鈦基復合材料內孔電解銑磨精加工試驗研究

孟 陽，李寒松，吳紅傲，盧俞廷，崔 振

（ 南京航空航天大學機電學院，江蘇南京 210016 ）

鈦基復合材料（TMCs）是在鈦及鈦合金中加入陶瓷增強相（如TiC、SiC、TiB、Al2O3等）的材料；與鈦合金相比，鈦基復合材料具有更高的強度、剛度、耐磨性及抗高溫等特性，在航空航天、國防軍事、汽車等領域得到廣泛應用[1-5]。 然而由于增強相的存在，TMCs 也成為一種典型的難加工材料， 在傳統機械加工過程中，會存在殘余應力、塑性變形、工件表面質量差以及刀具磨損過快等問題[6-9]。

電化學銑削（ECM）加工是將傳統機械銑削加工與電化學加工技術結合的改進工藝， 是利用簡單形狀的工具沿規劃路徑移動加工以得到所需的幾何形狀，大大提高電解加工的靈活性[10]。 電解磨削（ECG）加工是基于工件材料在電解液中的旋轉磨輪上的電化學溶解與機械磨削的組合加工， 與傳統磨削加工相比具有較高的材料去除率、 更好的表面性能和較低的磨具磨損量[11]。 ECM 加工靈活性強，可大余量去除加工材料，但加工精度不高、表面質量差；ECG加工精度高、表面質量好，但材料去除率相對較低，難以加工復雜的零件。 因此，將兩者的優勢相結合，形成一種電解加工與機械加工的柔性復合加工方法——電解銑磨（ECMG）加工。

王系眾等[12]利用內噴液式刀具在側壁開出液孔并采用銑削方式加工GH4169 合金， 結果表明ECMG 可大余量深度去除難切削金屬，具有效率高、靈活性強等優勢， 且在高電流密度下可降低表面粗糙度。Niu 等[13]設計了一種可用于金屬材料粗精一體化加工的ECMG 刀具進行Ti-6Al-4V 合金的加工，發現精加工階段側壁表面粗糙度和側壁平整度分別降低至Ra1.06 μm 和Ra76.8 μm， 相較粗加工階段提高了68%和79.2%。

本文提出一種針對ECMG 加工的刀具，并進行內孔電解銑磨精加工。 首先為保證加工間隙中流場的均勻性，對刀具出液口的布局進行設計，并進行流場仿真；隨后，將設計的刀具用于（TiC+TiB）/TC4 鈦基復合材料內孔的電解銑磨精加工，并在加工結束后通過高精度儀器分析結果。

1 理論分析與仿真研究

1.1 刀具加工原理及設計

ECMG 加工采用管狀帶磨料工具作為陰極，利用電化學陽極溶解和機械磨削去除實現對工件材料的加工。 如圖1 所示，管狀刀具陰極內部通電解液，刀具側壁開通孔作為電解液的出液口，電解銑削區域旁是電解磨削區域，上面覆蓋了一層磨粒。 在加工過程中，工件、刀具分別接電源正、負極，陰極刀具相對于陽極工件旋轉和進給，電解液從管狀刀具的內腔流入，從刀具側壁的噴液口流出進入加工間隙，并在流動的過程中將電解產物、焦耳熱等帶走，不斷更新加工間隙中的電解液，保障電解銑磨加工順利進行。

圖1 電解銑磨內孔精加工原理圖

當外界施加的電壓大于陽極材料極化曲線中鈍化區的電壓時，材料的去除主要依賴于電解銑削或電化學溶解，可以去除加工工件的大部分余量，適用于粗加工；當外界電壓處于陽極材料極化曲線中鈍化區的電壓區間時，加工區域的陽極材料會在加工表面形成一層鈍化膜，此時機械磨削可以去除鈍化膜并使工件表面平整，適用于精加工[14-15]。 刀具在機床上按設定的程序進行加工，直至加工出所需的工件形狀和尺寸要求。

