脈動態電解加工

2022-06-08 03:50:42朱荻劉嘉王登勇房曉龍劉言

航空學報 2022年4期

朱荻，劉嘉，王登勇，房曉龍，劉言

南京航空航天大學機電學院，南京 210016

電解加工是基于金屬陽極電化學溶解原理實現零件成形的一種特種加工方法。它具有許多獨特的優點，例如：可加工性與工件材料力學性能無關、無工具損耗、無重鑄層、少無加工力等。這些優點使電解加工在難加工材料復雜結構零件制造方面受到“青睞”。以航空發動機核心部件整體葉盤制造為例，電解加工的下列優點可得到充分體現：① 無工具損耗，整體葉盤通常由高溫鎳基合金、鈦合金等難加工材料制成，如用切削加工來制造，則存在著工具損耗嚴重、加工效率低下等問題，而電解加工是基于陽極溶解原理實現材料加工，溶解行為與材料硬度等性能無關，工具不會損耗，可節省巨額工具費；② 少無加工力，整體葉盤具有通道狹窄、葉片扭曲、超薄掠形等特點，對此，銑削加工時因切削力的作用易引發振動和變形現象發生，而電解加工是非接觸加工，一般不會出現加工振動、變形等問題；③ 生產效率高，對制造由難加工材料制成的整體葉盤而言，切削加工通常耗時月余，而電解加工的耗時可縮短數倍，效率優勢非常明顯。由于這些特點，電解加工在航空發達國家受到普遍重視，已成為葉盤、機匣等關鍵部件的主要制造技術。比如，德國MTU將電解加工技術作為難加工材料葉片、整體葉盤的首選制造技術；美國Sermatech在制造航空發動機葉片、低稠度整體葉盤、機匣等重要部件的制造時均采用電解加工技術；英國羅爾斯-羅伊斯公司將電解加工作為航空發動機機匣制造的通用工藝，用于擴散機匣、內機匣、壓氣機中間機匣的加工成形。據MTU統計，在難加工材料整體葉盤制造中，電解加工占有主導地位。

雖然電解加工已經承擔了很多重要產品核心部件的制造任務，但是由于這些產品發展很快，對其核心部件的技術要求日益提高，電解加工的精度已經滿足不了產品高精度的發展需求。例如，對于整體葉盤精度要求來說，目前的電解加工技術已經“窮其所能”，而新產品的設計精度還在進一步提高。電解加工目前承擔的其它很多重要零件，例如發動機機匣、炮管膛線、慣導撓性器件等，其精度要求也都在不斷提高。因此，提高加工精度已經成為電解加工迫在眉睫的任務。另一方面，精度的提高也將顯著拓寬電解加工的應用領域。因此，提高電解加工精度一直是國內外電解加工領域的研究重點。

精確地設計工具型面是保證加工精度的前提。早期的研究工作對建模過程進行了過多的簡化，依據歐姆定律和平衡條件建立了工具和工件之間的幾何關系公式。近些年的研究工作致力于更全面地綜合考慮電解加工平衡過程中的多種影響因素，以提高工件預測和工具設計的精度。美國Kenny等建立了加工間隙的數學模型，分析了加工間隙中的電位分布，利用拓撲優化的水平集方法對工件型面的二維演變過程進行了模擬。波蘭Paczkowski和Zdrojewski建立了復雜型面電解加工數學模型，計算加工間隙中的參數分布；俄羅斯 Bogoveev等專門針對發動機葉片建立電解加工模型，進行了加工過程的數字計算和仿真；日本Fujisawa等也建立了葉片型面的電解加工三維模型。中國Zhu等提出了可動邊界雙約束條件下的非迭代工具邊界求解方法。

用脈沖電源替代直流電源可以提高加工精度。美國Rajurkar的研究結果表明使用脈沖電流可以減小加工間隙，提高加工精度和表面質量。比利時Smets等研究了脈沖電解加工中的溫度場仿真問題。以色列Brusilovski分析了脈沖電解加工中峰值電壓、脈沖占空比、電解液壓力等參數對加工精度的影響。俄羅斯烏法航空學院提出了雙極性電流脈沖電解加工方法，有效改善了工件電化學極化行為，使得加工表面質量得到提高。波蘭Kozak建立了脈沖電解加工的理論模型，分析了加工參數與加工間隙之間的關系，峰值電壓、脈沖占空比、電解液壓力等參數對加工精度的影響。

