轻量化阶梯孔结构电解加工试验研究

刘玉杰　赵建社　干为民　祈　璐

1.南京航空航天大学，南京，210016　　2.常州工学院，常州，213002

轻量化阶梯孔结构电解加工试验研究

刘玉杰1赵建社1干为民2祈璐1

1.南京航空航天大学，南京，2100162.常州工学院，常州，213002

针对内大外小轻量化阶梯孔结构特点与加工难点，采用固定阴极电解加工方式实现其内孔加工。以某飞机起落架转轴中心阶梯孔为例，为提高其加工质量及加工效率，基于数值分析和试验验证的方法优化了阴极结构，结合实际生产需要，提出了阶梯式变电压加工方法。在上述基础上修正阴极锥度并进行工艺试验，最终加工出合格件，该方法加工质量稳定，满足批量生产需要。

阶梯孔；电解加工；固定阴极；数值分析；阶梯式电压

0　引言

轻量化结构件在以减重、高性能为目标的航空航天和汽车交通等领域应用十分广泛[1]。据统计，汽车质量每减少10%，燃油消耗可降低6%～8%，相应的排放下降5%～6%[2]。航空航天工业对减重的要求更是以克为单位，轻量化结构件成形制造的能力水平和技术经济指标，已经成为衡量一个国家的制造工业发展水平以及重大关键技术装备自主创新能力的主要标志之一[3-4]。

轻量化结构的表现形式多种多样，阶梯孔结构为其中之一，表现为内大外小，且两孔间以圆角过渡。阶梯孔结构在满足机械性能的前提下，可有效减轻该零件的重量，对以减轻构件重量为第一目标的航空设计具有重要意义。常规机械加工方法更适用于内小外大式阶梯孔，加工内大外小阶梯孔零件时较困难，特别是当材料难切削或内外孔直径差较大、内孔较深时，甚至无法加工。电解加工因不存在机械切削力且工具阴极无损耗等优点，在此类轻量化结构的制造中显示了良好的应用前景。本文将电解加工应用于某型飞机起落架转轴内部轻量化阶梯孔的加工，通过合理选择加工方案、优化设计夹具和阴极，来实现此类零件的高效、低成本加工。

1　电解加工装置设计

1.1加工方式的选择

图1所示为某飞机起落架转轴，该类零件在结构上有以下特点：①中心孔内大外小，外孔直径d2=20 mm，内孔直径d1=28 mm、30 mm;②内孔深度l1=66 mm、133 mm，外孔深度l2=46 mm;③外孔与内孔过渡处及内孔底端以圆角过渡。

图1　某飞机起落架右转轴

针对上述零件特点，可考虑采用片状阴极移动式加工和整体式阴极固定加工两种方式进行加工。片状阴极移动式加工阴极结构简单、制造容易，但加工效率低，且由于本文所针对的加工对象外孔与内孔直径差达10 mm，内孔加工深度l1达133 mm，材料去除量大，采用此方式加工效率太低，难以满足其工业生产。整体式阴极固定加工需要较大容量的电源，但加工效率高[5]，更适于上述零件的加工。1.2夹具设计

采用阴极固定方式加工图1所示零件时，电解液流动形式可考虑正流式和反流式。反流式结构为收敛流，流场均匀性较好，进出口压力易于控制，然而由于流程较长，密封装置设计难度较大。本文采用正流式结构并加适当背压，利用高速流动的电解液形成加工间隙流场，能满足加工要求。在工艺试验中设计的正流式电解加工装置如图2所示(电解液流向如箭头所示，背压大小可通过调整密封圈压块松紧来控制)，该装置主要由阴极导电板、阴极接杆、密封圈、密封圈压块、背压腔、工具阴极、支座、工件、工件导电板等组成。

图2　正流式电解加工装置

1.3阴极结构设计与优化

电解加工是建立在加工间隙中特定的电场、流场分布的基础上的，因而电场、流场因素直接影响到加工间隙的分布状态，进而影响到工具阴极的设计[6-7]。

1.3.1阴极设计

针对图1所示零件的特点，基于等间隙原则设计的阴极如图3所示，包括加工部位和绝缘部位，其中加工部位用于零件内孔的电解成形，绝缘层用于保护外孔不受电解作用，而阴极加工部位与绝缘层之间的过渡由于直接影响零件内外孔间过渡圆角的质量而显得尤其重要。为得到较佳的圆角质量，设计了三种方案：方案1采用阶梯过渡，同时考虑到阴极刚度，绝缘层半径较阴极加工部位小0.2 mm；方案2采用圆角过渡，过渡区圆角半径0.2 mm；方案3采用直线过渡，即绝缘层直径等于阴极加工部位直径。

