3電解液中進行直流電解加工，其效率曲線ηω-i隨電流密度的變化較小，因此仿真時取為常數(shù)，大小為1.42 mm3/（A·min）[12]，電場仿真參數(shù)設置見表1。

表1 電場仿真參數(shù)

2.2 有無局部絕緣工具陰極加工仿真結(jié)果分析

圖4是采用常規(guī)全陰極進行的電場仿真結(jié)果，隨著電解加工的進行，當工件最大余量區(qū)域加工至3 mm厚度的預定位置時，小余量區(qū)域的腐蝕量已達到0.469 mm，該情況下余量差則還有0.469 mm。在仿真結(jié)束時工件最大余量區(qū)域加工至2.598 mm，小余量區(qū)的腐蝕量達到了0.506 mm，該情況下余量差還有0.506 mm-（3 mm-2.598 mm）=0.104 mm，結(jié)合整體葉盤電解加工余量差公差帶0.08 mm分析，該余量差未進入葉片或整體葉盤的公差帶，因此這種加工方式難以保證精度。

圖4 用常規(guī)全陰極電場仿真結(jié)果

圖5是采用一半絕緣陰極進行的電場仿真結(jié)果，隨著加工的進行，工件余量區(qū)域被集中去除，工件余量少的區(qū)域的電解加工腐蝕量顯著減小，當工件最大余量區(qū)域加工至3 mm厚度的預定位置時，小余量區(qū)域大部分未被加工，但在余量不均勻交界處、即工件中間位置出現(xiàn)了凹坑，該凹坑的深度為0.37 mm。

圖5 用一半絕緣陰極電場仿真結(jié)果

由以上兩種情況可以得出，在進行局部整平時，工件在余量不均勻的交界處所形成的凹坑深度與陰極局部絕緣的邊界到交界處的距離有密切聯(lián)系。為了獲得二者之間的關(guān)系，開展了進一步電場仿真，獲得了不同距離下工件陽極在交界處形成的狀態(tài)，其結(jié)果見圖6?？梢?，當陰極局部絕緣的邊界到交界處的距離小于1.5 mm時，會在交界處形成凹坑；當這段距離大于1.5 mm，會在交界處形成凸起。因此，距離1.5 mm處是最佳位置。

圖6 陰極局部絕緣位置與整平效果的關(guān)系

針對前述獲得的最佳陰極局部絕緣的邊界，開展了電場仿真，其建模及結(jié)果見圖7。當工件最大余量區(qū)域加工至3 mm厚度的預定位置時，小余量區(qū)域幾乎沒有腐蝕加工，僅在中間的不均勻交界處形成了0.017 mm的深淺凹坑。

圖7 陰極局部絕緣邊界距離為1.5 mm時仿真結(jié)果

3 局部修形電解加工試驗研究

3.1 試驗系統(tǒng)

圖8是整平電解加工試驗系統(tǒng)，試驗工件作為陽極與電源正極連接，加工工具作為陰極與電源負極連接，工具陰極沿軸向進給，電解液在工件與工具間高速流過，帶走電解產(chǎn)物及熱量，電解液由過濾系統(tǒng)進行充分過濾，保證加工區(qū)域的電解液及時更新。

圖8 局部修形電解加工試驗系統(tǒng)

3.2 試驗參數(shù)

研究選用自行設計的具有典型傾斜面結(jié)構(gòu)的陽極工件，其長度15 mm、寬度10 mm、傾斜面長度7.5 mm、高度差2 mm，工件實物見圖9。

圖9 工件實物圖

試驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致，具體見表2。

表2 試驗參數(shù)

3.3 結(jié)果分析

利用上述試驗系統(tǒng)與設備進行局部整平電解加工試驗，整個加工過程穩(wěn)定，無打火、短路等現(xiàn)象。圖10是采用常規(guī)完整電極加工試驗后得到的工件，當工件最大余量區(qū)域加工至3 mm厚的預定位置時，小余量區(qū)域的腐蝕量已達到0.705 mm，該情況下余量差即為0.705 mm。很顯然該余量差未進入葉片或整體葉盤的公差帶，因此應用這種加工方式進行整體葉盤或其他航空復雜構(gòu)件的加工難以保證精度。

圖10 采用常規(guī)全陰極加工結(jié)果

圖11是采用一半陰極絕緣的電極加工試驗后得到的工件，當工件最大余量區(qū)域加工至3 mm厚的預定位置時，小余量區(qū)域大部分沒有被加工，但在余量不均勻交界處，即工件中間位置出現(xiàn)了凹坑，該凹坑深度為0.371 mm。采用一半陰極絕緣的電極加工可有效提高局部整平能力，但仍不能滿足葉片、整體葉盤等航空復雜構(gòu)件的實際生產(chǎn)需求。

圖11 采用一半絕緣陰極加工結(jié)果

圖12是采用絕緣邊界距離交界處1.5 mm的局部絕緣陰極進行電解加工試驗后得到的工件，當工件最大余量區(qū)域加工至3 mm厚的預定位置時，小余量區(qū)域幾乎沒有腐蝕加工，僅在中間的不均勻交界處形成了0.013 mm深的淺凹坑。由此可見，采用絕緣邊界距離交界處1.5 mm的局部絕緣陰極進行電解加工，取得了較好的局部整平效果，完全滿足葉片、整體葉盤等航空復雜結(jié)構(gòu)件的加工要求。

圖12 采用距交界處1.5 mm的局部絕緣陰極加工結(jié)果

4 結(jié)論

針對電解加工中出現(xiàn)毛坯余量分布不均的問題，采用不同形式的陰極進行局部整平電解加工電場仿真及試驗研究，得到以下結(jié)論：

（1）針對工件余量不均勻，特別是余量差大且最小余量很小的情況，利用陰極部分絕緣的結(jié)構(gòu)形式進行加工試驗，可實現(xiàn)工件的局部整平，工件整體余量差由原來的2 mm降低至0.371 mm。

（2）通過仿真分析，進一步對陰極部分絕緣的結(jié)構(gòu)形式進行了優(yōu)化，確定了陰極局部絕緣的最佳位置為絕緣邊界到交界處1.5 mm，工件整體余量差進一步降低至0.013 mm。