變截面異型螺旋型腔電解加工流場分析＊

范植堅，穆 倩，李清良，范慶明

（西安工業(yè)大學 機電工程學院，西安710021）

閉式整體構件的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，刀具可達性差，采用電解加工也必須將加工區(qū)分為兩部分：由內向外至喉部的流道（以下簡稱內流道）和由外向里至喉部的外流道，每段流道實質都是變截面異型螺旋型腔．在變截面異型螺旋型腔的電解加工中，流場設計是非常重要的環(huán)節(jié)，電解液在加工間隙中的均勻流動成為電解加工能否穩(wěn)定進行的關鍵．

電解加工的流場設計和改善電解加工間隙流場的研究一直是電解加工領域內的熱點課題，受到業(yè)內人士的廣泛關注，見諸于眾多文獻中．徐家文等對電解加工流場的設計作了較多論述［1］；徐慶等采用小孔出液方式來提高整體葉盤通道電解加工流場的均勻性［2］，存在小孔易堵塞且在陰極制造過程中難加工問題；范植堅等提出磁場復合電解加工改善間隙流場分布［3-5］，磁場復合電解加工存在陰極上鑲嵌永磁體在工藝實現上較難且磁場不易控制問題；王建業(yè)等采用混氣電解加工方法間隙流場均勻［6-7］，可能使間隙流場氣泡率急劇上升，易引發(fā)短路．針對上述閉式整體構件在加工中難加工的問題，本文采用了電解加工復合電火花加工成型方法，對內流道電解加工進行流場設計．在不同背壓條件下建立了電解液流動的三維物理模型，通過改變陰極過水孔、槽的分布、數量對間隙流場進行仿真比較．

1 陰極結構

本文的加工對象閉式整體構件的流道如圖1所示．針對閉式整體構件內流道提出兩個方案：①陰極平動，因加工的初始間隙在整個加工面差異大，而加工面的不同部位在整個加工過程中流場變化大，擬采取改變過水孔的大小和分布的方法以達到調節(jié)控制間隙流場分布；②陰極作數控運動，控制開始加工時陰極工作面與零件內圓間隙均勻，隨著進給逐漸過渡到加工結束時陰極工作面與零件流道進氣口曲面吻合的運動軌跡．

圖1 異型型腔示意圖Fig．1 Helix cavity diagram

其中方案一 ：密封易于實現，機床運動機構簡單，但因流場分布均勻性的控制較困難，陰極結構復雜．方案二：密封困難，陰極結構簡單．本文擬采用方案一，通過改變初始設計的陰極工作面過水孔的尺寸、形狀及其在陰極工作面的分布，基于COMSOL的流場仿真，進行陰極結構的優(yōu)化．

采用正向供液，加工時具有一定壓力的電解液從陰極進液口進入陰極，通過電解液通道從過水孔噴出進入加工間隙，圖2（a）為加工過程示意圖，圖2（b）為陰極雛形．

圖2 加工過程及陰極示意圖Fig．2 The cathode and machining diagram

2 理論模型

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，為有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)．同時，由于加工區(qū)域中電解液流程較小，因此忽略工作過程中工作介質溫度的變化以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［8-11］．

根據不可壓縮流體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．

本文使用標準k-ε兩方程湍流模型進行求解．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k-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的湍動能k的產生項；ε為湍動耗散率，其他常數項取值見表1［12］．

表1 常數項取值Tab．1 Value of constant term

3 過水孔的結構設計及流場仿真

圖3為UG環(huán)境下建立的在工具陰極逼近工件的流場物理模型，改變初始設計的陰極工作面過水孔的尺寸、形狀及其在陰極工作面的分布，在不同背壓條件下，通過COMSOL Multiphysics進行穩(wěn)態(tài)流場分析，得到端面加工間隙速度云圖（圖4），進行不同背壓下速度流線圖的比較，找出流場分布較好的陰極．

3．1 過水孔初始設計

在電解加工過程中，應使加工間隙中加工面上各處的電解液流量充足、均勻，不發(fā)生流線相交及其它流場缺陷，否則可能會在加工表面上產生流紋等疵病，影響加工精度及表面質量，嚴重時可能發(fā)生短路，使陰極和工件損壞．其中過水孔的分布對于間隙流場均勻起了關鍵性的作用．本文采用正水流動形式加背壓，為保證液體腔體內液體充足和形成背壓，要求進水面積＞過水面積＞出水面積，即

