径向进给射流电解车削圆柱表面试验

仇 志，曲宁松，刘 洋

（南京航空航天大学机电学院，江苏南京210016）

机械传动装置中，轴、盘、套类回转体零件应用十分广泛，主要用于支撑传动装置、传递扭矩并承受载荷，因此需要一定的强度与刚度。为了保证传动过程连续稳定，对回转体零件的圆度、旋转精度等具有一定的设计要求[1]。近年来，随着航空航天、武器装备等领域的快速发展，许多设备需在高速、高温、高压等恶劣环境下工作，重要零部件的材料、表面质量与精度都被提出了更高的要求。为适应上述工作条件，关键重要设备多采用不锈钢、钛合金、高温合金等难加工材料，这类材料具有防锈蚀、耐高温、比重轻、比强度高等优点[2]。目前，难加工材料轴盘类零件的加工技术主要包括数控车削、电火花线切割和电解加工等。其中，数控车削难加工材料时效率较低，刀具损耗费用高，加工周期长，严重影响产品研发周期[3-4]；电火花线切割技术受工件形状限制，电极损耗较严重，加工表面有变质层、微裂纹等，影响加工效率及工件疲劳寿命[5]；电解加工是对电解液中的金属工件进行溶解而去除材料、实现工件成形的工艺过程，具有加工效率高、表面质量好、工具无损耗、无切削力等优点，适用于难加工导电金属材料的加工[6]。采用射流电解车削加工时，电解液通过正流方式从阴极刀具内部流出，经加工间隙喷向阳极工件，通过数控展成的相对运动方式对回转体零件表面进行电化学溶解，得到所需的工件形状与尺寸，该方法具有定域性强、阴极制造简单、加工过程柔性强等优点。

康敏等[7-9]设计了单边直线刃内喷电解液阴极进行电解车削加工研究，加工过程中电压为20 V、阳极工件转速为0.125 r/min、阴极刀具进给速度为0.125 mm/min，分层加工出表面质量较好的直线、曲线轮廓的回转体表面。葛永成等[10-11]令侧面开缝的管状阴极刀具高速旋转，加工过程由阴极刀具径向切入和工件缓慢旋转切除两部分组成，对304不锈钢工件余量进行高效去除，加工后的工件表面粗糙度为Ra0.4 μm，但该方法需要两个旋转轴同时运作，对机床要求较高。以上试验均是在工件转速不超过10 r/min的低转速条件下进行的，本文将研究工件在较高转速下的电解车削特性。为提高效率，本文设计更宽的阴极刀具，并通过流场仿真优选出最佳刀具结构；此外，采用阴极刀具逐渐向高速旋转的阳极工件径向进给的模式进行加工试验研究。

1 试验原理与系统装置

1.1 试验原理

图1是径向进给射流电解车削加工圆柱表面原理示意图，阴极刀具接电源负极，阳极工件接电源正极，电解液从阴极刀具内部经加工间隙快速喷向工件。加工过程中，工件持续稳定地做旋转运动，转速为n，阴极刀具以恒定速度Vc沿工件径向进给，实现材料溶解。

图1 径向进给射流电解车削加工圆柱表面示意图

1.2 系统装置

图2是电解车削系统装置示意图，主要包括三轴联动机床、加工电源、电解液系统、机床控制系统及工装夹具。工件通过弹簧夹头装夹在机床主轴上并沿着Z轴进给方向做旋转运动，转速为100～950 r/min，阴极刀具通过阴极导电座装夹在机床工作平台上，可沿X、Y两个自由度平动，控制系统下达指令移动主轴与工作平台。

本文采用SPWM-40350型可控硅整流直流稳压稳流电源，参数为40 V、350 A，电源正极通过碳刷接主轴与工件，负极通过阴极导电座与阴极刀具相连。电流采集系统由霍尔传感器、开关电源、数据采集卡及电脑组成；电解液循环过滤系统由离心泵、溢流阀、压力表、流量计、加热器、冷水机等组成，可为加工区域提供温度恒定、压力可调、清澈干净的电解液。加工装置实物见图3。

图2 电解车削系统装置示意图

图3 加工装置实物图

2 阴极设计与流场仿真

2.1 阴极设计

阴极刀具的结构形状对加工过程流场、电场具有一定影响，进而影响加工效率与工件表面质量。因此，阴极设计时，流场要求加工间隙内的电解液快速均匀，无空穴、漩涡、死水区，电场要求加工区域处于均匀的高电流密度区。

