展成电解磨削工艺是一种将电解加工技术、磨削技术与数控技术相结合的新型加工方法,是将展成电 解和机械磨削相结合而出现的复合加工方法,它的加工实况如图1所示。图1中导电磨轮接直流电 源负极,并高速旋转,工件接直流电源正极,导电磨轮相对于工件曲面作展成运动<1>,工件与 导电磨轮之间通入电解液。在电解作用和磨轮的机械磨削作用下,工件逐渐被去除和整平。加工时 电流从工件通过电解液流向导电磨轮,形成通路。工件(阳极)表面的金属在电流和电解液的作用 下被氧化成一层极薄的阳极钝化膜<3~6>。但阳极钝化膜迅速被砂轮中的磨料磨去,从而在工 件表面露出新的金属,并继续被电解。这样,金属在电解和机械磨削的复合作用下而被去除。图1 展成电解磨削加工实况<2>1电解磨削加工中的电极反应精密电解磨削工艺要求金属在其中发生钝化,相应会发生钝化阶段的反应。以某航空发动机整体叶轮的材料1Cr18Ni9Ti为例,该材料的主要成分是Fe、Cr、N i,这3种成分的含量约占整个金属91%以上<7>,而在所用的以NaNO3为主要成分的电解液中,主要存在Na+、NO3-、H+、OH-这4种离子。在1Cr18N i9Ti-NaNO3体系中进行电解磨削,将存在如下主要反应:在加工的初始阶段,金属阳极首 先发生活化溶解,即金属原子失去电子,形成离子进入溶液中,与H2O结合形成水化离子,即Fe→Fe2++2e Fe2++H2O→Fe(H2O)2+Cr→Cr2++2 e Cr2++H2O→Cr(H2O)2+N i→N i2++2 e N i2++H2O→N i(H2O)2+随后,溶解于溶液中的这些离子又与OH-离子化合,生成相应的氢氧化物沉淀, 此时电极上的反应如下:Fe2++2OH-→Fe(HO)2↓Cr2++2OH-→Cr(HO)2↓Ni2++2OH-→N i(HO)2↓生成的氢氧化物沉淀有些会与空气中的的氧气进一步发生反应,例如Fe(OH)2 会被氧化生成Fe(OH)3:2Fe(OH)2+O2+2H+→2Fe(OH)3而阳极表面 的金属离子还能和O2-结合,生成难溶性的低价金属氧化物,此时有如下的反应:Fe2++O2-→FeOCr2++O2-→CrONi2++O2-→N iO而在阴极上,一般同时进行着NO3-离子和H+离子的还原反应:NO3-+H2O+2 e→NO2-+2OH-2H++2 e→H2↑在电解磨削加工过程中,钝化膜不断生成又不断被刮除,相应电解过程处在钝化、活化的 交替状态下,加工中的电极反应主要是金属在活化和钝化状态下的反应。在展成电解磨削过程中, 导电磨轮既起到展成电解加工的圆棒阴极作用,又起到机械磨削的砂轮作用。为此首先介绍展成电 解加工的成形规律。2展成电解加工的成形规律展成电解加工过程是在工具阴极作展成运动的同时 对工件进行电解“切削”的。随着工具阴极的“切入”和“退出”对应加工区,其加工间隙及相应 的流场、电场、电化学溶解速度场都处在动态变化过程,故其成形规律不能用一般电解加工的平衡 间隙理论分析,而要特别研究其加工过程中流场、电场、电化学溶解速度场的动态变化特点,即要 掌握阴极-工件展成运动变化与加工速度、加工间隙随时间(t)、空间(x、y、z)变化的规 律。2.1建立模型的假设(1)由于固相电解产物在介质中所占的体积含量率很小,对电导率及 流体特性的影响可以忽略不计,故将间隙中的介质看成为气液两相流。(2)介质中的液相不可压 缩,气相服从理想气体状态方程;气液两相间无质量转换,气相在液相中呈泡状均匀分布;在流动 方向的同一横截面上参数相同。据以上假设,则可将间隙中介质视为一维两相均匀流。(3)将电 极———介质界面上电位的非线性分布简化为界面上的电位突变,其变化量与极化电位φ等效;还 假设间隙中与流动垂直方向上电位呈线性分布,即dU/dΔ是常数;而阴、阳极表面各是一个等 位面<8>。2.2圆棒阴极展成电解加工物理模型基于以上假设,建立了圆棒阴极展成电解加工 的物理模型(如图2所示)。图2中,Δ表示沿阴极圆柱面法向的加工间隙;P、T、β、κ分别 表示间隙中流动横截面上的压力、温度、气泡率和电导率;u0表示电解液流入加工间隙时的流速 ;vf为展成速度;R为圆棒阴极的半径。图2圆棒阴极展成电解加工物理模型2.3展成电解加工的成型规律图3Δm与vf的关系(0δ=0.2mm)图4Δm与δ0的关系根据以上模型,可列方程求解得到如下结果:采用不同半径R的阴极, 变化展成速度vf,可以得到不同R条件下Δm-vf的关系曲线(图3);还可以固定R及vf ,改变初始切深0δ,得到一定R及vf条件下的Δm-0δ的关系曲线(图4)。上述Δm-v f、Δm-0δ的计算与试验结果比较,误差均小于5%,其计算及试加工所选用的参数相同,其数值如下:η=100%,ω=2.2mm3/A·m in,κ0=0.015 mm·Ω,U=15 V,δE=2 V,0δ=0.2 mm。