斜向進(jìn)給電解加工葉盤通道流場分析與試驗(yàn)

肖 順,孫倫業(yè),劉永杰,葉世康,楊 碩

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

整體葉盤作為航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)的核心零部件,其葉間通道狹窄扭曲,葉片型面復(fù)雜,其制造材料多使用高溫合金、鈦合金等難以加工材料,傳統(tǒng)銑削加工方式難度極大,代價高昂[1]。相較于傳統(tǒng)銑削加工,電解加工易加工高溫合金、鈦合金等材料,且成本較低,因此電解加工成為了國內(nèi)外加工整體葉盤的主流加工方式[2-3]。

電解加工過程受到電場、流場、溫度場以及結(jié)構(gòu)場的影響[4-6],使得電解加工過程難以預(yù)計。李清良[7]針對整體構(gòu)件外流道加工間隙運(yùn)用COMSOL進(jìn)行電解加工流場仿真分析,為優(yōu)化參數(shù)提供依據(jù)。張礦磊[8]等針對葉柵通道開展電解加工,對比分析電解液側(cè)流式下的正向流動與反向流動加工間隙內(nèi)流場狀態(tài)。周敘榮等[9]建立了球槽曲面電解加工過程中電解液流動模型,采用數(shù)值分析方法研究了不同電解液流動方式、導(dǎo)流段、電解液壓力對流場的影響規(guī)律。

目前葉盤通道電解加工通常是工件水平放置,陰極沿水平徑向進(jìn)給的加工方式,由于葉盤葉片扭曲復(fù)雜,水平徑向進(jìn)給難以保證葉盆、葉背加工余量分布的均勻性。本文采用陰極相對工件沿空間坐標(biāo)系X(-12°)-Y(-12°)-Z(-12°)角度的斜向進(jìn)給加工方式,此進(jìn)給角度下,葉盆與葉背的余量相較于傳統(tǒng)的水平徑向進(jìn)給更加的均勻,但是給電解液流場的布置以及夾具的封裝帶來了較大難度。為此,本文基于空間斜向進(jìn)給加工方式,設(shè)計了新的電解液流動方案,通過三維建模軟件建立了流場模型,對流場模型進(jìn)行了仿真模擬,得到了陰極前端面與工件陽極之間加工間隙內(nèi)的速度以及壓力云圖,以此設(shè)計了工裝夾具,并通過實(shí)際電解加工工藝試驗(yàn),最終驗(yàn)證了流場設(shè)計的合理性及可行性。

1 流道結(jié)構(gòu)分析與流場設(shè)計

整體葉盤的葉盤通道狹窄扭曲,葉盤通道加工后的葉盆、葉背的余量分布對后續(xù)精加工有著重要影響。選取葉背、葉盆的截面線,并根據(jù)截面線得到葉背、葉盆余量差。陰極水平徑向進(jìn)給以及斜向進(jìn)給時葉背、葉盆的余量差如圖1所示,可以看出:陰極水平進(jìn)給時葉背最大余量差在1.6～1.8 mm之間,最小余量差在0.4～0.6 mm之間,葉盆最大余量差將近3 mm,最小余量差接近0。而陰極相對工件沿空間坐標(biāo)系X(-12°)-Y(-12°)-Z(-12°)角度的斜向進(jìn)給時,葉背最大余量差在2.0～2.2 mm之間,最小余量差在0.6～0.8 mm之間,葉盆最大余量差在2.2～2.4 mm,最小余量差在0.8～1.0 mm。陰極斜向進(jìn)給時余量更加均勻,因此本文采用陰極相對工件沿空間坐標(biāo)系X(-12°)-Y(-12°)-Z(-12°)角度的斜向進(jìn)給加工方式。

(a) 葉背

(b) 葉盆圖1 葉背及葉盆余量差

如圖2所示為陰極相對于工件的進(jìn)給角度示意圖,圖中圈出區(qū)域?yàn)殛帢O進(jìn)給過程中的非加工間隙,這個區(qū)域會使得本該流入加工間隙內(nèi)的電解液分流,導(dǎo)致加工間隙可能出現(xiàn)流場可達(dá)性不佳的缺陷區(qū)域。

圖2 陰極斜向進(jìn)給角度

圖3為夾具以及陰極裝配后的形狀。夾具前端細(xì)節(jié)如圖4所示,可以看出:為減小非加工間隙面積,改善上述流場可達(dá)性不佳的情況,將陰極進(jìn)給過程中的非加工間隙1和2設(shè)計成陰極前端面的形狀;型腔內(nèi)部通往加工間隙的電解液通道區(qū)域,在保證加工過程中陰極能通過的條件下盡量使該通道內(nèi)電解液均勻的流入流出;為方便裝夾,工件斜置安裝于夾具上,陰極相對于工件斜向進(jìn)給。

圖3 工裝夾具三維模型

圖4 夾具前端細(xì)節(jié)

