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GH4169合金内射流电化学磨削的模拟与实验研究
1介绍
GH4169合金是航空发动机涡轮叶片中最常用的材料之一，但由于高温强度高，其切削性能较差。电化学加工(ECM)已成为加工这种合金和其他难加工材料的一种常用方法。电化学磨削是电解加工与常规磨削相结合的一种混合工艺。本文对GH4169合金的内射心电图进行了研究。采用两种形式的内喷射式心电砂轮对平面进行加工。利用COMSOL软件对加工过程进行了仿真，得到了不同加工参数下的加工间隙。此外，还对不同加工参数下的最大进给率和最大材料去除率进行了实验研究。比较了两种砂轮加工的间隙的最大尺寸和分布的均匀性。研究了不同外加电压对加工效果的影响。
2017年由爱思唯尔有限公司代表中国航空学会制作和主办。
随着航天工业的不断发展，近年来镍基高温合金得到了广泛的应用。GH4169合金(Ni-Cr-Fe)是航空发动机涡轮中最常用的镍基高温合金之一*通讯作者:南京航空航天大学，南京玉道街29号，210016传真: 86 25 84895912。邮箱:hsli@nuaa.edu.cn (H. LI)
叶片具有优异的抗疲劳性能、高温强度、耐腐蚀、耐辐射性能。1–5 在传统的机械加工中，其优异的高温强度导致切削力高，刀具磨损严重。6–8 目前，GH4169合金及其它难加工材料的加工，普遍采用电化学加工(ECM)、电火花加工(EDM)、激光加工、电化学磨削(ECG)等非传统加工方法。9 10 11 12 心电是一种复杂的加工方法，涉及到这两方面ECM和常规磨削。在心电图中，当从工件上取下材料时，电化学反应和机械磨削同时进行。13 由于机械磨削的存在，使得ECG具有比ECM更好的加工精度和表面质量。此外,与传统磨削相比，ECG具有更高的材料去除率和更好的加工质量，尤其适用于加工高温合金等难加工材料。14
在ECG中，常用的方法是使用外部喷嘴将电解液喷入ECG区域。Tehrani人研究了304不锈钢电解磨削中的“过切”问题，发现使用脉冲电源和调整占空比可以有效地减少过切。15 Puri等人研究了不同加工电压和切削速度对材料的影响并在加工区域内耗散电化学反应和磨料磨削产生的焦耳热对于内射心电图，工件的形状和大小是从阴极(砂轮)复制的。复制精度是指工件的形状和尺寸与阴极的形状和尺寸的相似性。由于加工间隙出现在内喷射心电图，原则上，加工表面和阴极表面的形状和大小将是不一样的。砂轮底部与被加工工件表面的加工间隙是影响被加工工件仿形精度的主要因素P20硬质合金心电图的去除率、表面质量及无源膜。16 Curtis等人使用金刚石砂轮通过ECG来加工航空发动机叶片榫。17 科扎克和Skrabalak。利用金刚石砂轮研究了电解加工与不锈钢板机械磨削的关系。18 Qu等人还使用钎焊金刚石砂轮，研究了心电图参数对Inconel 718合金加工槽深度的速度和MRR的影响一次过0.5毫米，进料速度6.6毫米。12Zhang等人提出了GH4169合金的内射流心电图，采用内中空半球形砂轮，将电解液从砂轮底面的孔注入加工区域。当加工深度设定为3毫米一次通过时，进给速度为1.8毫米分钟吗?1实现。加工表面为圆弧槽。19平面是机械加工中最常见的加工面之一。然而，利用内射心电法加工平面的研究报道甚少。摘要为了获得高精度的GH4169合金加工平面，采用两种不同类型的内射流心电砂轮进行了对比，对不同条件下的加工结果进行了仿真，并进行了一系列的实验。对实验结果的相关结论进行了分平底表面。加工间隙越小，被加工表面的仿形精度越高。本文对两种类型的内射流心电砂轮进行了比较，并利用电场软件COMSOL对两种砂轮的加工间隙进行了仿真。
如图2所示为两个内射流ECG砂轮的结构:砂轮A和砂轮b。砂轮A为空心金属棒，外圆柱面为电镀金刚石磨料层。空心金属棒的内径和外径分别为4mm和6mm，金属棒底部的厚度为1.5 mm。电镀金刚石磨料层厚度为0.1 mm, 6个直径为1mm的小孔均匀分布在a砂轮上，孔中心到a砂轮底面的距离为2mm。六个孔保证了电解液在ECG加工区域的均匀分布。砂轮加工获得的B是一个锥形砂轮表面凹底部答:为了获得一个明显的实验比较,保证砂轮的结构强度,砂轮B的锥形凹的深度设置为1毫米。
- 加工过程的仿真
2.1内射心电图原理
图1为内射心电图示意图。加工方法使用一个外部的喷嘴喷射电解液变成一个心电图,当加工深度增加到1毫米或更深层的,它是困难的电解液进入加工缺口,这是由于缺乏电解质容易产生火花,导致失去磨料粒子在阴极和燃烧表面上的工件。19 内射流ECG可以克服上述缺点，本文将加工深度设为3mm。在心电内射过程中，砂轮在高速旋转的同时沿规定的轨迹运动电解液从砂轮底面的孔中注入加工区域。同时，电解液连接在阳极(工件)和阴极(砂轮)上形成导电电路。电解液带走了阳极的溶解产物。