高頻脈沖電流改善加工過程最成功的例子在微細電解加工領域。2000年德國MPG采用納秒級超短脈寬脈沖電流技術，使得電化學溶解定域性突變性提高，從而實現了數十微米尺度的金屬三維型腔的微細加工。MPG的研究者建立了描述雙電層效應的等效模型，論證了在超短脈寬條件下雙電層的電容效應對溶解定域性產生很大影響，這是近些年電解加工最為世人所矚目的研究進展。這一成果在《科學》雜志發表后，引起高度關注，美國、德國、日本、韓國、中國等國在微細電解加工方面研究更加活躍，進展顯著。

振動電解加工時，工具陰極被施以微幅振動，使加工間隙交替擴大和縮小，以強化電解液更新，提高加工穩定性。對此的研究工作主要集中在小孔加工等小面積加工領域。俄國學者較早采用數十赫茲低頻振動輔助進行電解加工，獲得了較好的工藝效果。埃及Ebeid等采用管電極電解加工孔，研究了陰極振動振幅、加工電壓、進給速度和電解液壓力對加工質量的影響，印度Bhattacharyya等采用陰極振動方法加工微小孔，分析了陰極振動頻率、振幅、電解液濃度等參數變化對加工效果的影響。

實際上，電解加工在精密、微細加工方面有著原理上的優勢。一般來說，決定一種加工技術能否達到高精度與這種技術的最小去除量能力密切相關。切削加工欲獲得高精度，必須精細地控制切削用量、刀刃形貌和機床運動，形成極薄的切屑；放電加工欲實現精細加工，必須將單脈沖放電能量降低到盡可能小的程度，這樣才能產生極其微小的金屬液滴以及放電坑。雖然這些材料去除過程已經被控制得非常精細，但究其實質，材料轉移還是以切屑、液滴等微團形式進行的。而電解加工是陽極電化學溶解過程，工件材料的去除是以金屬離子轉移的形式進行，而金屬離子的尺度遠小于材料微團的尺度。因此，從這個意義上說，電解加工在去除機理上潛在著微米、甚至納米精度的加工能力。但是，目前看來，電解加工精度尚沒有達到很高的水平，有時還難以滿足生產領域中某些零部件的精度要求，分析認為，影響電解加工精度的主要原因有以下3個方面：

1) 間隙中產物積累多，嚴重影響了電導率的均勻分布，因此降低了加工精度。電解加工過程會生成各類產物，這顯著影響著加工過程。例如：從陽極工件上氧化溶解下的大量金屬離子多以氧化物形式影響著電解液的流動狀態和電導率；加工電流會引起溶液溫升，使得電解液電導率發生不均勻變化；陰極上還原析出的氫氣以氣泡形式懸浮在溶液中，對電解液電導率產生顯著的影響。這些產物從時、空兩個方面來影響著加工過程。在空間上，產物沿電解液流程呈不均勻分布，影響著間隙內電場、流場和電化學場的分布；在時間上，加工產物的分布狀態會隨機性地變化，給間隙內電場、流場和電化學場的分布帶來不確定性。傳統的連續加工方式使間隙內電解液得不到及時更新，產物積累多、隨機波動大，嚴重降低了加工精度。

2) 不能夠準確地預知電場、流場、溫度場變化對加工間隙分布的綜合影響，從而就無法精確地設計工具形狀。在常規電解加工中，陽極溶解下來的金屬離子迅速反應生成某種化合物，在間隙中占有很大的體積比；陰極析出的氫氣可使間隙內電解液截面含氣率達20%～30%甚至更高；流過電解液的電流產生的焦耳熱可能引起幾度至幾十度的溫升。而且，這些影響具有一定的隨機性，像氫氣泡在溶液的存在形式就不太穩定，可能在氣泡流、柱狀流等多種流態中變化。這些給準確地預測間隙中電解液電導率分布帶來很大的困難。電導率變化將影響加工間隙中的電場分布，從而影響間隙分布。由于無法準確地描述電導率的變化規律，在工具設計時不得不粗略地估算甚至忽略電導率變化，從而帶來很大的誤差。

