鈦合金異形內螺旋線電解加工過程工藝優化

晏永寧YAN Yong-ning；唐霖TANG Lin；周嘉凱ZHOU Jia-kai；劉世英LIU Shi-ying

（西安工業大學機電工程學院，西安710021）

0 引言

鈦合金以其強度高、高低溫性能優異、抗腐蝕性好等特性在兵器裝備、航空航天、生物醫療等領域應用廣泛。采用鈦合金材料設計輕武器身管既能顯著降低裝備整體重量，充分發揮機動響應能力，又可以保證其使用壽命與火力打擊效能[1]。然而機械加工鈦合金存在易發熱粘刀、刀具壽命低、加工效率低等問題，嚴重制約了我國大長徑比鈦合金內螺旋線產品的推廣應用。電解加工是一種利用電化學陽極溶解的原理對材料進行非接觸式加工的工藝，以其加工效率高、表面質量好、陰極無損耗的優點在異型內螺旋線身管的工程化應用中發揮了重要作用。

為實現鈦合金高效高質量電解加工，國內外學者在鈦合金電解加工溶解特性、加工精度及效率、工藝優化等方面開展了大量科學研究。Baehre D等研究了鈦合金在不同電解液中的電化學溶解行為，發現含鹵化物能夠同時提升鈦合金溶解速率和均勻性[2]。何亞峰等通過測量Ti6Al4V在不同濃度NaBr中的極化曲線和樣件表面形貌，發現隨著NaBr濃度的增加，工件表面更加平整[3]。合理的流場設計決定電解加工效率及精度，姚冶冰等通過流場仿真發現鈦合金薄壁型腔電解加工過程中，群孔出液口陰極可以減輕加工表面雜散腐蝕現象、提高加工精度[4]。為了進一步掌握鈦合金電解加工成形規律、縮短工藝優化周期，研究人員從加工設備、工藝參數優化等方面開展了大量研究。Zaytsev A N等應用微秒級脈沖電源進行Ti6Al4V鈦合金電解加工，所得樣件表面粗糙度低，無明顯點蝕現象[5]。唐霖等人對大長徑比內螺旋線類零件電解加工開展了大量研究，在陰極設計方法、陰極運動軌跡精確控制、工藝參數優化等方面取得了突破性進展，實現了大中小口徑內螺旋線高效高質量加工[6]。

針對鈦合金內螺旋線加工間隙流場分布不均，鈦合金材料溶解特性復雜等問題，本文提出一種順流換向式陰極結構，通過加工間隙流場仿真，實現陰極的優化設計；開展了電解液基礎試驗研究，尋求適合鈦合金電解加工的最優電解液；采用自主研發的大型臥式數控電解加工機床，加工出合格的鈦合金內螺旋線零件。

1 電解加工陰極結構設計

為實現鈦合金內螺旋線高精度、高質量電解加工，對傳統陰極結構進行了優化。提出了一種新型順流換向式陰極，主要包括陰極體、前引導、后引導、端蓋，如圖1所示。

陰極模型剖視圖如圖2所示。電解液沿拉桿進入陰極體內部，通過過液孔進入加工間隙，從工作齒后端向前端流動，進入前引導設置的回液孔后經陰極體內部從后端排出。該結構改變了電解液在陰極體內的流向，使電解液流動方向與陰極進給方向一致，減輕了機床軸向載荷。

圖2 陰極剖視圖

2 間隙流場建模與仿真

增大過液孔直徑能提高加工區域電解液流量。但是過液孔直徑過大，既會影響陰極結構剛性，又會引起電解液的流速下降。為了得到合適的過液孔直徑，需對不同過液孔直徑下的流速及進行仿真分析。

為保障加工順利進行，需使過液孔處電解液流量大于加工間隙所需流量，即使過液孔截面積之和大于加工間隙中最大截面積。即滿足：nS2≥S1（1）

式中：S1為加工間隙最大過液面積，S2為過液孔截面積，單位為mm2；n為過液孔數量。

通過對流體幾何模型測量可得，S1=95.5mm2，n為24，則：d1≥2.25mm。受陰極內孔直徑和過液孔數量限制，d1≤5.24mm。故選擇供液孔直徑依次為2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0mm，分別建立流場物理模型，導入COMSOL進行仿真分析。

2.1 物理模型建立

電解加工過程中，陰極與工件之間充滿電解液的部分為加工間隙，加工間隙流場物理模型如圖3所示，電解液按圖中箭頭所示方向流動。

圖3 鈦合金內螺旋線電解加工物理模型

2.2 幾何模型及網格劃分

鈦合金內螺旋線電解加工過程中，電解液所經過區域的并集即為所研究的流場幾何模型，如圖4所示。采用COMSOL軟件進行流場仿真計算，對過液孔附近進行邊界層加密處理，拐角區域角部進行加密。（圖5）

