電解銑磨加工Inconel 718合金的流場仿真與試驗*

□ 牛 屾 □ 李寒松 □ 王系眾

南京航空航天大學 機電學院 南京 210016

1 研究背景

Inconel 718鎳基高溫合金在高溫下具有較高的強度、良好的抗氧化腐蝕能力和抗疲勞性能,被廣泛應用于航空發動機關鍵部件的制造,如整體機匣、整體葉盤等[1-4]。具有優良特性同時使Inconel 718合金成為一種典型的難切削加工材料,在傳統機械加工過程中切削力大，切削溫度高,造成刀具損耗快，加工成本高，工件殘余應力大且易變形,給航空制造業帶來了嚴峻的挑戰[5-8]。

電解銑磨加工采用形狀簡單的棒狀磨料工具作為陰極,以類似數控銑削的方式進行加工,基于電化學陽極溶解作用與機械磨削作用,實現材料去除[9]。電解銑磨加工具有加工效率高、加工柔性好、表面完整性佳、工具損耗低等特點,是實現難切削加工材料復雜結構零件高效、低成本加工的理想技術手段[10]。根據電解液的供液方式,電解銑磨加工技術可進一步分為電解液外噴式電解銑磨加工和電解液內噴式電解銑磨加工,前者采用外置噴嘴供給電解液,后者使用中空的棒狀工具,電解液直接從工具內部噴向加工區[11-12]。與電解液外噴式相比,采用電解液內噴式更容易保證加工區域內電解液的供給,因此更適合用于難切削加工材料的大切深、大余量去除。

文獻[13]采用基體外徑為6 mm且具有單排側壁噴液孔的工具,在電壓30 V、切深3 mm等工藝參數下加工GH4169鎳基高溫合金溝槽結構,獲得了2.3 mm/min的最大進給速度和44.44 mm3/min的材料去除率。為了提高加工效率,將切深與工具基體外徑均增大至10 mm,而且在保持5排1 mm直徑側壁噴液孔不變的情況下,確定具有6列側壁噴液孔的工具為優選方案,在加工GH4169合金溝槽結構時實現了2.3 mm/min的最大進給速度和188.47 mm3/min的材料去除率[14]。文獻[15]繼續保持10 mm切深及工具基體外徑不變,在選定6列1 mm直徑側壁噴液孔的前提下,進一步比較側壁噴液孔排數對最大進給速度的影響，以具有4排側壁噴液孔的工具為優選方案,在加工Inconel 718合金溝槽結構時實現了2.5 mm/min的最大進給速度和216.6 mm3/min的材料去除率[15]。

綜上所述,對于基體外徑與切深均為10 mm的工具,當保持噴液孔直徑為1 mm、側壁噴液孔列數為6列時,采用4排側壁噴液孔相比采用5排側壁噴液孔，能夠獲得更快的最大進給速度與更高的材料去除率。然而,文獻[15]在優選出4排側壁噴液孔的方案后,并沒有再進一步研究噴液孔列數對加工效率的影響。事實上,改變側壁噴液孔列數也會引起加工區域內流場及電場變化,因此也可能會影響加工穩定性及進給速度。此外,文獻[14]與文獻[15]均聚焦于溝槽結構的加工,未進行薄壁結構的加工。筆者繼續基于切深和外徑為10 mm的工具基體,在4排1 mm直徑側壁噴液孔的基礎上,研究側壁噴液孔列數對電解銑磨加工Inconel 718合金加工效率的影響,并完成薄壁結構的大余量去除加工過程。

2 工具側壁噴液孔列數設計

如圖1所示,工具基體A、B、C、D的側壁噴液孔列數依次為4列、6列、8列、10列。其中，工具基體B即為文獻[15]所優選的側壁噴液孔排數設計方案。所有工具基體的外徑為10 mm,內徑為8 mm,管壁厚度為1 mm,端部圓角半徑為0.5 mm,側壁噴液孔直徑為1 mm。這四種工具基體除了側壁噴液孔的列數不同之外,其余的結構設計參數均完全相同。

▲圖1 工具基體設計

3 流場仿真分析

加工間隙內流場分布的均勻性是電解銑磨加工能否順利進行的關鍵因素。如果流場分布嚴重不均,那么會導致電解產物在加工間隙內堆積,進而引發陰極、陽極短路,阻礙加工速度的加快。對此,利用計算流體力學數值模擬方法,分析不同側壁噴液孔列數對加工間隙內流場分布均勻性的影響。