图3　不同结构阴极

1.3.2电场分析

为了掌握不同结构阴极加工时工件圆角过渡处的电场分布，设计中利用comsol软件进行电场分析。图4为加工间隙分布图，仿真用的电场模型如图5所示，三种模型施加相同的边界条件(阳极电势为10 V，阴极电势为0，初始加工间隙0.3 mm，电导率7.2 S/m)，得到工件圆角附近(图5中方框区域，内外孔分界线左侧4 mm，右侧6 mm，用l表示)电流密度i分布曲线，如图6所示，从图6中可知三种阴极结构对应工件圆角附近的电流密度均从48 A/mm2左右开始下降至0，下降速度顺序从高到低依次为方案2、方案1、方案3，其中方案1和方案3相近，轨迹近似为正弦曲线。由上述结果分析可知，方案1和方案3能形成圆角，而方案2将形成变圆角，但由于三者相差较小，故最终加工结果区别不大，均能够满足本文零件加工需求。

图4　加工间隙分布图

(a)方案1

(b)方案2

(c)方案3Γ1-阴极边界　Γ2-阳极边界　Γ3-绝缘边界图5　不同结构阴极电场模型

图6　不同结构阴极圆角附近电流密度分布

1.3.3流场分析

为了掌握加工间隙中流速分布，设计中利用FLUENT软件进行流场分析。一般可认为，电解液为理想状态液体，不含气泡、固体颗粒；流体为不可压缩、恒定的牛顿流体；加工过程中忽略电化学反应导致的电解液温度变化及温度变化造成的能量耗散，流体流动受质量守恒方程和动量守恒方程的约束[8-9]。

图7a为整个流道流速分布，图7b为不同阴极结构工件圆角过渡处电解液流速分布，其中，进口处电解液压力为0.4 MPa，出液口处压力为0.1 MPa，由数值分析结果可知，方案1和方案2加工间隙流速均在10 m/s左右，方案3整个流道流速在8.6 m/s左右，相比较而言，方案1和方案2加工间隙内电解液更新较快，更有利于电解加工的进行。然而，方案1和方案2圆角过渡处存在不同程度的“死水区”，电解产物易在此处聚集，引起局部电解液电导率下降，进而对圆角的形成造成影响。综合上述流场数值分析结果，方案3最为合理。

1.3.4试验验证

(a)整个流道流速分布

(b)圆角过渡处流速分布图7　不同阴极结构流场分析

根据上述数值分析结果进行试验验证。试验结果如图8所示，方案1工件大小二孔的过渡圆角半径已经明显偏大，并存在一道“沟壑”，方案2工件圆角质量相对方案1有很大改善，但仍存在一道浅“沟壑”(方案1沟壑深近2 mm，方案2沟壑深近1 mm)，而方案3工件圆角过渡处加工效果良好。这与数值分析结果较为一致，综合电场和流场数值分析和试验验证可知，采用数值分析方法进行阴极结构设计，能够缩短阴极设计周期，且仿真结果与试验验证结果较为一致。综上分析，考虑实际加工需要，应采用方案3。

(a)方案1　　　(b)方案2(c)方案3图8　不同阴极结构加工后圆角过渡处

2　电源参数选择与优化

整体式阴极固定加工相对片状阴极移动式加工对电源的容量要求大得多，合理选择其电源参数对工程应用具有重要意义。加工过程中工件蚀除速度va可按式(1)或式(2)计算：

(1)

(2)

S≈π(φ0+2Δt)l1

(3)

将式(3)代入式(2)得

(4)

由式(1)和式(4)可得

(5)

式中，η ω为实际体积电化学当量，可通过实验的方法测得；U为阴阳极间的电压；δE为阴阳极极化电位值之和，或近似为分解电压；κ为电解液电导率；va为阳极(工件)溶解速度；Δt为加工间隙；It为加工电流；φ0为阴极直径；S为加工面积。

由式(1)可知，采用恒压源模式加工时，工件蚀除速度va与加工间隙Δt成双曲线关系，初始阶段加工间隙Δt很小，工件蚀除速度va很大，如果电解液流速不够高，极间电解产物和氢气将来不及时排出，易发生结疤、短路等现象，随着加工间隙Δt的逐渐变大，工件的蚀除速度va越来越小，由于加工初始阶段与加工最终阶段加工间隙Δt相差数十倍，故加工最终阶段工件的蚀除速度va将非常缓慢，整个加工过程的时间很长(工件蚀除速度va随时间t的变化趋势如图9a所示)，难以满足生产需求。