圖4 流場幾何模型

圖5 網格剖分結果

2.3 仿真結果分析

選取過液孔圓心位置的截面，繪制表面速度云圖，如圖6所示?？梢钥闯霎斶^液孔直徑為3.5mm時，進入加工區域的電解液流速較高，工作齒區域電解液充足。

圖6 過液孔直徑3.5mm的流場分布

3 電解液基礎實驗研究

鈦合金材料電解加工難點在于：電解液需要較強活性以突破基體表面的鈍化層，同時要防止活性過強導致工件出現雜散腐蝕。為解決該問題，需要我們進一步了解電解液類型，保障鈦合金金屬基體穩定有序溶解。

3.1 實驗準備

利用立式電解加工機床，在鈦合金板材上進行圓孔加工試驗。兼顧鈦合金溶解特性與原料成本，配制了表1所示的電解液。

表1 電解液成分和參數表

依據材料去除率和表面質量來分析不同電解液對鈦合金材料的電解加工效率和質量的影響。其中材料去除率計算公式如式（3）；表面質量通過便攜式粗糙度檢測儀測量。

式中：MRR—材料去除率（g/min）；m0—加工前工件的重量（g）；m—工件后加工的重量（g）；t—加工時間（min）。

3.2 電解液對加工效率和表面質量的影響

根據測量結果繪制不同成分電解液對加工效率和表面質量的影響曲線?？梢钥闯?，20%NaCl電解液得到的材料去除率最大，10%NaNO3的材料去除率最??；從表面粗糙度變化曲線可以看出，10%NaNO3電解液的表面質量相對最好。在此基礎上加入3%的緩蝕劑Na2HPO4，同時提高NaCl、降低NaNO3濃度，表面粗糙度值有所上升，在其比例為10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4時，鈦合金電解加工同時獲得了較好的材料去除率和表面質量。（圖7）

圖7 電解液對加工效率和表面質量的影響

通過掃描電子顯微鏡對試驗加工出的圓孔底面形貌進行檢測，其中NaCl電解液的樣件表面雜散腐蝕現象明顯，材料表面晶界腐蝕嚴重，NaNO3電解液作用下樣件溶解較均勻，表面質量最好。在電解液為10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4時，樣件表面如圖8所示，無明顯點蝕現象，凹坑尺寸較小且分布均勻，整體較為平整。

圖8 加工后工件的表面形貌圖

4 內螺旋線樣件加工試驗及分析

試驗設備采用課題組自主研發的臥式數控電解加工系統，機床床身長達24m，加工電壓可實現0~24V無級調節，電流最高可達15000A，電解液系統恒溫控制精度可達±1℃。

工具陰極為優化后的順流換向式陰極，電解液為10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4的復合溶液，實驗參數選取加工電壓10V、電解液入口壓力1.2MPa、陰極進給速度20mm/min，在電解液恒溫30℃條件下，進行鈦合金內螺旋線電解加工驗證試驗，加工環境如圖9所示。整個加工過程穩定，陰極工作正常，無短路現象發生。加工出的鈦合金內螺旋線實物如圖10所示，身管內表面不存在明顯的點蝕或雜散腐蝕現象，陰線輪廓與試驗目標一致，無塌壁、燒傷現象。

圖9 實際加工環境

圖10 鈦合金身管內螺旋線樣件

在加工后的鈦合金身管樣件上切割厚度5mm的薄片樣件，利用光學影像測量儀對樣件進行測量，樣件成形精度值小于0.04mm。陰線表面質量均勻，無明顯流紋、點蝕微坑，采用白光干涉儀對樣塊進行表面粗糙度檢測，結果如圖11所示，陰線表面粗糙度為Ra0.697μm。

圖11 表面粗糙度為Ra0.697μm

5 結論

本文提出了一順流換向式陰極設計方法，進行了流場仿真并開展了鈦合金內螺旋線電解加工工藝試驗，得到以下結論：

①當順流換向式陰極過液孔直徑為3.5mm時，過液孔出口電解液流速相對較高，能明顯改善加工間隙電解液流場分布均勻性，提高電解加工過程穩定性。

②通過電解液基礎試驗分析了不同電解液對鈦合金電解加工效率和表面質量的影響，獲得了最優電解液配方10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4，有效抑制了點蝕現象的出現。

③在加工電壓10V，陰極進給速度20mm/min，電解液壓力1.2MPa，電解液溫度30℃的條件下，采用優化的順流換向式陰極與復合電解液實現了鈦合金內螺旋身管線樣件穩定可靠加工，加工表面無點蝕現象出現，成形精度值達到0.04mm，陰線表面粗糙度為Ra0.697μm。