圖3 工具逼近工件流場模型Fig．3 Model of the tool to workpiece

圖4 COMSOL仿真速度云圖Fig．4 Velocity contours diagram in COMSOL

進液孔直徑為?14mm，出液流量為進液流量的2／3可計算出液孔直徑為?6～?8mm，采用兩個直徑為?8mm的出液孔，從而可計算進水面積

出水面積

過水面積取均值127mm2，兩種過水孔的分布如圖5所示，圖5（a）從左至右為?1mm均勻分布孔，圖5（b）過水孔由密到疏，孔徑由?1～?0．8 mm．

陰極左段率先逼近工件，間隙小，初始加工階段右段間隙大．故孔分布B按照小間隙處過水孔大而密，大間隙過水孔小而疏的原則設計．

圖5 兩種過水孔分布Fig．5 Two kinds of holes’distribution

3．2 流場仿真

進口壓力為0．4MPa，夾具兩個出液孔均為?0．8mm時，工具陰極初始加工工件在COMSOL中的仿真速度云圖如圖6所示，圖6（b）相比較于圖6（a），在小間隙處的最大流速為45m／s高于圖6（a）中的30m／s，而且孔分布B在小間隙處的流速明顯高于孔分布A，孔分布B較好．

圖6 陰極初始加工工件兩種孔分布端面加工間隙速度云圖Fig．6 Velocity distribution of two kinds of holes’arrangement in initial processing

陰極工作面完全切入工件時孔分布B端面加工間隙仿真速度云圖7所示．由圖7可看出，區(qū)域I、區(qū)域II有出現電解液流速小于5m／s的面積較大區(qū)域，中間部分電解液偏少，小間隙處兩側顏色較深，最大流速為60m／s，小間隙處兩側電解液會出現嚴重溢流，導致中間處電解液不足而“短路”．因此在孔B基礎上需要進一步優(yōu)化．

圖7 陰極工作面完全切入工件孔分布B端面加工間隙速度云圖Fig．7 Velocity in machining gap of B type hole distribution while cathode face completely cuts into the workpiece end face

4 方案優(yōu)化

將孔分布B的陰極左段中心處小孔改為窄槽，右段及翼處添加增液小孔，如圖8（a）．其仿真結果如圖8（b），與圖7相比，區(qū)域I、區(qū)域II得到改善，如圖8（b）．并且圖8（b）小間隙處最大速度為55m／s小于圖7小間隙處速度60m／s，即小間隙處向兩側溢出電解液得到改善，并且圖8（b）大間隙處流速得到提高，有利于滿足后續(xù)加工大間隙電解液的需求．故孔分布C為好．為防止空穴，擬施加背壓，在孔分布C的基礎上將夾具的兩個出液孔?8mm 改為?6mm．通過 COMSOL Multiphysics對上述不同背壓的流場進行仿真，按圖8（a）的兩個截取位置作P1，P2截面，過其中一個夾具過水孔中心作P3截面（圖9），流線分布如圖10所示（圖10（b）和圖10（c）選用120點的流線定位圖，圖10（a）選用500點的流線定位）．結果表明，增加背壓，過水孔空穴、渦流現象會得到改善．

圖8 孔分布C分布及仿真速度云圖Fig．8 C type hole distribution and simulated velocity in machining gap

圖9 仿真模型三個截面Fig．9 Model of three sections

圖10 不同背壓下三個截面仿真速度流線圖Fig．10 Velocity flow diagram of three sections in different pressure

增加背壓下仿真速度云圖如圖11所示，與圖8相比，流場速度分布相當的情況下，最小速度0．314 3m／s提高到了0．508 5m／s，進一步證明增加背壓電解液流速會提高．

圖11 夾具過水孔為?6mm仿真速度云圖Fig．11 Velocity distribution when the hole diameter is?6mm

曾經考慮過在陰極工作面居中僅開一條窄槽，流動狀態(tài)比較合理，但為滿足過水面積，增大槽寬，工件表面殘留的凸起過大．故本文在上述陰極工作面過水孔的設計中采取遍布小孔或兼有小孔和窄槽的形式，這樣做存在流線交叉的現象，后續(xù)工作中需要進一步探討．

5 結 論

電解加工中，陰極流場設計合理，才能保證加工過程中電解液流動穩(wěn)定、均勻，才能保證加工出符合設計要求的零件．對于內流道電解加工陰極設計時，通過仿真結果分析可知：

1）電解加工陰極設計時，改變陰極過水孔疏密程度，從陰極左端到右端，過水孔由密到疏，孔徑由大到小，促進間隙流場流量更飽滿、均勻．當陰極進入工件時，小間隙處的最大流速由30m／s提高到了45m／s，加工間隙流場得到了改善．

2）局部將過水孔改為窄槽，當將左段中心處小孔改為窄槽，右段及翼處增加一些增液孔，基本消除間隙流場中低流速區(qū)域，僅余四個角落有少量無水區(qū)域且電解液最低流速由0．239 7m／s提升至0．314 3m／s．

3）采用正水電解加工時，當進口壓力為0．4 MPa時，增加背壓，低流速區(qū)域進一步減少角落處僅有極其少量低流速區(qū)域，電解液最低速度由0．314 3m／s進一步提高至0．508 5m／s，減少空穴和渦流現象的發(fā)生．

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