2.2电气模拟
ECM在ECG中起着重要的作用。为了研究两个砂轮对心电的影响，建立了两个电场仿真模型，如图3所示。模型A为A砂轮内射流心电的电场仿真，模型B为B砂轮的电场仿真，仿真了不同参数下的加工过程。
我们做了以下假设
1.心电图过程处于平衡状态
2.电参数不随时间变化
3.电解质的电导率和温度是均匀的
在电极间的电势u差距大约X可以被拉普拉斯equationas: X:俄文eth;1THORN;frac14;020–22 2
边界条件如下:
ujCfrac14;Ueth;at阳极surfaceTHORN;eth;2THORN;ujCfrac14;0eth;at磨wheelTHORN;eth;3THORN;1 3;4;5
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图1内射流电化学磨削原理图
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图2内射流心电砂轮的结构。 |
式中U为阳极工件与阴极砂轮之间的电势。n表示边界上每个点的法向坐标。
根据法拉第定律，材料去除率v可以描述为:a 23
vfrac14;gxieth;5THORN;g是电流效率,x是电化学等效材料的数量,我是电流密度。a 两个模型都使用COMSOL软件进行了分析。表1列出了计算中使用的参数。本研究设计了四组仿真条件。为了研究不同的外加电压对实验结果的影响，分别为10、15、20、25 V选择。当外加电压过低时，电解效果不明显，当外加电压过高时，加工表面质量较差。砂轮进给速度范围为1.2 mm_smin?1到1.8 mm_smin?等分四个音程。当砂轮进给速度过慢时，电化学材料去除速度过慢，当砂轮进给速度过快时，由于频繁短路，无法继续此过程。
图4(a)和(b)分别给出了模型a和模型b在不同加工时间下的仿真结果。仿真条件设定为:外加电压25v;砂轮进给速度，1.8 mm_smin?1;加工时间，0、400、800秒。
图5为模型A和模型b仿真结果示意图。图中为砂轮、被加工工件和加工间隙。
结果表明，利用COMSOL电场仿真软件可以计算出不同仿真条件下的加工间隙大小。图6为表1仿真条件下模型A和模型B的加工间隙。从图6可以看出，在其他加工条件不变的情况下，随着砂轮进给速度的增大，加工间隙的尺寸减小，随着外加电压的增大，加工间隙的尺寸增大。此外，在相同的砂轮进给速度和施加相同的电压下，模型B的加工间隙要小于模型A。
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图3两种电场仿真模型。 |
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表1仿真条件：
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图4模型A和模型B在不同处理时间下的仿真结果。 |
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图5仿真结果示意图。 |
随着砂轮进给速度的增大，工件的溶解时间缩短，加工间隙减小。外加电压越高，电流密度越大，电流密度越大，工件的溶解速度越快，加工间隙越大。机器人砂轮B的磨痕为圆锥凹形，因此与砂轮a相比，磨痕对工件的溶解能力下降;因此，模型B的加工间隙要小于模型A。
加工间隙越小，被加工平面的仿形精度越好。根据仿真结果表明，采用较快的砂轮进给速度和采用锥凹底面砂轮(砂轮B)均可提高被加工平面的仿形精度。
3.3.1实验过程。实验系统
图7为内射心电图实验系统示意图。该系统由X-Y-Z运动级、电解液回收系统、电解液tem-组成
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图6 加工A型和B型的间隙 |
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图7 内射心电图实验系统原理图。 |
温度控制系统，加工电流采集系统。在心电描记术中，砂轮的运动由计算机控制。砂轮的转速由旋转电机控制。电解液被抽出，通过旋转接头、空心轴和内喷射心电图砂轮注入加工部分。在电解液回收系统中有一个泵、一个阀门、一个压力和一个过滤器。该系统可以控制电解液的压力和流量，及时清理电解液中的不溶性加工产物。电解液的温度由恒温器控制，保证电解液温度恒定。电源是直流电电源，工件与电源的正极连接，砂轮通过导电环与负极连接。在加工电流采集系统中，通过设置在电路上的霍尔传感器，可以实时采集加工电流并将其发送到计算机。