圖2 是電解銑磨刀具的尺寸圖和實物圖，刀具外徑與內徑分別為20、18 mm， 刀具側壁加工面上分布有4 排×8 列出液孔，孔直徑為2 mm，每排出液孔中心間距為4.5 mm。刀具側面電解銑削層和電解磨削層間隔分布，面積占比相同，高度為25 mm，電解銑削層向內凹進0.1 mm， 電解磨削層鍍上一層0.1 mm 厚的金剛石鍍層，為精加工中電解銑磨形成鈍化膜提供加工間隙。

圖2 電解銑磨刀具示意圖和實物圖

1.2 流場仿真

圖3 是加工區域流場的物理模型， 重點示意電解液的入口、出口和流場邊界面，銑削層和磨削層的加工間隙分別為0.2、0 mm，切深為20 mm。 在電解銑磨過程中， 加工間隙內電解質的流速及均勻性是穩定高效加工的重要因素， 在流場模型中設置截面觀察流場的速度分布云圖， 截面1 垂直于底面且處于流場對稱面上， 截面2 平行于底面且距底面高度12.5 mm。

圖3 流場仿真幾何模型剖面圖

將物理模型導入Ansys Fluent 流場仿真軟件，并為了簡化仿真計算，做出以下假設[15-16]：①流體為單相連續不可壓縮介質，不考慮氣相、固相等多相流作用；②流場內的溫度、流體黏度為恒量；③流體與壁面之間無滑移。

電解質溶液從刀具出液口噴出后， 在空間上的分布不規則，速度快且具有很強的非定常性，因此加工區域中電解質流動狀態認定為湍流， 利用Fluent軟件中κ-ε 湍流模型進行仿真運算，具體的流場仿真模型參數見表1。

表1 流場仿真參數表

圖4 是入口壓力分別為0.1、0.2 MPa 下的流速分布仿真云圖?？煽闯?，噴液口噴向加工間隙的流速小于噴向其他區域的流速，根據伯努利原理可知，壓強越大的地方流速越小，因此，加工間隙內的流動阻力大，電解液更易從其他區域流出。 對于圖4a，電解液入口壓力較低，平均流速較低，加工間隙內平均流速約為4.77 m/s 且有較多的低流速區； 對于圖4c，電解液入口壓力較大，平均流速較高，加工間隙內平均流速約為6.79 m/s， 加工間隙內的低流速區面積減少，進入加工間隙內的電解液流量增多，有助于促進加工過程中電解銑磨產物的排出。 因此在加工過程中，電解液設定的入口壓力應當不小于0.2 MPa。

圖4 不同入口壓力下的速度云圖分布

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

圖5 是內噴射ECMG 的加工試驗裝置示意圖，由機床、直流電源、電解液循環過濾系統和過程監測系統組成。 電源的正極連接在機床的工作槽底部，工件放在工作槽中并與之接觸形成電解陽極；電源負極接在導電滑環的接口處，刀具裝載在主軸上形成電解陰極。 機床通過步進電機和滾珠絲杠實現主軸在X、Y、Z方向上的直線進給運動，通過機床頂部的電機驅動皮帶輪帶動主軸旋轉，進而實現刀具的旋轉。 電解液循環過濾系統中電解液通過壓力泵從電解液槽經管道至機床上方的旋轉接頭與中空主軸， 通過主軸上刀具的出液口噴射至加工區域進行加工； 加工后的電解液帶走電解產物和焦耳熱并流入廢液槽中， 廢液槽中的水泵將廢液抽入過濾器中經過濾后重新流入清液槽，完成循環。

圖5 電解銑磨加工試驗裝置

2.2 材料及電化學特性

實驗材料為 （TiB+TiC）/TC4 鈦基復合材料，密度約4.42 g/cm3，增強相材料TiB、TiC 體積分數占比分別為4.8%和1.2%，余下為基體材料。 為研究該鈦基復合材料合理的電解銑磨精加工參數， 使用電化學工作站測量該鈦基復合材料的電化學極化曲線，鉑電極作為輔助電極，飽和甘汞電極作為參比電極，1 cm×1 cm×1 cm 鈦基復合材料小塊為工作電極，三者處于同一基準面。 電解質溶液為質量分數20%的NaCl 溶液，溶液溫度為30 ℃，掃描速率為10 mV/s，掃描范圍為0～4 V。

