线性变电压套料电解加工锥度改善研究

马 越，朱 栋，朱 荻

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）

电解加工是属于电化学加工范畴的一种特种加工方法，主要通过电化学阳极溶解实现工件的加工成形[1]。与机械加工相比，电解加工具有加工效率高、加工表面质量好、工具无损耗、不存在机械切削力等优点[2-4]。电解加工一般涉及电场、流场及阴阳极之间电化学反应场，因而对电解加工的研究一般围绕这三种场展开[5]。

尽管电解加工具有诸多优势，但也存在一些缺点，典型的是由杂散腐蚀导致的加工工件侧壁轮廓存在锥度[6]。为了减小加工锥度，国内外学者采用了混气电解法、阴极侧壁绝缘法、辅助阳极法等抑制杂散腐蚀。Ayyappan等[7]在NaCl电解液中混入氧气加工20MnCr5材料，工件加工锥度得到显著改善；陈济轮[8]将混气电解方法应用到小喷管内型面加工中，减小了杂散腐蚀；孙伦业[9]采用侧壁绝缘阴极开展了叶盘通道的径向电解加工，显著提高了叶盘通道型腔的成形精度；谷洲之[10]设计了绝缘套对工件侧壁设置绝缘，改善了加工叶片的锥度；王宁峰等[11]在旋印电解加工中使用辅助阳极成功抑制了工件侧壁杂散腐蚀；李冬林[12]采用辅助阳极法提高了掩膜板电解加工的精度，有效抑制侧壁杂散腐蚀，减小了孔的锥度。

套料电解加工过程受杂散腐蚀影响，加工的叶片存在严重的锥度问题。尽管采用抑制杂散腐蚀方法可减小套料电解加工锥度，但无法完全抑制杂散腐蚀，因而加工的叶片仍存在一定锥度，需要采取进一步措施。本文在采用绝缘装置的基础上开展了不同线性变电压参数的套料电解加工仿真研究，通过工件的锥度对比，选取了优化的变电压参数；在优化变电压参数下，对工件的锥度作进一步改善，通过试验对仿真结论进行了验证。

1 套料电解加工

由于杂散腐蚀的存在，套料电解加工工件的侧壁存在锥度，为改善加工锥度，本文将开展线性变电压仿真与试验研究。

采用图1所示的正向流动方式开展圆柱状工件套料电解加工研究，电解液由进液口流入阴极座与绝缘套之间的间隙，在阴极刃、绝缘套及加工工件侧壁之间的间隙内流动，最后由阴极刃前端的加工区流出。

图1 圆柱状工件套料电解加工示意图

2 仿真分析

2.1 几何模型构建

针对圆柱状工件套料电解加工过程开展仿真研究，通过分析成形工件的侧壁轮廓得出工件的锥度变化情况。圆柱状工件侧壁各点电场、流场分布均匀，各截面锥度大小相等，因此只需建立图2所示的加工截面二维几何模型进行仿真分析。

图2 带绝缘套料电解仿真模型

在图2中：Γ1为工件表面，Γ3与Γ17为阴极刃加工面，Γ6与Γ14为电解液进液口，Γ2与Γ18为电解液出液口；r、a、d分别为阴极刃的圆角、厚度与内径，f为进液口宽度，e为绝缘套内腔宽度，Δ为端面间隙。其中，阴极刃圆角半径r为定值0.5 mm，端面间隙Δ为0.5 mm。

2.2 边界条件设置

整个电场仿真过程采用了电流模块与变形几何模块。电流模块基于欧姆定律使用标量电位作为因变量求解电流守恒方程，计算导电介质中忽略感应条件下的电流及电位分布；变形几何模块主要研究几何随某参数变化时对物理场变化的影响。

在电流模块中，加工间隙电位分布符合拉普拉斯方程：

电场的边界条件设置为：

变形几何模块的边界条件为：

式中：v'为阴极进给速度；v''为工件腐蚀速度；η为电流效率；ω为体积电化当量；i为电流密度。

电流与电势满足欧姆定律：

式中：E为电场强度。

2.3 仿真参数设置

基于以上几何模型和边界条件，使用COMSOL软件进行套料电解加工仿真分析，其中仿真参数见表1。

表1 电场仿真参数

2.4 仿真结果

2.4.1 绝缘套对加工工件锥度的影响

为研究绝缘套对加工锥度的影响，以图2去除绝缘套后的结构作为参照，设定加工时间600 s、恒电压20 V，开展了有、无绝缘套模型下套料电解加工对比仿真研究，得到的仿真结果见图3。

图3 20V恒电压电场仿真电势分布图

由图3可知，绝缘装置对杂散腐蚀具有很好的抑制作用，使用绝缘装置可大大改善叶片锥度。但是，带绝缘的阴极装置成形的叶片依然存在锥度，说明绝缘装置不能完全屏蔽杂散腐蚀，需采取进一步措施解决锥度问题。