電解液流道三維示意圖如圖2所示。從圖2中可以看出,電解液流道包括工具基體和溝槽中流體的空間,該流體空間即為流場模型的三維實體空間。由于流場中工具基體旋轉而工件靜止,因此需要采用滑移網格技術模擬旋轉問題。

▲圖2 電解液流道三維示意圖

流場仿真幾何模型如圖3所示。這一流場模型由旋轉域和靜止域裝配而成。旋轉域將工具基體的側壁和端面包裹起來,旋轉域的外表面即為邊界分界面。旋轉域外的區域即為靜止域,裝配時使旋轉域上某一列側壁噴液孔的軸線垂直于靜止域的背面。在流場模型中設置截面,該截面為過從下往上第三排側壁噴液孔軸線的水平面。這一流場模型的結構參數如下:工具基體外徑及切深均為10 mm,側面及底面極間間隙均為0.2 mm,邊界分界面到工具基體外表面的距離為0.1 mm,槽長與工具基體高度分別為7 mm和11 mm。

應用ANSYS FLUENT軟件有限元仿真模塊對所建立的流場模型進行數值模擬計算,邊界條件設置如下:電解液入口邊界條件為壓力入口,入口壓力為0.6 MPa;電解液出口邊界條件為壓力出口,出口壓力為0;旋轉域旋轉速度為1 000 r/min。非定常計算時間步長設置為0.25 ms,即每個時間步長內旋轉1.5°，共計算0.15 s,即旋轉900°。當ANSYS FLUENT軟件計算完成后,對于使用不同工具基體的流場模型,均選擇在0.03 s，即旋轉180°時觀察截面上的速度分布。

采用不同側壁噴液孔列數的工具基體時，流場截面速度云圖如圖4所示。仿真結果顯示,無論采用何種工具基體,面向已加工區噴液孔內的流速總是明顯快于面向加工間隙噴液孔內的流速,這說明電解液在加工間隙內的流動阻力很大,更容易從下方側噴液孔向已加工區流失。當采用工具基體A時,由于圓周方向上噴液孔數量較少,導致工具盲孔內電解液流量較低,造成加工間隙內同時出現了貧液區(流速慢于4 m/s)和低流速區(流速快于4 m/s且慢于8 m/s),即流場分布的均勻性較差。當采用工具基體B時,加工間隙內的貧液區基本消失,并且每段低流速區的面積也明顯減小。這表明在噴液孔直徑不變的前提下,通過增加工具側壁噴液孔的列數,可以有效增大流入加工間隙內的電解液流量,使流場分布的均勻性得到大幅改善。當采用工具基體C時,盡管噴液孔列數繼續增加,但上方噴液孔內的流速卻減慢,造成加工間隙內流場的均勻性并沒有出現好轉。當采用工具基體D時,由于上方噴液孔內電解液的流速進一步減慢,導致加工間隙內低流速區的面積顯著增大。由此說明,過多的側壁噴液孔列數會引起電解液向已加工區流失的現象加劇,造成噴入加工間隙中的電解液流量減小,從而使流場均勻性發生惡化。

▲圖3 流場仿真幾何模型

4 試驗驗證

基于工具基體A、B、C、D，通過電鍍工藝制備工具A、B、C、D,如圖5所示。所用金剛石磨料的粒度為170目/200目,電鍍磨料后工具的外徑約為10.2 mm。

▲圖4 流場截面速度云圖

為驗證上述流場模擬結果的有效性,利用文獻[15]所述的電解銑磨加工試驗裝置對四種工具開展最大進給速度測定試驗。試驗所用電解液為質量分數為10%的NaNO3溶液,工件為Inconel 718鎳基高溫合金鍛制,其余主要工藝參數見表1。

▲圖5 試驗用工具

表1 試驗工藝參數

根據歐姆定律和法拉第定律,當電化學溶解過程進入穩定狀態時,加工間隙Δ為[16]:

Δ=ηωκ(U-δE)/vf

(1)

式中:η為電流效率;ω為工件材料體積電化學當量;κ為電解液電導率;U為陰極、陽極之間的電壓;δE為陰極、陽極極化電位值之和;vf為進給速度。

由式(1)可知,當其它工藝參數不變時,加工間隙隨進給速度的加快而減小。然而,隨著加工間隙減小,間隙內電解液流動阻力變大,使帶走熱量及移除電解產物的能力下降,可能造成工件加工表面局部的材料溶解速度變慢,導致工具在高速旋轉過程中與工件發生瞬時接觸,產生火花放電現象,最終造成工具損耗及工件表面灼傷。因此,對于每組試驗,在工具切入工件后,首先以一個較慢的進給速度開始加工,然后以0.1 mm/min為步長逐步加快進給速度,而且每次提速后保持穩定加工5 min,直至加工間隙出現火花放電現象時停止,此時可認為進給速度已經快于最大進給速度。為確保結果的可重復性,每組試驗的最大進給速度均重復測定三次。