根據(jù)陰極以及夾具結(jié)構(gòu)提取出的流場模型如圖5所示,電解液流動方式為:電解液由進(jìn)液口流入,流過左側(cè)進(jìn)液通道,從陰極左側(cè)間隙進(jìn)入加工區(qū)域以及非加工區(qū)域,再依次流過陰極右側(cè)間隙以及右側(cè)出液通道,再由出液口流出,并且隨著陰極的進(jìn)給,前端非加工間隙1和2的流場狀態(tài)也在不斷變化。

圖5 電解液流動方式

2 流場模型

2.1 數(shù)學(xué)模型

電解加工過程中流場模型的假設(shè)條件為:1)夾具內(nèi)部流道區(qū)域的流體的動力粘度不隨速度梯度變化,即流體為不可壓縮且恒定的牛頓流體。2)電解加工過程中流體為湍流狀態(tài),這樣有利于均勻流場并能夠消除極化濃差。3)忽略加工過程中電解液因溫度變化而造成的能量損耗。電解液在流場內(nèi)部的流動應(yīng)嚴(yán)格遵守流體的控制方程,控制方程如下[10]:

質(zhì)量守恒定律為

(1)

式中:ρ為流體密度;ui為流體沿i方向的流速分量。

動量守恒定律為

(2)

式中:τij為應(yīng)力矢量;ρgi為i方向的重力分量;Fi為阻力和能源引起的其他能源項(xiàng)。

能量守恒定律為

(3)

式中:h為熵;k為分子傳導(dǎo)率;kt為湍流傳遞引起的傳導(dǎo)率;Sh為定義的體積源。

目前工程湍流計算中所采用的基本方法為應(yīng)用雷諾時均方程法,在COMSOL軟件中Spalart-Allmaras模型、k-ε模型、k-ω模型均屬于應(yīng)用雷諾時均方程法。其中,k-ε模型為工業(yè)應(yīng)用中最廣泛的湍流模型之一,穩(wěn)定、容易求解,且在模型的壁附近可以使用較為粗化的網(wǎng)格。因此本文選擇k-ε模型進(jìn)行仿真,其對應(yīng)輸運(yùn)方程[11]為

(4)

式中:k為流體動能方程;ε為耗散率方程;ρ為流體密度;ui為流體沿i方向的流速分量;t為時間;xi、xj為i、j向位移;μ為有效的黏性系數(shù);系數(shù)C1ε、C2ε取1.44和1.92;經(jīng)驗(yàn)常數(shù)σk、σε取1和1.3。

由平均梯度引起的湍流動能產(chǎn)生項(xiàng)Gk為

(5)

湍流黏度μt為

(6)

2.2 流場三維模型

由圖2可知,陰極前端面為曲面,因此在電解加工過程中,隨著陰極的進(jìn)給,陰極前端面與工件之間的間隙由不平衡狀態(tài)逐漸進(jìn)入平衡狀態(tài)。同時夾具的內(nèi)部流場區(qū)域?yàn)楸ＷC陰極的順利進(jìn)給留出了非加工間隙,而隨著陰極的不斷進(jìn)給,非加工間隙的流場狀態(tài)也隨著陰極的進(jìn)給不斷變化。因此在對流場進(jìn)行仿真時需要根據(jù)陰極的進(jìn)給狀態(tài)選擇流場模型。圖6為陰極分別進(jìn)給至4、10、20、40.2 mm時的流場模型,對應(yīng)著從加工開始到加工結(jié)束的各個階段。

圖6 不同進(jìn)給狀態(tài)下的流場模型

3 流場有限元仿真

3.1 網(wǎng)格劃分

根據(jù)所建立的流場模型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對模型進(jìn)行合理劃分,如圖7所示。模型后段、進(jìn)出液通道位置以及4處圓角部分均可采用掃掠的方式進(jìn)行網(wǎng)格劃分;模型前端采用自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行劃分,這部分是電解加工的加工反應(yīng)區(qū)域,因此對這部分自由四面體網(wǎng)格進(jìn)行細(xì)化,保證求解精度。

圖7 流場模型網(wǎng)格劃分方案

各加工階段流場模型的網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖8所示,其網(wǎng)格平均單元質(zhì)量均在0.65以上,滿足仿真計算要求。

圖8 不同狀態(tài)下流場模型的網(wǎng)格劃分

3.2 仿真分析

流場前端加工間隙及非加工間隙如圖9所示。使用COMSOL對陰極不同進(jìn)給量下的流場模型進(jìn)行模擬,進(jìn)口壓力為0.8 MPa,出口壓力為0.3 MPa,仿真結(jié)果使用工件陽極與陰極前端面之間的間隙內(nèi)的速度流線云圖以及壓力等值線表示,如圖10～11所示。

圖9 流場前端

圖10 各進(jìn)給量下速度流線云圖(單位:m/s)