3) 有些情況下，毛坯余量分布差異大，有些加工場合進給距離受限，來不及整平，帶來遺傳誤差。以整體葉盤電解加工為例，通常采取粗加工(開槽)和精加工(型面加工)兩個工步。對于葉間通道狹窄扭曲較顯著的情況，粗加工后的余量分布嚴重不均勻，精加工階段有限的進給距離就來不及整平，必然會產生誤差。

1 脈動態電解加工是提高加工精度的重要途徑

脈動態電解加工是將工具振動和脈沖給電加以優化耦合的電解加工新模式。以脈動態拷貝式加工為例，在加工過程中，在勻速進給的工具上疊加一個振動，在一個振動周期內，當工具接近工件的時候通電加工，回退時斷電。這樣使陽極溶解始終發生在間隙最小值附近，從而獲得高的復制精度；而在間隙拉大時電解液流阻減小，沖液效果得到加強。每次通電加工時間盡量短暫，不造成產物的顯著積累；每次斷電時間要適當長，使得間隙內的溶液獲得徹底更新。從加工起始、過渡態、準平衡狀態到加工結束的整個過程中，加工始終處于脈動過程中。達到準平衡狀態時，間隙周期性波動，而工件形狀基本不變，僅隨著脈動過程呈周期性微量變化。

這樣的脈動態電解加工模式相比常規的連續平衡態電解加工，有下列優點：

1) 加工產物積累少。脈動態加工時每個脈動周期的間歇期間都“重新清零”，產物、氫氣泡、溫升等被排除，每個加工周期起始于同樣的“純潔”狀態，在極短暫的加工周期內產物積累很少，對電解液電導率的變化影響很小，因而避免了連續平衡態加工時產物的沿程積累，大大減少了電導率的變化和波動，顯著提高了加工狀態的一致性、重復性，減少了加工的隨機誤差。

2) 加工間隙小。脈動態電解加工由于每次加電時間的短暫和斷電時溶液的充分更新保證了加工的穩定性，使得加工可以在遠小于常規加工間隙下進行。研究已表明，小間隙加工可獲得更高的加工精度。

3) 工具設計精度高。連續平衡態電解加工產物積累和過程波動都非常顯著，無法準確、有效地建模分析。脈動態電解加工過程穩定、產物積累少，這些特點為精確地建模分析、工件預測和工具設計提供了便利。

脈動態電解加工除了上述原理上的優勢外，通過科學、合理地設計加工模式和安排加工過程，還有下列優點：

1) 工具電極周期運動和間歇加電是機、電兩個獨立的脈動過程，它們之間的適當耦合方式對加工效果會有積極影響。當通電發生在工具快速接近工件的時刻，電壓快速上升和間隙急劇變小的疊加提高電流的上升速率，急劇升高的脈沖電流會加速氫氣釋放并強化壓力擾動，這有利于產物的排出。

2) 脈動態加工過程中工具與工件之間具有較高速度的相對運動，兩電極接近和遠離過程將對溶液產生擾動和沖擊，對加工區溶液產生一種抽吸作用，加速產物的排出；

3) 急劇的、周期變化的脈動過程會改變固液界面處雙電層結構和電化學溶解行為，出現一些有利于加工進行的結果，例如擴大極限電流密度等。

針對葉盤、機匣、榫槽等制造任務，提出了拷貝式、旋印式和削邊電極線切割等3種脈動態電解加工方法。這3種方法通過不同的方式，變連續加工為斷續加工，加工精度得到了顯著的提升。

2 拷貝式脈動態電解加工

整體葉盤脈動態拷貝式電解加工原理如圖1所示。葉盆、葉背兩工具面向工件毛坯作勻速進給運動+沿進給方向的振動，加工間隙與加工電壓值隨振動呈周期性變化，在振動周期內，當加工間隙達到最小值附近時通電加工，其余時刻斷電。脈動態拷貝式電解加工，以脈動態加工和準平衡態取代傳統電解加工的連續加工和平衡態，使產物積累極少、過渡過程縮短、加工間隙減小，從而提高加工精度。

