基于COMSOL閉式整體構件流道電解加工流場的仿真

李清良，范植堅，穆 倩

（西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安710032）

基于COMSOL閉式整體構件流道電解加工流場的仿真

李清良，范植堅，穆 倩

（西安工業(yè)大學機電工程學院，陜西西安710032）

提高閉式整體構件氣流通道數控電解/電火花組合加工效率的關鍵是提高其粗加工工序電解加工的效率，可嘗試采用開槽、拷形一次完成的方案。由于氣流通道深、窄、彎曲，首先必須面對的是電解加工間隙流場分布極不均勻的問題，通過改變陰極結構、回液孔分布及供液方式的設計，基于COMSOL對上述不同陰極進行電解加工間隙流場的仿真、比較，改善了間隙流場分布。分析表明，當進口壓力為0.8 MPa，十字交叉槽槽寬為1.5 mm，錐頭回液孔數量為12個，三排錯開排放，間隙流場較均勻。

閉式整體構件；電解加工；流場仿真；COMSOL Multiphysics

閉式整體構件的結構復雜，材料硬度高，故加工十分困難。本文采用數控電解加工方法對閉式整體構件進行粗加工。在電解加工過程中，電解液在加工間隙的均勻分布是加工能否穩(wěn)定進行的關鍵，流場設計是非常重要的環(huán)節(jié)。針對閉式整體構件電解加工，已有的技術多采用先開槽、后修形二步完成[1]。為提高加工效率，本文擬采用開槽、修形一步完成。由于零件排氣口的兩邊不對稱，其中一邊呈螺旋形曲面，陰極端部錐頭至尾部截面變化大，即兼具開槽和成形的陰極與零件被加工面之間形成的加工間隙流場分布極不均勻，易造成空穴、流紋，從而引起短路。目前，關于開槽、拷形一次完成閉式整體構件流道電解加工的流場設計尚未見報道。本文擬采用反向供液，通過改變陰極體上各部位回水

孔的數量及其分布，基于COMSOL對間隙流場進行計算機仿真，對陰極結構進行優(yōu)化。

1 電解加工流場設計思想及相關參數計算

研究對象見圖1。流道自進氣口至排氣口，截面由大變小、再由小變大，喉部深、窄。電解加工必須將加工區(qū)分為兩部分：由內向外至喉部的流道和由外向內至喉部的流道（后者簡稱“外流道”）。

圖1 異形型腔示意圖

從排氣口至喉部，其截面由大變小，為提高流場的收斂性，供液方式為反向供液 （圖2a）。依據cosθ法得到陰極輪廓，進而設計初始電解加工陰極（圖2b）。兼具開槽和成形的陰極與零件之間的形狀極不對稱，在本例中，有4處需重點關注的區(qū)域（圖3），為探討各區(qū)域的電解液分布，擬通過COMSOL對初始模型進行流場仿真，改變回液小孔的數量及其分布，改變壓力，改善不對稱形狀導致間隙不均勻流場的問題，優(yōu)化陰極結構和間隙流場。

圖2 加工裝置及陰極示意圖

初始設計，電解液進口為2×φ12 mm的進水孔，則其進水面積為：電解液出口為1×φ12 mm的出水孔，則出水面積為：

圖3 流場重點區(qū)域

陰極上回液窄槽為6 mm×10 mm×0.5 mm，則窄槽回水面積為：

陰極端部錐頭采用十字交叉回液槽2 mm×19 mm×1 mm，則十字交叉槽回水面積為：陰極腰身回液孔回水面積為：錐頭上的回液孔回水面積為：則總回水面積為：

2 基于COMSOL的電解加工流場仿真分析

2.1 物理模型及邊界條件

電解加工過程示意圖見圖4a，建立求解仿真所需的流場3D模型見圖4b，圖4c是其剖視圖，可觀測到剖面間隙流場。

圖4 間隙流場幾何模型

根據加工條件，取求解域內流動液體的密度ρ 為1100 kg/m3，動力粘度系數μ為7.193 148×10-4Pa·S。

對電解加工間隙流場的建模有以下假設：①流體為不可壓縮的、恒定的牛頓流體，即速度梯度變化時，動力粘度不變；②在電解加工時，為利于均勻流場并消除極化濃差，要求加工間隙內電解液的流動呈湍流狀態(tài)。

由于加工區(qū)域中電解液流程較小，忽略工作過程中工作介質溫度的變化及溫度造成的能量耗散，其流動受到質量守恒定律和動量守恒定律的約束。對于不可壓縮黏性流體的流動，流體運動滿足Navier-Stokes方程：

式中：ρ為流體密度；u為速度矢量在x方向上的分量；p為流體微元體上的壓力；μ為動力粘度；g為重力加速度。

本文使用基于Boussinesq假設的標準κ-ε兩方程模型進行求解。對于不可壓縮流體的穩(wěn)態(tài)流動，不考慮重力的影響，標準κ-ε兩方程模型為：

式中：μT為湍動黏度；ρK為平均速度梯度引起湍動能κ的產生項；ε為湍動耗散率；Cμ、CC1、CC2、σK、σε和K為模型常數[2]，其取值見表1。

表1 常數項取值

以陰極及加工區(qū)域作為研究對象進行數值模擬計算，根據電解加工要求確定進口壓力和出口壓力（大氣壓），進口流動方向垂直于進口面。仿真計算時，采用進口壓力p分別為0.4、0.8 MPa，出口壓力即為大氣壓。