由圖10可知:整個加工過程中,電解液流向?yàn)閺挠覀?cè)導(dǎo)流段進(jìn)入,受夾具上下非加工間隙影響,電解液斜向上流入左側(cè)導(dǎo)流段,整體流向滿足設(shè)想的電解液流動方式。同時,加工過程中的流速變化可分為2個階段分析:一是加工間隙不平衡階段;二是加工間隙平衡階段。如圖10(a)所示,此時處于加工間隙不平衡階段,可以明顯看出,加工間隙變化區(qū)域流速較高,在20 m/s之上,中間部分整體流速在15 m/s左右,低速區(qū)域?yàn)閮蓚?cè)拐角處,但主要集中在進(jìn)液口一側(cè),其他區(qū)域流速在5 m/s以上,能夠及時帶走加工產(chǎn)物。由圖10(b)～(d)所示,加工間隙達(dá)到平衡,此時電解液流速相較于不平衡階段更為均勻,流向一致。中間部分流速均在15 m/s以上,并且隨著陰極不斷進(jìn)給,流速緩慢增加。通過速度流線云圖可知,整個加工過程的流場能夠滿足電解加工的需求。

各進(jìn)給量下壓力等值線云圖如圖11所示,可以看出:當(dāng)陰極進(jìn)給量為4 mm時,加工間隙變化區(qū)域附近壓力較低,為0.4 MPa左右;陰極進(jìn)給至平衡狀態(tài)后,加工間隙內(nèi)壓力分布基本與進(jìn)出口壓力一致,右側(cè)與進(jìn)液口相連處壓力為0.8 MPa,左側(cè)與出液口相連處壓力為0.3 MPa,中間部分由右向左逐漸減小,上下兩端少部分區(qū)域受夾具上下非加工區(qū)域影響壓力比中間稍高。加工過程中,加工區(qū)域壓力基本保持0.4 MPa左右,保證了加工間隙內(nèi)的電解液流量,并且不至于因壓力過高而導(dǎo)致加工間隙內(nèi)產(chǎn)生渦流。

圖11 各進(jìn)給量下壓力等值線云圖(單位:MPa)

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證流場仿真分析的準(zhǔn)確性,利用自行研制的電解加工機(jī)床(主要性能參數(shù)見表1),開展了葉盤通道電解加工試驗(yàn)。試驗(yàn)對象為葉盤扇段毛坯,材料為GH4169;工具陰極材料為不銹鋼,并且側(cè)面做絕緣處理,進(jìn)給速度為0.4 mm/min;電解液為18%的硝酸鈉溶液,加工溫度為30 ℃,加工電壓為20 V,進(jìn)口壓力為0.8 MPa,出口壓力為0.3 MPa,初始加工間隙為0.5 mm,脈沖頻率5 kHz,占空比為40。圖12為電解加工現(xiàn)場。加工過程平穩(wěn),加工出的葉盤輪轂表面光滑,無點(diǎn)蝕以及表面流痕等缺陷,圖13為加工后的葉盤通道。

表1 電解加工機(jī)床主要性能參數(shù)

圖12 電解加工現(xiàn)場

圖13 葉盤通道

加工過程中加工電流的變化如圖14所示,可以看出:隨著陰極不斷進(jìn)給加工電流不斷增加,到達(dá)峰值點(diǎn)時受非加工區(qū)域影響電流略有波動,但無火花、短路產(chǎn)生,整個加工過程電流穩(wěn)定上升,無劇烈變化。

使用粗糙度測量儀(Mahr Surf M300,德國)對葉盤輪轂表面的粗糙度進(jìn)行檢測,結(jié)果如圖15所示,葉盤輪轂的表面粗糙度Ra=0.278 μm。該試驗(yàn)結(jié)果充分證明此流場設(shè)計的合理性。

圖14 電解加工電流

圖15 葉盤輪轂表面粗糙度

5 結(jié)論

1) 本文根據(jù)陰極相對于工件斜向進(jìn)給的進(jìn)給角度設(shè)計了流場,并通過三維建模軟件對確定的電解液流動方式建立了流場模型,并通過COMSOL軟件對流場模型進(jìn)行了流場仿真,得到了速度流線云圖及壓力等值線,表明各進(jìn)給量下端面間隙內(nèi)的流速以及壓力滿足電解加工流場要求。

2) 為驗(yàn)證仿真結(jié)果的正確性,使用自行研制的電解加工機(jī)床開展了葉盤通道電解加工試驗(yàn),試驗(yàn)結(jié)果表明此陰極以及夾具加工的葉盤輪轂加工表面光潔,沒有出現(xiàn)點(diǎn)蝕、流痕等加工缺陷,表面粗糙度可達(dá)Ra=0.278 μm,并且整個加工過程電流穩(wěn)定,無火花、短路產(chǎn)生,電解加工加工質(zhì)量得到了保證。