圖1 脈動態拷貝式電解加工Fig.1 Copy-like ECM in pulse dynamic process

2.1 多場耦合仿真分析

為了掌握脈動態拷貝電解加工多場耦合機制和產物輸運規律，采用COMSOL軟件對0.2 mm加工間隙、30 mm加工區長度條件下直流和脈動態兩種電解加工模式開展了多場耦合仿真研究。建立的多場耦合模型如圖2所示。

圖2 拷貝式電解加工多場耦合仿真模型Fig.2 Multi-field simulation model of copy-like ECM in pulse dynamic process

仿真分析中，加工間隙內的電場分布情況滿足拉普拉斯方程：

(1)

電解液電導率和溫升與氣泡率的關系為

=(1+·Δ)(1-)

(2)

式中：為電解液初始電導率；Δ為電解液溫升；為溫度相關性梯度；為電解液中所含氣泡率；為氣泡率對電導率的影響系數。

直流加工仿真中，加工電壓為10 V，電解液進液口壓力為0.6 MPa，出液口背壓為0.1 MPa，仿真結果如圖3(a)和圖3(b)所示。通電后加工間隙內氣泡和焦耳熱溫升沿流程迅速積累，僅4 ms就達到穩態狀態的90%以上，通電500 ms后可認為達到穩態。穩態時氣泡和溫升均沿電解液流動方向逐漸增加，在出液口處達到峰值，氣泡率峰值為21.1%，溫升峰值為14.3 ℃。

圖3 直流電解加工仿真結果Fig.3 Simulation results of DC ECM mode

脈動態加工仿真中工具陰極往復振動的振幅為0.3 mm，頻率為50 Hz，給電脈寬為0.5 ms，脈沖間隔為19.5 ms，其余參數與直流加工一致，仿真結果如圖4(a)和圖4(b)所示。在工具陰極往復振動和間歇給電的雙重作用下，脈動態加工出液口處的氣泡率僅為6.2%，溫升約3.1 ℃，較直流加工大幅減小。

圖4 脈動態電解加工仿真結果Fig.4 Simulation results of pulse dynamic ECM mode

氣泡率和溫升改變了電導率分布，在通電周期內電導率積分值體現了對間隙變化的實際影響。兩種加工模式電導率沿流程分布如圖5所示。從圖中可見，脈動態加工電導率變化遠小于直流加工。因此脈動態電解加工模式可以獲得比直流電解加工更高的加工精度。

圖5 2種電解加工模式電導率分布情況Fig.5 Conductivity distribution of two ECM modes

2.2 給電脈寬與工具振動耦合策略

在上述脈動態多場耦合仿真分析中，給電脈寬和工具振動是以陰陽極最小間距時刻為中心對稱分布的耦合模式，如圖6(a)所示。為了深入分析給電脈寬與工具振動耦合方式對加工過程的影響，提出了前置式和后置式兩種脈寬與工具振動錯位耦合模式，如圖6(b)和圖6(c)所示。

圖6 3種給電脈寬和工具振動耦合模式Fig.6 Three coupling modes of pulse width and tool vibration

3種耦合模式多場耦合仿真結果如圖7所示。仿真結果表明，在相同的給電脈寬、脈間和工具振動參數條件下，前置式耦合的氣泡率約為5.98%，低于對稱式的6.22%和后置式的6.36%；3種耦合模式的溫升基本相當；通電周期內電導率積分均值沿流程分布的均勻性前置式>對稱式>后置式。前置式脈動態加工氣泡率低于對稱式和后置式的主要原因為：前置式通電周期中工具陰極快速接近工件，間隙不斷減小，在該過程中加工間隙內的電解液壓力不斷提升，同時通電產生氣泡產生的壓力波也進一步使加工間隙內的壓力提升，壓縮氣泡體積，因此使前置式加工間隙內的氣泡率低于另外兩種耦合模式。

圖7 3種耦合模式的多場耦合仿真結果Fig.7 Multi-field simulation results of three coupling modes

在上述分析基礎上，開展了前置、對稱和后置3種耦合模式的極限加工速度對比試驗，并分析極限加工速度下加工試件的整平比情況，試驗結果如圖8所示。試驗結果表明，前置耦合模式下的極限進給速度和整平比均最高。