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图8两个砂轮的照片。 |
图8是两个砂轮的照片。它们是由空心不锈钢棒与镍基电镀钻石。镍基电镀金刚石的导电性良好。金刚石颗粒两个电镀金刚石砂轮的尺寸均为80 lm。采用小尺寸电沉积金刚石，减小了加工间隙，提高了加工精度。
3.2。最大进给速度和MRR
为了提高被加工平面的仿形精度，必须减小加工间隙的尺寸。根据仿真结果，增加砂轮进给速度可以减小加工间隙的尺寸。在这个本文研究了不同加工条件下A、B砂轮的最大进给速度。参考相关文献，加工条件如表2所示。12,19
研究了两个砂轮对内射心电图的最大MRRs的影响。MRR是决定加工效率最重要的标准之一，定义如下:
其中m为ECG过程中去除的质量，t为加工时间。
在其他加工条件不变的情况下，砂轮进给速度越快，MRR越高。为了获得两个砂轮内射心电图的最大MRR，研究了砂轮的最大进给率。在内射流心电图中，当砂轮的进给速度超过最大进给速度时，材料的去除率比砂轮的进给速度慢，这将导致频繁的短路，加工无法继续。在本文的实验系统中，通过设置在电路上的霍尔传感器采集加工电流并实时发送到计算机。随着砂轮进给速度的增加，一旦计算机监测到频繁的短路信号，表明砂轮进给速度已经超过最大进给速度。用该方法可以准确地测定最大进给速度。
图9为表2所示的加工条件下，砂轮A和B的最大进给速度和最大MRRs。各组实验重复三次，处理稳定，无明显短路现象。在每次实验前后，对GH4169合金称重，心电图过25v时，A砂轮的最大进给速度分别为1.8、2.3、2.5、2.6 mm_smin?最大MRRs分别为0.301、0.417、0.456、0.493 g_smin?1,分别。当外加电压为10、15、20和25 V时，B砂轮的最大进给速度分别为1.8、2.3、2.5和2.6 mm_smin?最大MRRs分别为0.288、0.372、0.411和0.431 g_smin?1,分别。
在表2不同的外加电压下，砂轮A与砂轮B的最大进给率相同
程中去除的质量用分析天平称重，精度为0.001 g。当施加的电压为10、15、20和时在相同的外加电压下，砂轮A的内射心电图MRR高于砂轮B，在10 - 25v的范围内增加外加电压可以提高最大MRR。随着外加电压的增加，电解强度增强，MRR增大。
3.3 加工底面的复制精度
利用两个砂轮对GH4169在最大进给速度下的内射心电图进行了研究。表3列出了加工条件。加工路径为直线，其他加工条件如表2所示。各组实验重复三次，处理稳定，无明显短路现象。在本实验中，研究了每组两个砂轮的最大加工间隙和加工间隙的标准偏差。
图10为各组加工条件下砂轮A、B加工的试件截面。这些图像是由三维轮廓仪(DVM5000，莱卡，德国)捕获的。从图中可以看出，相比于B砂轮，a砂轮加工的底面中间有更明显的凹面。
砂轮A的电解反应区域如图11所示。由于砂轮A的边部和底部都是导电的，所以加工后的底表面在ECG后反复电解。由于砂轮A的底部非常接近被加工的底面，在被加工的底面中间形成凹面的过程中起到了重要的作用。
图12所示为加工后的底面示意图。一个虚构的黄线是表面的加工,以及5均匀分布的点(A, B, C, D, E)。电解时间的5点是不同的,当砂轮从位置1到位置2和通过了黄线。00000由于这5个点主要由砂轮底部溶解，所以这5个点的溶解时间与每个点对应的线段长度成正比(A、B、C、D、E分别对应A、B、B、C、C、D-D、E)。00000 01212120因此，黄线中点溶出时间最长，终点溶出时间最短。
图13(a)和(b)分别为砂轮a和b加工时被加工底面电流密度分布。利用COMSOL软件对电流密度分布进行了仿真，并对仿真结果进行了分析
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图9使用砂轮A和B的最大进给速度和最大mrr。 |
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图10砂轮A、B加工的试件。 |
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图11砂轮A电解反应区。 |
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