说明该近似计算方法可用于预先估算展成电解加工的成形精度。从图3和图4的结果,可得到 如下结论:(1)随着展成速度vf的增加,最后加工间隙Δm相应减小;但当vf增加到一定值 时,Δm将趋向于保持为一常数;(2)随着阴极半径的减小,最后加工间隙Δm也相应减小,有 利于提高成形精度;(3)初始切深0δ、或初始间隙Δ0,对最终加工间隙Δm的影响很小,可 以忽略不计。这说明,展成电解加工具有很强的整平能力,毛坯余量不均对最终加工型面精度不会 有“遗传误差”的影响,这对提高加工精度意义重大。3展成电解磨削去除余量的作用机理3.1 展成电解磨削试验图5去除量与展成速度之间的关系为了研究展成电解磨削去除余量的作用机理,进行了展成电解磨削平面的试验研究。NaNO3电解液浓度为18%,温度为36℃,切深为0.05mm,导电磨轮的转速为30000 r/m in,导电磨轮的直径为3.22 mm,磨轮的粒度为100#,工作电压为8 V,电解液压力为0.2 MPa,工件材料为1Cr18N i9Ti,测得去除量与展成速度(导电磨轮沿曲线切线方向的速度)之间的关系曲线见图5,其数量关系见表1。表1去除量与展成速度之间的关系(u=8 V)展成速度(mm/m in)4 8 12 16去除量(mm)0.198 0.100 0.060 0.040其它试验条件不变,改变工作电压至6 V,测得去除量与展成速度之间的关系曲线见图6,其数量关系见表2。表2去除量与展成速度之间的关系(u=6 V)展成速度(mm/m in)4 8 12 16去除量(mm)0.090 0.050 0.035 0.030图6去除量与展成速度之间的关系3.2展成电解磨削去除余量的作用机理分析根据展成 电解磨削平面的试验数据,可以构成展成电解磨削去除余量的几何模型(图7)。在图7中,把展 成电解磨削(ECCEG)分为展成电解加工(ECCEM)和电解磨削(ECG)两个部分,展 成电解磨削的去除量包含展成电解加工的去除量和电解磨削的去除量。由图5和表1可知,减小展成速度,去除量明显增大,当展成速度减至4mm/m in时,去除量是切深0.05 mm的3.96倍,说明此时展成电解加工占主要地位;随着展成速度的提高,去除量逐渐减小,当展成速度增大到16 mm/m in时,去除量只有0.04 mm,小于切深0.05 mm,展成电解磨削系统受力而变形,说明此时机械磨削占主要地位。图7展成电解磨削去除余量的几何模型比较图5和图6可知,其它试验条件不变,降低工作电压至6 V,电解作用减弱,去除量有较大的下降。去除量下降的幅值与展成速度之间的数量关系见表3,由 表3可以看出,去除量下降的幅值并不是均匀的,而是与展成速度有密切的关系。展成速度减小, 展成电解加工占主要地位,去除量下降的幅值增加;展成速度增加,机械磨削占主要地位,去除量下降的幅值减小。表3去除量下降的幅值与展成速度之间的数量关系(u=6V)展成速度(mm/m in)4 8 12 16去除量下降的幅值(mm)0.108 0.050 0.025 0.010图8展成电解磨削去除量与展成速度的关系曲线在图5和图6中,可以求出去除量等于切 深所对应的展成速度,不妨称这个展成速度为临界展成速度。此时,展成电解磨削的尺寸可控性最 佳。通过选定合理的工艺参数,改变展成速度,可以得到一条去除量与展成速度的关系曲线,去除 量等于切深的水平线与该关系曲线的交点所对应的展成速度称为临界展成速度VL(如图8所示)。在磨轮转速、电解液浓度等其它试验条件一定的情况下,工作电压选择低一点(5V~6 V),切深小一点,展成速度选在临界展成速度附近,这时去除量与切深相当,可以获得比较高的加工精度,属于精磨区。若工作电压选择高一点(8 V~10 V),切深大一点,展成速度选择小一点,这时去除量大于切深,可以获得比较高的加工效率,属于 粗磨区。若展成速度过大,则去除量小于切深,磨轮“让刀”,即磨轮受力变形,属非正常磨削区 。4结论(1)展成电解磨削加工是展成电解加工和机械磨削加工相复合的一种新加工方法,因此 ,展成电解加工的成形规律同样适用于展成电解磨削。(2)展成电解磨削的去除量随着工作电压 的增加而增加。(3)展成电解磨削的去除量随着展成速度的增加而减小。当展成速度增加到临界 展成速度VL值时,去除量将等于切深。(4)在其它工艺参数不变的情况下,在去除量与展成速 度关系曲线上,临界展成速度是区分精磨和粗磨的一个分界点。在精磨时,切深和工作电压取小值 ,展成速度要选在临界展成速度附近;在粗磨时,切深和工作电压要取大一点,展成速度要小一点。展成电解磨削加工的机理研究@干为民$常州工学院机电工程学院!常州213002
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