在不同電壓下,采用工具A、B、C、D所能達到的最大進給速度如圖6所示。從圖6中可以看出,隨著電壓升高,四種工具的最大進給速度均加快。根據式(1)可知,電壓升高會引起實際加工間隙變大,因此可通過加快進給速度來減小加工間隙,從而提高加工效率。對于這四種工具,在每一組試驗中，工具A的最大進給速度最慢。對于后三種工具,當電壓從15 V升高至30 V時,工具D最大進給速度的加快幅度最小。這表明,工具側壁噴液孔的列數過少或者過多,均可導致加工間隙內流場的均勻性出現嚴重惡化,所以都不利于加快最大進給速度,在工具設計時應予以排除。與工具B相比,采用工具C后,最大進給速度已不能繼續加快,甚至在30 V電壓時開始減慢。根據文獻[15]可知,相比于工具實體面,工具側壁噴液孔正對的工件加工表面區域，材料溶解速度會明顯減慢。根據仿真結果可知,相比于6列側壁噴液孔,采用8列側壁噴液孔不但會增加電解液向已加工區的流失,還可能加劇工件加工表面上各處材料溶解速度的不一致性,導致陰極、陽極發生瞬時接觸的概率增大,從而制約最大進給速度的加快。此外,考慮到較多的噴液孔列數設計也會延長工具制備的周期，增加成本,所以最終確定具有6列側壁噴液孔的工具B為優選方案。當電壓為30 V時,采用工具B獲得了2.5 mm/min的最大進給速度。

▲圖6 不同電壓下工具最大進給速度

采用工具B進行Inconel 718合金薄壁結構的電解銑磨加工試驗。試驗得到的薄壁結構實物如圖7所示。加工所用電壓為30 V,切深為10 mm,其余主要工藝參數與表1相同。加工的總進給量為74.5 mm,先以1 mm/min的進給速度從工件側壁處切入進給量5.2 mm,再以2.5 mm/min的進給速度執行進給量69.3 mm,并且此階段的走刀方向改變兩次,兩次走刀的偏移量分別為12.5 mm和25 mm。試驗前后經精度為0.01 g的電子天平稱量并計算,得該薄壁結構加工時的材料去除質量為71.26 g,材料去除率為262.7 mm3/min。

利用橋式坐標測量機測量出該薄壁結構在圖7虛線處的輪廓曲線,如圖8所示。根據測量結果可知,該薄壁結構平均壁厚為1.08 mm,最薄處為0.675 mm。

▲圖7 薄壁結構實物▲圖8 薄壁結構輪廓曲線

電壓為30 V時采用工具B加工薄壁結構的加工電流曲線如圖9所示。

從圖9中可以看出,在加工開始后,隨著工具逐步進入工件,電流逐漸增大至85.6 A左右。通過加快進給速度,電流迅速增大至205.8 A左右。當加工方向改變時,電流會先急劇減小至150 A左右,再重新增大至205.8 A左右。分析原因,可能是在加工方向改變后,工件加工表面的面積會先急劇減小,然后再逐漸增大,造成加工電流也出現相似變化。結果顯示,整個加工過程中沒有產生火花放電現象,由此表明電解銑磨加工在難切削加工材料薄壁結構的大余量去除制造領域具有很大的優勢。

5 結束語

在側壁噴液孔直徑及排數不變的前提下,隨著側壁噴液孔從4列增加到10列,電解液向已加工區的流失增多,加工間隙內電解液流速分布均勻性先改善后惡化。

在電解液壓力不變的前提下,最大進給速度隨著電壓的升高而加快。確定具有6列側壁噴液孔的工具為優選方案,當電壓為30 V、切深為10 mm時,獲得2.5 mm/min的最大進給速度。

▲圖9 薄壁結構加工電流曲線

利用優選工具在30 V電壓、10 mm切深下加工薄壁結構,加工電流達到205.8 A,材料去除率達到262.7 mm3/min,所得到薄壁結構的平均壁厚為1.08 mm,最薄處壁厚僅為0.675 mm。