圖8 3種耦合模式的工藝對比試驗結果Fig.8 Process test results of three coupling modes

采用前置式給電脈寬和工具振動耦合模式，以航空發動機鎳基高溫合金(GH4169)整體葉盤扇段模擬件為對象進行了脈動態電解加工工藝試驗。試驗分2個工步完成，首先采用直流電解加工方式進行葉柵通道預加工，其后采用前置式脈動態電解加工方法使葉片最終成型。脈動態電解加工參數為脈沖峰值電壓20 V，前置式耦合占空比1/12，工具陰極振動頻率10 Hz，進給速度0.05 mm/min，電解液20%的NaNO溶液，電解液溫度30±1 ℃。加工的整體葉盤扇段樣件如圖9所示。以右起第1片葉片為例，葉盆型面的輪廓度誤差為-0.023 ～ +0.011 mm，葉背型面的輪廓度誤差為-0.008 ～ +0.019 mm，加工試件具有較高的葉型輪廓精度，見圖10所示。

圖9 電解加工整體葉盤扇段樣件實物圖Fig.9 Fan-shaped specimen of ECM blisk

圖10 葉盤葉片輪廓度三坐標測檢測結果Fig.10 Three coordinate measurement results of blade profile

3 脈動態旋印式電解加工

3.1 原理

針對航空發動機機匣等薄壁回轉體復雜型面，提出脈動態旋印式電解加工新方法。如圖11所示。該方法采用回轉體電極作為陰極工具，根據陽極工件表面的凸臺形狀與尺寸要求，在陰極工具表面設計出不同形狀的窗口；在加工過程中，陽極工件與陰極工具以相同的轉速相對旋轉，同時陰極工具沿陽極工件法向不斷進給；電解液從陰陽極之間高速流過。在施加電壓后，陽極表面大部分區材料被電化學溶解，而陰極窗口所對應區域的材料幾乎不被溶解，隨著加工的持續逐漸“長”出凸臺結構。旋印式電解加工是一個脈動態過程。當施加直流電壓時，工件上各部位相繼周期性地進入和脫離加工區完成選擇性電化學腐蝕，工件上特定點的電流密度隨著工件運動呈周期性變化，工件材料轉至中間區域時處于高電流密度加工區，其他大部分時間都處于大間隙的非加工狀態，旋轉運動使得工件上電流密度呈現以轉數為頻率的周期性脈動變化，如圖12所示。

圖11 脈動態旋印式電解加工Fig.11 Counter-rotating ECM in pulse dynamic process

圖12 旋印式電解加工陽極特定點的加工電流波形Fig.12 Current waveform of anode specified position in counter-rotating ECM process

旋印加工方式具有如下優勢：① 可實現全型面加工，縮短了生產準備周期；② 無 “出水痕”“接刀痕”；③ 可精確控制壁厚，無加工變形；④ 工件部位動態“逃逸”出加工區，降低了加工短路風險，加工穩定性好。

3.2 脈動態旋印式電解加工成型規律

脈動態旋印式電解加工陽極成形過程是由電極相對運動和陽極電化學溶解作用兩方面因素共同決定。圖13為旋印式電解加工陽極成型過程仿真物理模型。為便于模擬陽極輪廓成形過程，假定在加工過程中陽極工件固定不動，工件的圓心為坐標系的原點，則陰極工具可等效為以下3個分運動：① 以角速度繞陰極工具圓心逆時針自轉；② 隨陰極工具以角速度繞陽極工件圓心逆時針公轉；③ 陰極工具以恒定的速度沿連心線方向進給。根據旋印式電解加工電極相對運動和電場分布特性對不同進給深度下的陽極輪廓成型過程進行仿真模擬。針對鎳基高溫合金GH4169和不銹鋼SUS304兩種不同材料，其實際體積電化學當量通過試驗測量獲得。

圖13 旋印式電解加工成型過程仿真模型Fig.13 Simulation model of forming process in counter-rotating ECM