由式(4)可知，采用恒流源模式时，由于Δt相对φ0较小，故整个加工过程中工件蚀除速度变化不大(工件蚀除速度va随时间t变化趋势如图9b所示)。然而，根据式(5)可知，由于最终加工阶段加工间隙很大，此时加工电压很大，易超出电源的容量，若减小加工电流使加工电压降低又会大大影响加工效率。

(a)恒电压　 　(b)恒电流(c)阶梯式电压图9　工件蚀除速度随加工时间变化

同时，由式(1)～式(3)可得

(6)

(7)

(8)

由式(6)可知，在加工电压和电解液参数一定的情况下，工件蚀除速度va与加工电流It成线性关系，故当电流变化较慢时，提高加工电压，并通过式(8)判断何时达到加工要求。

3　加工试验

3.1试验条件

轻量化阶梯孔电解加工试验在自行研制的电解加工机床上进行，图10所示为电解加工试验现场。试验采用功率为90 kW的直流电源，选用了图9c所示的阶梯式电压进行加工，电压参数如表1所示。试件材料为超高强度钢30CrMnSiNi2A；电解液为质量分数为12% 的NaNO3溶液，进口压力为0.4 MPa，出口压力为0.1 MPa，初始温度为30 ℃。

图10　电解加工现场

加工电压(V)1015202530加工时间(min)456610

3.2加工误差分析

使用上述加工参数，采用圆柱阴极加工后的零件如图11所示，表现0.8°的倒锥度。实际加工中，考虑温度和气泡率影响，电导率κ(x)和加工间隙Δ(x)由下式确定:

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为出口加工间隙，(1+ξ(T(x)-T0))描述了温度的影响，(1-β(x))n反映了气泡率的作用。

从式(9)、式(10)可以看出，气泡率和温度的综合作用影响电导率κ(x)，从而影响加工间隙Δ(x)，沿流程方向上，温度逐渐升高，则电导率增加而使加工间隙增大；但同时气泡率沿流程增加又使加工间隙减小。该零件加工中，由于沿流程上温度升高对加工间隙的影响大于气泡率对加工间隙的影响，故加工间隙Δ(x)沿流程方向上逐渐变大，反映到加工结果上即表现为一定的倒锥度。

图11　未修正阴极锥度加工后的零件

3.3阴极锥度修正

由上述分析可知，在不改变加工装置的情况下，要降低加工锥度须使沿流程方向上的电导率均匀，即平衡气泡率和温升对加工间隙的影响。为实现上述目标，修正阴极使阴极与工件在初始加工时就有一倒锥度(如图12所示，不含绝缘部位)，采用修正后阴极(阴极大端直径为19.7 mm，锥度为0.4°，加工部分长度为129 mm)，用同样参数成功加工出最大处直径为27.87 mm的内孔，锥度小于0.05°，且过渡处圆角平滑，如图13所示，满足加工要求。加工过程中电流随时间变化曲线如图14所示，从图14可以看出，加工初始阶段的电流较小，在各个电压参数持续阶段，曲线斜率相差不大，由此可判断整个加工过程中工件蚀除速度较稳定，与前期设计目的较为一致。

图12　修正锥度后的阴极

图13　最终加工完成合格件

图14　加工电流随加工时间变化

4　结论

电解加工因不存在机械切削力且工具阴极无损耗等优点在轻量化结构的制造中显示了良好的前景。通过上述飞机起落架转轴轻量化阶梯孔电解加工工艺试验研究可得到以下结论。

(1)采用阴极固定式加工相比阴极移动式效率要高出许多，是电解加工应用于此类零件加工的有效途径。

(2)试验中采用的成形阴极及专用工装的设计方法，能够满足此类零件的流场要求，加工过程稳定(已成功加工出合格件50根)。

(3)提出的阶梯式电压加工方法能够有效避免恒压源和恒流源模式加工时存在的不足，满足实际生产需要。

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(编辑袁兴玲)

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”总装预研项目(51318030403)；江苏省数字化电化学加工重点建设实验室(常州工学院)开放基金资助项目(KFJJ2004002)

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

刘玉杰，男，1989年生。南京航空航天大学机电学院硕士研究生。主要研究方向为CAD/CAM在特种加工中的应用。赵建社，男，1976年生。南京航空航天大学机电学院副教授、博士。干为民，男，1960年生。常州工学院江苏省数字化电化学加工重点建设实验室教授、博士。祁璐，男，1989年生。南京航空航天大学机电学院硕士研究生。