试验中，阳极工件为直径20 mm、高度10 mm的圆柱，根据要求设计了三款阴极刀具，如图4所示，刀具1凸起高度为12 mm，底面为宽度5 mm的平面，中心开一条高度10 mm、宽度1 mm的出液缝，内部流道由入口处收敛至出液缝，缝的高度与阳极工件高度一致；刀具2在刀具1的基础上将底面改成了弦长8 mm、半径10.3 mm的弧面；刀具3在刀具2的基础上，底面由一条出液缝扩展至三条。3种阴极刀具均由不锈钢316L制作而成，底面经磨削工序后表面光洁明亮。

图4 阴极刀具

2.2 流场仿真

为了更好地确定刀具结构，试验对3种阴极刀具的加工过程分别进行流场仿真。图5是刀具1加工过程的流场模型，截面A设置在刀具长度方向中心面上，用于观察加工间隙处的流速、压力分布情况，模型加工间隙设定为0.3 mm，电解液入口压力和出口压力分别为0.6 MPa和0 MPa。刀具2和刀具3的流场建模、网格划分、初始条件设定均与刀具1一致，并通过Ansys Fluent 17.0软件计算结果。

图5 阴极刀具1流场模型

图6是3种刀具在不同流场下的模型流速、压力分布情况。由图6a可知，平底面的刀具1加工间隙处的流速大小与方向分布相比弧底面的刀具2、3均匀性较差，且加工间隙分布也不均匀，因此刀具底面为弧面设计更加合理。由图6b可知，当刀具底面开一条缝时，加工间隙处的流速分布较杂乱；当刀具底面开三条缝时，加工间隙内中间区域的流速分布均匀，这是因为采用一条缝的刀具2加工时，间隙内压力较小甚至出现负压，而采用三条缝的刀具3加工时，间隙中间区域仍保持较高压力，见图6c。综合考虑加工间隙内的流速大小与方向分布均匀性，采用底面三条缝的弧面刀具3为最优刀具。

图6 不同流场模型的流速、压力分布情况

试验将刀具3加工圆柱表面时的加工间隙分为4个区域，分别为区域Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ，见图7。其中，区域Ⅰ、Ⅳ为低压区，流速快，但由于加工间隙内压力低，流速方向较杂乱；区域Ⅱ、Ⅲ（前文的中间区域）为高压区，流速大小、方向均匀性都优于低压区。

图7 刀具3加工时的间隙区域划分

3 试验结果分析

3.1 加工试验

试验中，阳极选用不锈钢316L圆柱，电解液为质量分数10%的NaNO3溶液，温度恒定30℃，工具阴极为底面三条缝的弧面刀具3。

电解加工过程中，间隙大小对材料去除率和表面质量有重要影响，故需首先确定平衡间隙的大小，随后研究加工电压、工件转速、电解液压力对结果的影响时均采用此平衡间隙。由于平衡间隙主要受阴极进给速度和电压的影响，为保证平衡间隙为设定值，试验将阴极进给速度作为可变量，初始间隙值等于设定平衡间隙值，在加工过程中观察电流变化，多次试验并调整阴极进给速度，直至加工过程电流从开始到结束均保持恒定，这能说明该进给速度使加工迅速进入平衡状态、且平衡间隙等于初始间隙即设定平衡间隙。试验每次均进给500 μm，其他参数见表1。

表1 加工参数表

加工开始前，称重工件并用PS1型表面粗糙度仪测量原始工件表面粗糙度为Ra0.8～0.9 μm；加工结束后，将工件洗净烘干、再次称重并测量表面粗糙度。

3.2 结果分析

3.2.1 平衡间隙对试验结果的影响

选取电压32 V、工件转速500 r/min、电解液压力0.6 MPa，在不同平衡间隙条件下进行圆柱表面射流电解车削加工试验，所得结果见图8和图9。可看出，设定平衡间隙从0.2 mm增大到0.6 mm时，进给速度需从120 μm/min逐渐减小至40 μm/min，加工间隙内低压区Ⅰ、Ⅳ流速方向杂散减小，表面粗糙度值从Ra0.437 μm减小至Ra0.083 μm，但电流密度的降低也会导致材料去除率从0.56 g/min降至0.197 g/min。综合考虑，平衡间隙从0.2 mm增大到0.3 mm时，材料去除率略有降低但表面粗糙度改善明显，继续增大平衡间隙表面粗糙度改善较小。因此，选用0.3 mm作为平衡间隙，此时阴极进给速度为80 μm/min，表面粗糙度为Ra0.186 μm，材料去除率为0.391 g/min。