2.2 流場仿真結果及分析

2.2.1 初始模型仿真及分析

對于反向供液的陰極設計，陰極回液孔設計得是否合理是關鍵。在初始模型中，十字交叉回液槽槽寬為1 mm，腰身回液槽為2 mm×10 mm×0.5 mm，臺階回液孔為5×φ1 mm，陰極錐頭左右兩側回液孔數量及排布見圖5a、上下兩側回液孔分布見圖5b。

圖5 初始模型陰極錐頭回液孔數量及排布

當進口壓力p=0.4 MPa時，對圖4b所示的初始模型進行仿真，端面間隙流場速度云圖見圖6a，剖面間隙流場速度云圖見圖6b。按照圖3所示的區(qū)域劃分，區(qū)域Ⅰ電解液充足，但在4個角落處流場情況不太理想。剖面間隙流場（區(qū)域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ）情況見圖6b，可看出，區(qū)域Ⅲ、Ⅳ流速高，流量充足，滿足加工要求；但區(qū)域Ⅱ整體流速較低，局部流速小于5 m/s，無法滿足加工要求。為了解決Ⅰ、Ⅱ區(qū)域流場不均勻的問題，考慮通過改變陰極錐頭十字交叉槽槽寬及錐頭側面回液孔數量和分布，實現優(yōu)化流場的目的。

圖6 初始模型速度分布圖

2.2.2 流場優(yōu)化

對初始模型進行修改，改變陰極錐頭十字交叉槽槽寬為0.8、1.2、1.5 mm，改變錐頭左右兩側回液小孔的數量及分布，發(fā)現當槽寬為1.5 mm，錐頭左

右兩側、上下兩側回液孔數量及排布如圖7所示時，流場情況最好。

圖7 優(yōu)化模型陰極錐頭回液孔數量及排布

當進口壓力p為0.4 MPa時，對優(yōu)化模型進行數值求解，仿真結果用速度云圖表示（圖8）。圖8a表明當槽寬為1.5 mm時，端面間隙（區(qū)域Ⅰ）流速高，基本無低流速（＜5 m/s）區(qū)域，流場特性好，能及時帶走電解產物，有利于加工順利進行；圖8b表明區(qū)域Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ整體流速較高，基本無低流速（＜5 m/ s）區(qū)域，流量充足，滿足加工要求。

圖8 優(yōu)化模型速度分布圖

2.2.3 進口壓力的選擇

在電解加工中，電解液進口壓力的合理選擇十分重要。以優(yōu)化模型作為仿真模型，提高電解液進口壓力至0.8 MPa，對其進行數值解算，仿真結果見圖9。相比進口壓力為0.4 MPa，當電解液進口壓力增至0.8 MPa時，端面間隙流場的邊角處流速不低于5 m/s，滿足加工要求，4個區(qū)域電解液流速更高，無流速小于5 m/s的區(qū)域，流場均勻性更好。

3 結論

在加工電流、加工電壓、初始加工間隙、電解液配方、陰極進給速度、待加工工件材質、工裝結構確定的情況下，通過改變進口壓力、十字交叉槽槽寬、錐頭回液孔數量及分布，找出了電解加工流場設計的最佳方案。COMSOL對上述方案的仿真結果為：

圖9 壓力為0.8 MPa時速度分布圖

（1）供液方式為反向供液，當進口壓力為0.4 MPa時，十字交叉槽槽寬為1.5 mm，錐頭回液孔數量為12個，3排錯開排放，加工間隙流場較均勻，流量分配合理，滿足電解加工要求。

（2）當進口壓力為0.8 MPa時，比起進口壓力0.4 MPa，整體流場流速得到較大提高，無流速小于5 m/s的區(qū)域，流場改進情況較明顯。

[1] 劉辰，徐家文，趙建設，等.三元流閉式葉輪組合電加工技術研究[D].南京：南京航空航天大學，2010.

[2] 王剛，安琳.COMSOL Multiphysics工程實踐與理論仿真：多物理場數值分析技術[M].北京：電子工業(yè)出版社，2012.

Emulation for Flow Field in Electrochemical Machining of Closed Integral Structure Based on COMSOL

Li Qingliang，Fan Zhijian，Mu Qian
（Xi'an Technological University，Xi'an 710032，China）

The key to enhance the process efficiency of an organic combination of ECM-EDM for machining the airflow channel of closed integral structure is to shorten the working hours of ECM as a rough machining step.The scheme of diging groove with shaping simultaneously was proposed.The airflow channel of the closed integral structure is so deep，narrow and winding，that the first thing we have to face with was the asymmetry distributing of flow field in machining gap.In order to improve the flow field，the emulation for flow field based on COMSOL was processed in the light of which its cathode structure was recomposed and the sizes of holes were amended.The result of the simulation shows that the flow field in machining gap is relatively uniform in condition of that the inlet pressure is 0.8 MPa，of that the cross groove width is 1.5 mm and the hole number is 12 with three rows of stagger distribution.

closed integral structure；electrochemical machining (ECM)；flow field emulation；COMSOL Multiphysics

TG662

A

1009－279X（2014）01－0028-04

2013-09-06

總裝備部"十二五"項目（512XXX405）；陜西省教育廳自然科學基金專項基金資助項目（2013JK1014）

李清良，男，1990年生，碩士研究生。