钛合金异形内螺旋线电解加工过程工艺优化

晏永宁YAN Yong-ning；唐霖TANG Lin；周嘉凯ZHOU Jia-kai；刘世英LIU Shi-ying

（西安工业大学机电工程学院，西安710021）

0 引言

钛合金以其强度高、高低温性能优异、抗腐蚀性好等特性在兵器装备、航空航天、生物医疗等领域应用广泛。采用钛合金材料设计轻武器身管既能显著降低装备整体重量，充分发挥机动响应能力，又可以保证其使用寿命与火力打击效能[1]。然而机械加工钛合金存在易发热粘刀、刀具寿命低、加工效率低等问题，严重制约了我国大长径比钛合金内螺旋线产品的推广应用。电解加工是一种利用电化学阳极溶解的原理对材料进行非接触式加工的工艺，以其加工效率高、表面质量好、阴极无损耗的优点在异型内螺旋线身管的工程化应用中发挥了重要作用。

为实现钛合金高效高质量电解加工，国内外学者在钛合金电解加工溶解特性、加工精度及效率、工艺优化等方面开展了大量科学研究。Baehre D等研究了钛合金在不同电解液中的电化学溶解行为，发现含卤化物能够同时提升钛合金溶解速率和均匀性[2]。何亚峰等通过测量Ti6Al4V在不同浓度NaBr中的极化曲线和样件表面形貌，发现随着NaBr浓度的增加，工件表面更加平整[3]。合理的流场设计决定电解加工效率及精度，姚冶冰等通过流场仿真发现钛合金薄壁型腔电解加工过程中，群孔出液口阴极可以减轻加工表面杂散腐蚀现象、提高加工精度[4]。为了进一步掌握钛合金电解加工成形规律、缩短工艺优化周期，研究人员从加工设备、工艺参数优化等方面开展了大量研究。Zaytsev A N等应用微秒级脉冲电源进行Ti6Al4V钛合金电解加工，所得样件表面粗糙度低，无明显点蚀现象[5]。唐霖等人对大长径比内螺旋线类零件电解加工开展了大量研究，在阴极设计方法、阴极运动轨迹精确控制、工艺参数优化等方面取得了突破性进展，实现了大中小口径内螺旋线高效高质量加工[6]。

针对钛合金内螺旋线加工间隙流场分布不均，钛合金材料溶解特性复杂等问题，本文提出一种顺流换向式阴极结构，通过加工间隙流场仿真，实现阴极的优化设计；开展了电解液基础试验研究，寻求适合钛合金电解加工的最优电解液；采用自主研发的大型卧式数控电解加工机床，加工出合格的钛合金内螺旋线零件。

1 电解加工阴极结构设计

为实现钛合金内螺旋线高精度、高质量电解加工，对传统阴极结构进行了优化。提出了一种新型顺流换向式阴极，主要包括阴极体、前引导、后引导、端盖，如图1所示。

阴极模型剖视图如图2所示。电解液沿拉杆进入阴极体内部，通过过液孔进入加工间隙，从工作齿后端向前端流动，进入前引导设置的回液孔后经阴极体内部从后端排出。该结构改变了电解液在阴极体内的流向，使电解液流动方向与阴极进给方向一致，减轻了机床轴向载荷。

图2 阴极剖视图

2 间隙流场建模与仿真

增大过液孔直径能提高加工区域电解液流量。但是过液孔直径过大，既会影响阴极结构刚性，又会引起电解液的流速下降。为了得到合适的过液孔直径，需对不同过液孔直径下的流速及进行仿真分析。

为保障加工顺利进行，需使过液孔处电解液流量大于加工间隙所需流量，即使过液孔截面积之和大于加工间隙中最大截面积。即满足：nS2≥S1（1）

式中：S1为加工间隙最大过液面积，S2为过液孔截面积，单位为mm2；n为过液孔数量。

通过对流体几何模型测量可得，S1=95.5mm2，n为24，则：d1≥2.25mm。受阴极内孔直径和过液孔数量限制，d1≤5.24mm。故选择供液孔直径依次为2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0mm，分别建立流场物理模型，导入COMSOL进行仿真分析。

2.1 物理模型建立

电解加工过程中，阴极与工件之间充满电解液的部分为加工间隙，加工间隙流场物理模型如图3所示，电解液按图中箭头所示方向流动。

图3 钛合金内螺旋线电解加工物理模型

2.2 几何模型及网格划分

钛合金内螺旋线电解加工过程中，电解液所经过区域的并集即为所研究的流场几何模型，如图4所示。采用COMSOL软件进行流场仿真计算，对过液孔附近进行边界层加密处理，拐角区域角部进行加密。（图5）