图8 进给速度随平衡间隙变化

3.2.2 加工电压对试验结果的影响

图9 材料去除率和表面粗糙度随平衡间隙变化

初始间隙选取0.3 mm并作为平衡间隙，在工件转速500 r/min、电解液压力0.6 MPa及不同电压条件下进行圆柱表面射流电解车削加工试验，所得结果见图10和图11。可看出，加工电压从16 V增大到32 V时，阴极进给速度从25 μm/min增大至80 μm/min，才能使加工迅速进入平衡状态，且平衡间隙等于初始间隙。由于加工电压增大，导致电流密度提高，较高的电流密度往往会带来更好的材料去除率和表面质量，材料去除率和表面粗糙度分别从 0.116 g/min和 Ra0.288 μm 改善至 0.391 g/min和Ra0.186 μm，因此电压选取32 V。

图10 进给速度随电压变化

图11 材料去除率和表面粗糙度随电压变化

3.2.3 工件转速对试验结果的影响

初始间隙选取0.3 mm并作为平衡间隙，在电压32 V、电解液压力0.6 MPa及不同工件转速条件下进行圆柱表面射流电解车削加工试验，所得结果见图12。由于工件转速对平衡间隙影响较小，试验表明不同转速下采用80 μm/min的阴极进给速度均可使加工迅速进入平衡状态，且平衡间隙等于初始间隙。从图12可看出，工件转速对材料去除率影响极小，可忽略不计；而当工件转速从100 r/min增加到500 r/min时，表面粗糙度从Ra0.213 μm持续降低至Ra0.186 μm，但当转速从500 r/min增至900 r/min时，表面粗糙度值逐渐增大。综合考虑选取工件转速500 r/min作为最优参数。

图12 材料去除率和表面粗糙度随工件转速变化

3.2.4 电解液压力对试验结果的影响

初始间隙选取0.3 mm并作为平衡间隙，在电压32 V、工件转速500 r/min及不同电解液压力条件下进行圆柱表面射流电解车削加工试验，所得结果见图13。由于工件转速对平衡间隙影响较小，试验表明不同电解液压力条件下采用80 μm/min的阴极进给速度均可使加工迅速进入平衡状态，且平衡间隙等于初始间隙。从图13可看出，当电解液压力从0.2 MPa增至0.8 MPa时，加工间隙内低压区域Ⅰ、Ⅳ处的电解液流速方向杂散变强，导电能力减弱，使材料去除率下降；当电解液压力从0.8 MPa增至1.0 MPa时，材料去除率变化不明显。随着电解液压力增大，更快的流速可及时带走加工产物与热量，使得工件表面粗糙度值一直呈下降趋势。同时，当电解液压力从0.6 MPa增大到0.8 MPa时，材料去除率下降明显而表面粗糙度改善较小，因此选取0.6 MPa作为电解液压力较优值。

3.3 样件加工

采用底面为弧面三条缝的刀具3作为阴极，加工参数选取电压32 V、初始间隙0.3 mm、阴极进给速度80 μm/min、工件转速500 r/min、电解液压力0.6 MPa，对直径 20 mm、高度 10 mm的316L不锈钢圆柱表面单边电解车削500 μm，加工所得样件见图14。经测量计算，材料去除率为0.391 g/min，工件表面粗糙度为Ra0.186 μm。同时，从样件加工电流变化趋势可知，加工过程中电流持续稳定，初始加工间隙和结束加工间隙均为0.3 mm，证明加工过程能迅速进入平衡状态并保持平衡间隙为0.3 mm。

图13 材料去除率和表面粗糙度随电解液压力变化

图14 样件加工图

4 结论

本文使用10%的NaNO3溶液对316L不锈钢工件进行了径向进给射流电解车削加工圆柱表面的试验研究，得到以下结论：

（1）流场仿真表明刀具底面为弧面、且设置三条出液缝时，加工间隙内的流速大小、方向均匀性较好。

（2）增加电压、减小平衡间隙可显著提高材料去除率，工件转速和电解液压力对材料去除率影响较小。

（3）本试验条件下，增加电压、增大平衡间隙、提高电解液压力均可改善工件表面质量，但工件表面质量随工件转速增大先改善后变差，保持转速在500～700 r/min时可达到最优加工效果。

（4）利用优选参数对直径20 mm、高度10 mm的316L不锈钢圆柱表面单边电解车削500 μm时，材料去除率可达0.391 g/min，工件表面粗糙度为Ra0.186 μm。