圖6 是（TiB+TiC）/TC4 鈦基復合材料的極化曲線， 結果表明，（TiB+TiC）/TC4 在質量分數20%的NaCl 電解液中溶解電位約為2.1 V。 當外加電壓小于2.1 V 時，材料處于鈍化狀態，電流密度幾乎為0；當外加電壓大于2.1 V 時，材料處于超鈍化狀態，電流密度隨著外加電壓的增加而增大。

圖6 （TiB+TiC）/TC4 在NaCl 溶液中的極化曲線

因此，在進行粗加工時，外加電壓應當遠大于溶解電位，以獲得大電流密度而使陽極材料被電解銑削高速去除；在進行精加工時，外加電壓應當不大于2.1 V，此時陽極電流幾乎為0，陽極材料表面不溶解而生成一層鈍化膜，在電解磨削作用下被去除，得到更好的加工表面質量。

2.3 加工參數設置

實驗采用20%的NaCl 溶液作為電解質溶液，采用逐層加工方式，使刀具自轉并沿著孔壁公轉進給電解銑磨。 精加工目的是提高孔壁的表面質量，因此加工電壓小于溶解電壓，其他加工參數見表2。

表2 精加工試驗參數

3 結果與分析

圖7 是用三維掃描儀掃描的內孔三維輪廓與實物圖， 初始孔深和孔徑分別為20 mm 和29.7 mm。為對比電解銑磨前后的表面質量，對孔進行13 mm的電解銑磨，電解銑磨后的孔徑為30.1 mm，實際電解銑磨厚度為0.2 mm。 從實物圖中可以觀察到，電解銑磨的方向是沿著孔的圓周方向，并因此產生了橫向的磨痕，側壁表面質量得到了改善。

圖7 電解銑磨內孔三維輪廓圖與實物圖

電解銑磨加工面被分為區域1 和區域2， 兩區域均可觀察到明顯的金屬光澤，但是區域1 的平整性和均勻性比區域2 的更好， 這可能是由于區域2的原始表面部分區域受電解鉆孔粗加工的電解腐蝕較大，對加工后的側壁表面電解腐蝕出大于0.2 mm的磨削深度。區域3 是內孔的原始側壁面，即電解鉆孔后的表面痕跡，壁面凹凸不平，表面質量非常差。

為進一步了解內孔表面的質量改善情況， 用表面粗糙度檢測儀測算原始壁面和電解銑磨壁面的表面粗糙度值，三個區域分別測量兩次，結果見表3?？梢?，經過電解銑磨內孔的表面質量得到大幅提高，且區域1 的表面質量要比區域2 的更好。

表3 壁面的表面粗糙度

4 結論

本文針對鈦基復合材料難加工的問題， 設計刀具并對（TiC+TiB）/TC4 鈦基復合材料內孔進行電解銑磨精加工，得到以下結論：

（1）建立流場仿真模型，通過比較不同入口壓力下加工間隙的流場， 得知加工間隙處的流動阻力較大，在入口壓力0.2 MPa 的情況下，加工間隙的平均速度為6.79 m/s， 低流速區域的面積相比于入口壓力0.1 MPa 的情況下明顯減小。

（2）溫度30 ℃時，在質量分數20%的NaCl 電解液中加入6%的（TiB+TiC）/TC4 鈦基復合材料，所得溶液的溶解電位約為2.1 V； 外加電壓小于2.1 V時，材料處于鈍化狀態，電流密度幾乎為0；外加電壓大于2.1 V 時， 電流密度隨著外加電壓的增加而增加。

（3） 比較電解銑磨精加工孔側壁與未加工孔側壁區域的表面形貌， 可知電解銑磨后的內孔壁面表面質量得到改善， 未加工孔側壁區域表面粗糙度為Ra14.851 5 μm，而孔口區域和孔中間區域的表面粗糙度下降至Ra0.441 3 μm 和Ra0.617 6 μm。