圖14為GH4169和SUS304兩種材料的凸臺仿真輪廓。初始工件陽極半徑和工具陰極半徑分別為100 mm，加工電壓為20 V，陰極進給速度為0.024 mm/min，電極轉速1 r/min。可以發現這兩種材料的凸臺成形輪廓存在顯著差異。如圖14(a)所示，對于GH4169材料，隨著加工的持續，凸臺高度不斷增加，凸臺側壁錐度不斷減小，當進給量達到16.8 mm(700 min)時，凸臺側壁錐度為4.8°，在凸臺頂部存在一定程度的雜散腐蝕，這是由于GH4169材料在低電流密度下電流效率依然很高，其溶解定域性較差所致。如圖14(b)所示，對于SUS304材料，隨著陰極工具的不斷進給，凸臺側壁輪廓錐度逐漸減小，當進給量達到7.2 mm(300 min)時，凸臺側壁錐度為0.8°，隨著陰極進一步進給，側壁變成倒錐形。由于SUS304材料具有較好的溶解定域性，加工過程中凸臺表面幾乎不受雜散腐蝕影響。

圖14 GH4169和SUS304兩種材料的凸臺仿真輪廓Fig.14 Simulation results of boss profile in GH4169 and SUS304 workpiece

圖15為工件材料沿徑向方向蝕除速率及加工間隙隨進給量的變化趨勢。如圖15(a)所示，在加工初始階段，材料蝕除速率變化十分顯著，存在明顯的過渡階段，隨著進給量的進一步增加，材料蝕除速率變化逐漸趨于平緩，加工進入準平衡階段，在該階段材料蝕除速率始終略高于陰極進給速率，導致加工間隙隨著進給量增加近似呈緩慢線性增長趨勢，如圖15(b)所示，這主要是由加工過程中陽極工件的曲率半徑不斷減小所致。

圖15 材料蝕除速率與加工間隙隨進給量變化趨勢Fig.15 Variation trend of material removal rate and machining gap in tool feeding

3.3 典型結構加工

針對航空發動機機匣表面典型島嶼狀和柵格狀凸臺結構，分別采用GH4169和SUS304材料開展了加工試驗研究。圖16為加工出的島嶼狀凸臺結構，凸臺高度為6.16 mm，側壁錐度為11.1°，凸臺頂部雜散腐蝕量為0.9 mm。圖17為加工出的柵格狀凸臺結構，凸臺高度為5.94 mm，側壁錐度為5.64°，凸臺頂部無明顯雜散腐蝕。

圖16 GH4169表面加工的島嶼狀凸臺結構Fig.16 GH4169 surface processing island-like boss structure

圖17 SUS304表面加工的柵格狀凸臺結構Fig.17 Grid boss structure of SUS304 surface processing

4 脈動態電解線切割加工

電解線切割加工采用金屬線作為工具陰極，基于金屬電化學陽極溶解原理去除材料，通過線電極的多軸數控運動對零件加工成形。如圖18所示，削邊形狀線電極工作面(圓弧部分)進入端面加工間隙時，電源上電；電極工作面轉出加工間隙時，電源斷電。削邊電極旋轉和電源斷續給電配合，產生周期性脈動變化的電場和流場：一方面，擾動加工間隙內電解液，使其產生強對流運動，促進加工產物排出和電解液更新；另一方面，減少或消除已加工表面的雜散電流，避免二次加工，提高加工精度。

圖18 削邊電極脈動態電解線切割加工Fig.18 Wire-ECM in pulse dynamic process with edged electrode

4.1 脈動電場特性

建立圖19所示加工間隙內電解液電場模型(1/2削邊線電極以角速度旋轉，間隙長=1.5 mm，寬=0.6 mm)，研究削邊線電極、斷續給電對加工表面電場的影響。假設加工過程為理想狀態：① 在加工過程中，電解液的電導率為常數；② 間隙內電場是穩恒電流場。間隙內電位由拉普拉斯方程描述，邊界條件按照接地(Г)、絕緣(Г)、等電勢(Г)處理。陽極電位10 V，電解液電導率10 S/m，削邊線電極直徑為0.5 mm。