图4 流场几何模型

图5 网格剖分结果

2.3 仿真结果分析

选取过液孔圆心位置的截面，绘制表面速度云图，如图6所示。可以看出当过液孔直径为3.5mm时，进入加工区域的电解液流速较高，工作齿区域电解液充足。

图6 过液孔直径3.5mm的流场分布

3 电解液基础实验研究

钛合金材料电解加工难点在于：电解液需要较强活性以突破基体表面的钝化层，同时要防止活性过强导致工件出现杂散腐蚀。为解决该问题，需要我们进一步了解电解液类型，保障钛合金金属基体稳定有序溶解。

3.1 实验准备

利用立式电解加工机床，在钛合金板材上进行圆孔加工试验。兼顾钛合金溶解特性与原料成本，配制了表1所示的电解液。

表1 电解液成分和参数表

依据材料去除率和表面质量来分析不同电解液对钛合金材料的电解加工效率和质量的影响。其中材料去除率计算公式如式（3）；表面质量通过便携式粗糙度检测仪测量。

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—加工时间（min）。

3.2 电解液对加工效率和表面质量的影响

根据测量结果绘制不同成分电解液对加工效率和表面质量的影响曲线。可以看出，20%NaCl电解液得到的材料去除率最大，10%NaNO3的材料去除率最小；从表面粗糙度变化曲线可以看出，10%NaNO3电解液的表面质量相对最好。在此基础上加入3%的缓蚀剂Na2HPO4，同时提高NaCl、降低NaNO3浓度，表面粗糙度值有所上升，在其比例为10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4时，钛合金电解加工同时获得了较好的材料去除率和表面质量。（图7）

图7 电解液对加工效率和表面质量的影响

通过扫描电子显微镜对试验加工出的圆孔底面形貌进行检测，其中NaCl电解液的样件表面杂散腐蚀现象明显，材料表面晶界腐蚀严重，NaNO3电解液作用下样件溶解较均匀，表面质量最好。在电解液为10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4时，样件表面如图8所示，无明显点蚀现象，凹坑尺寸较小且分布均匀，整体较为平整。

图8 加工后工件的表面形貌图

4 内螺旋线样件加工试验及分析

试验设备采用课题组自主研发的卧式数控电解加工系统，机床床身长达24m，加工电压可实现0~24V无级调节，电流最高可达15000A，电解液系统恒温控制精度可达±1℃。

工具阴极为优化后的顺流换向式阴极，电解液为10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4的复合溶液，实验参数选取加工电压10V、电解液入口压力1.2MPa、阴极进给速度20mm/min，在电解液恒温30℃条件下，进行钛合金内螺旋线电解加工验证试验，加工环境如图9所示。整个加工过程稳定，阴极工作正常，无短路现象发生。加工出的钛合金内螺旋线实物如图10所示，身管内表面不存在明显的点蚀或杂散腐蚀现象，阴线轮廓与试验目标一致，无塌壁、烧伤现象。

图9 实际加工环境

图10 钛合金身管内螺旋线样件

在加工后的钛合金身管样件上切割厚度5mm的薄片样件，利用光学影像测量仪对样件进行测量，样件成形精度值小于0.04mm。阴线表面质量均匀，无明显流纹、点蚀微坑，采用白光干涉仪对样块进行表面粗糙度检测，结果如图11所示，阴线表面粗糙度为Ra0.697μm。

图11 表面粗糙度为Ra0.697μm

5 结论

本文提出了一顺流换向式阴极设计方法，进行了流场仿真并开展了钛合金内螺旋线电解加工工艺试验，得到以下结论：

①当顺流换向式阴极过液孔直径为3.5mm时，过液孔出口电解液流速相对较高，能明显改善加工间隙电解液流场分布均匀性，提高电解加工过程稳定性。

②通过电解液基础试验分析了不同电解液对钛合金电解加工效率和表面质量的影响，获得了最优电解液配方10%NaCl+8%NaNO3+3%Na2HPO4，有效抑制了点蚀现象的出现。

③在加工电压10V，阴极进给速度20mm/min，电解液压力1.2MPa，电解液温度30℃的条件下，采用优化的顺流换向式阴极与复合电解液实现了钛合金内螺旋身管线样件稳定可靠加工，加工表面无点蚀现象出现，成形精度值达到0.04mm，阴线表面粗糙度为Ra0.697μm。