2.4.2 线性变电压套料电解加工仿真

针对采用绝缘套后的工件仍存在锥度的问题，提出线性变电压套料电解加工方法对工件侧壁锥度进一步改善，分析不同斜率电压曲线对工件锥度的影响，以获取最优的变电压曲线。此处的“斜率”是指固定加工时间，通过改变电压范围得到的中间参数。结合实际叶片套料电解加工情况，确定具体变电压参数：19～21、18～22、17～23、16～24、15～25 V，得到的工件成形结果见图4。可见，从19～21 V到15～25 V变电压加工，工件侧壁由正锥度逐步变为倒锥度，且倒锥程度逐步变大。在15～25 V变电压加工时，除了叶尖圆弧与叶根圆弧，工件中间部分完全呈倒锥度。

图4 不同参数线性变电压仿真电势分布图

为排除叶尖圆弧与叶根圆弧对工件锥度的影响，选取距离叶尖2～7 mm的部分计算工件的锥度值，具体示意见图5。其中，工件锥度计算公式为：

式中：l为单边轮廓偏差；h为检测高度差，5 mm。

表2是由式（9）计算而得的工件锥度值。可知，从20 V的恒电压到17～23 V变电压，工件侧壁锥度由1.466°逐步改善到0.114°；从变电压16～24 V到15～25 V，工件呈现倒锥度，由-0.291°变至-0.433°。因此，在17～23 V变电压参数下，加工的工件具有最小的锥度值0.114°。

图5 工件锥度示意图

表2 不同电压参数下工件侧壁锥度

3 套料电解加工试验与结果分析

3.1 试验装置与加工参数

采用图6所示的试验装置开展了圆柱状工件变电压套料电解加工试验研究。其中，工件安装在基座上，基座与电源正极相连，工具阴极通过阴极连接杆固定在机床主轴上，机床主轴与电源负极相连。加工时，阴极通过机床主轴向工件匀速进给，电解液通过入液口经阴极连杆及阴极内腔流向工件，最后沿阴极外壁流出。

图6 圆柱状工件套料电解加工装置

为验证仿真结果的准确性，试验采用与仿真一致的电压参数，即19～21、18～22、17～23、16～24、15～25 V，其他加工参数见表3。

表3 电解加工参数

3.2 试验结果

3.2.1 加工电流分析

加工电流可反映加工过程所处的状态与稳定性。在电解加工过程中，对加工电流进行记录，从加工开始每隔0.5 min记录一次加工电流，得到不同电压参数下的加工电流见图7。

图7 不同电压参数下的加工电流

从图7的整体趋势可知，开始加工到1.8 min，电流由170 A剧增至350 A，端面间隙不断减小，加工过程处于过渡状态；从1.8 min直至加工结束，电流缓慢增大，表示加工过程趋于稳定，端面加工间隙趋近平衡间隙。

对比不同电压参数下的加工电流，从20 V恒电压逐步变至15～25 V变电压，初始电流呈减小趋势，加工电流增速增大，当加工到1.8 min时，加工电流基本相交于同一电流值；从1.8 min至加工结束，加工电流缓慢增大，电压变化斜率越大，电流增速越快；加工结束时，15～25 V加工电流最大，20 V恒电压加工电流最小。

3.2.2 锥度分析

为分析加工工件的锥度变化趋势，将工件置于三坐标测量机，采用扫描圆的方式对工件进行扫描，具体见图8。

图8 三坐标测量

图9是由扫描数据绘制出工件的右半部侧壁轮廓。可知，从20 V恒电压到15～25 V变电压，工件由正锥度逐步变为倒锥度，且倒锥程度越来越大；此外，在叶根圆弧部分，变压斜率越大，其轮廓越偏左，说明斜率大的变电压参数会加重工件根部的腐蚀。在17～23 V变电压参数下，工件锥度最小。

图9 工件右部侧壁轮廓曲线

表4是由式（9）计算出不同电压下的工件锥度值。与仿真工件锥度值对比可知，相同参数下试验与仿真锥度值相差基本不超过0.3°，说明仿真与试验的准确性高；从20 V恒电压逐步至15～25 V变电压，试验与仿真得到的工件锥度都是由正锥度逐步变为倒锥度。在17～23 V下，线性变电压参数加工工件的锥度最小，这与仿真结果一致，但试验与仿真锥度值仍相差0.177°，主要是因为仿真过程采用纯电场模块，未考虑流场等因素。

表4 不同电压参数下工件的侧壁锥度

4 结论

（1）开展了恒电压下有、无绝缘套的套料电解加工的仿真与试验研究，结果显示：采用绝缘套后，杂散腐蚀对工件的影响较小，叶片锥度改善明显，但工件仍存在一定的锥度，说明绝缘套不能完全屏蔽杂散腐蚀。

（2）针对用绝缘套后工件仍存在锥度的问题，开展了不同斜率的线性变电压套料电解加工仿真，结果显示：采用17～23 V变电压参数加工的工件具有最小的锥度值。

（3）开展了不同斜率的线性变电压套料电解加工试验，结果表明：采用17～23 V线性变电压参数加工工件的锥度最小，与仿真结果一致，试验工件锥度为-0.063°，但与仿真锥度值仍相差0.177°，主要是因为仿真过程未考虑流场等因素。