圖19 削邊線電極電解切割加工電場模型Fig.19 Electric field model of Wire-ECM with edged electrode

工件表面不同位置電流密度隨削邊線電極旋轉的變化情況如圖20所示。使用削邊線電極時，工件端面間隙內C點電流密度在0～180 A/cm之間周期性波動，已加工表面D點電流密度在0～20 A/cm之間周期性波動；使用圓柱截面電極時，端面間隙內A點電流密度穩定在180 A/cm，而已加工表面B點電流密度穩定在48 A/cm，存在著明顯的二次腐蝕。因此，使用削邊線電極能顯著降低已加工表面電流密度，減小已加工壁面的二次腐蝕，加工精度得到提高。

圖20 工件表面電流密度變化過程Fig.20 Changing process of current density on workpiece surface

圖21(a)為直流電壓下，不同轉速下削邊線電極加工電流波形，可以看出電流脈動變化周期和電極轉速一致：電極轉速12 000 r/min時，電流周期為5 ms；而圓柱電極的加工電流信號波形平穩，沒有明顯的脈動現象，如圖21(b)所示。

圖21 直流加工電流波形Fig.21 Current waveform in DC wire-ECM

圖22 脈沖電流疊加線電極脈動態加工電流波形Fig.22 Current waveform in pulse Wire-ECM with edged electrode

圖22為脈沖電壓下，不同轉速下削邊線電極加工電流波形。此時，脈沖電流與削邊線電極旋轉產生的周期性變化效果疊加，每個電極轉動周期內脈沖電流峰值呈脈動態變化。

4.2 脈動流場特性

借助ANSYS Fluent 16.0采用滑移網格進行非定常計算，模擬間隙流場的流量和速度脈動特性。圖23為不同削邊線電極的尺寸和截面形狀。

圖23 不同類型的削邊電極Fig.23 Different types of edged electrodes

圖24為削邊線電極加工間隙流場模型，幾何參數為：間隙區域長=1.5 mm，寬=0.6 mm，線電極直徑為0.5 mm。計算時假設流體為單相不可壓縮連續流體，并忽略電解切割加工過程中氣泡的影響。

圖25為轉速為20 000 r/min時，通過不同電極側面間隙取樣線1的流量情況。采用圓柱電極時，流量隨電極旋轉變化很小，平均流量約為63 mm/s；采用削邊線電極時，流量隨電極的旋轉呈周期性脈動態變化，流量最大170 mm/s，流量最小約40 mm/s；對稱1/4削邊線電極的流量脈動變化最快，是其他電極的兩倍，流量波動小(在55～90 mm/s之間)。

圖24 削邊線電極電解切割加工流場模型Fig.24 Flow field model of Wire-ECM with edged electrode

圖25 削邊線電極電解切割加工流場特性Fig.25 Characteristics of flow field in Wire-ECM with edged electrode

4.3 工藝效果

定義穩定加工2 mm長切縫的電極最大進度速度為最大速度，來評判不同電極的脈動傳質效果。圖26(a)為不同電極最大速度隨電極轉速的變化情況。可以看出：① 旋轉速度小于10 000 r/min時，5種電極的最大進給速度均呈現增大趨勢，且削邊線電極能達到的最大速度均高于圓柱電極。這主要歸因于削邊線電極擾動加工間隙內電解液的范圍更寬廣、更充分排出電解產物、更好的加工間隙環境和更快的傳質使得電化學反應速率更快。② 旋轉速度大于10 000 r/min時，3/4削邊線電極和光桿電極的最大進給速度隨旋轉速度緩慢下降；1/4削邊線電極最大進給速度則急劇下降，在20 000 r/min時降為0.1 μm/s；1/2削邊線電極的最大進給速度繼續增大，直到2.4 μm/s的峰值；對稱1/4削邊線電極的最大進給速度可持續增大達到3.6 μm/s。1/4、1/2、3/4削邊線電極均為細長且偏心的結構，在高速旋轉時容易發生變形和顫動，導致其與工件接觸造成短路，使加工無法繼續。最終采用削邊電極穩定加工出20 mm厚榫槽試件和35 mm厚低壓渦輪葉片葉冠試件，經測量工作面輪廓精度達到0.02 mm。