基于流場(chǎng)特性分析的電解去毛刺試驗(yàn)研究

趙明飛，傅秀清 ,2，干為民，葉瑤瑤，杜曉霞，康 敏 ,2

（1.南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，江蘇南京 210031；2.江蘇省智能化農(nóng)業(yè)裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031；3.江蘇省數(shù)字化電化學(xué)加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇常州213002）

用傳統(tǒng)機(jī)械鉆孔方法加工相交孔，難免會(huì)在兩孔的相貫處附近產(chǎn)生毛刺，毛刺會(huì)嚴(yán)重影響發(fā)動(dòng)機(jī)箱體、各類閥體、油泵油嘴等裝置的工作效率及使用壽命[1]。因此，去除孔相貫處的毛刺是一項(xiàng)極其重要的工作，尤其是深小孔內(nèi)的毛刺，用手工方法難以去除干凈，而用機(jī)械方法又易產(chǎn)生二次毛刺[2]。利用電解加工技術(shù)去毛刺，選擇合理形狀的陰極與恰當(dāng)?shù)碾妳?shù)，不僅能有效去除相交孔相貫處的毛刺，還能對(duì)相貫線的邊棱進(jìn)行倒圓修形，有利于孔內(nèi)液體流場(chǎng)的穩(wěn)定。

本文通過(guò)Fluent軟件分析毛刺對(duì)孔內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，基于有限元法在ANSYS軟件中建立電解去毛刺加工過(guò)程的模型，計(jì)算得到去除毛刺后的孔相貫處的輪廓曲線。通過(guò)比較仿真得到的輪廓曲線與試驗(yàn)測(cè)量的輪廓曲線，驗(yàn)證加工過(guò)程有限元模型的準(zhǔn)確性，并利用Fluent軟件仿真電解去毛刺后的孔內(nèi)流場(chǎng)，分析電解去毛刺后形成的孔相貫處的輪廓形狀對(duì)孔內(nèi)流場(chǎng)穩(wěn)定性的改善作用。

1 毛刺對(duì)T型孔內(nèi)流場(chǎng)的影響

T型孔是一對(duì)垂直的相交孔，采用鉆孔方式加工經(jīng)濟(jì)易行，卻難免在孔相貫處產(chǎn)生毛刺。毛刺會(huì)影響孔內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定性，尤其是脫落在工作液中的毛刺會(huì)對(duì)設(shè)備的性能與可靠性造成嚴(yán)重的影響。本文基于CFD軟件建立了T型孔帶毛刺的內(nèi)部流場(chǎng)模型（圖1），孔徑為6 mm，毛刺高度為 0.8 mm，工作液自上方進(jìn)入孔，從左右兩個(gè)出口流出。

圖1 帶毛刺的T型孔二維模型

將圖1所示的二維模型導(dǎo)入Gambit中，對(duì)流體區(qū)域劃分網(wǎng)格并定義邊界類型，以msh格式導(dǎo)出。在Fluent中讀取msh文件，設(shè)置求解參數(shù)。其中，材料模型選擇液態(tài)水；給定入口速度為30 m/s；各項(xiàng)殘差值設(shè)定為10-4。經(jīng)過(guò)145次迭代后達(dá)到收斂，并終止迭代過(guò)程[3-4]，得到在毛刺影響下的孔內(nèi)液流速度云圖（圖2）和孔內(nèi)液流壓力云圖（圖3）[5]。

圖2 帶毛刺T型孔內(nèi)液流速度云圖

圖3 帶毛刺T型孔內(nèi)液流壓力云圖

由圖2和圖3可見(jiàn)，液流方向上由于受到孔相貫處毛刺阻滯的作用，孔內(nèi)流速和壓力分布不均勻，流場(chǎng)不穩(wěn)定，會(huì)導(dǎo)致液流動(dòng)能損失甚至振動(dòng)，極易造成毛刺的脫落，影響設(shè)備的使用性能和壽命。

2 電解去毛刺加工過(guò)程的仿真與試驗(yàn)

2.1 電解去毛刺加工原理

電解去毛刺是基于通電金屬陽(yáng)極在電解液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)溶解的原理進(jìn)行的。如圖4所示，工件陽(yáng)極、工具陰極分別與直流電源的正、負(fù)極相接。電解液進(jìn)入T型孔內(nèi)，陰陽(yáng)兩極間保持一定的加工間隙，使電解液能順利通過(guò)，避免發(fā)生短路，同時(shí)有利于電解產(chǎn)物及加工熱量從加工區(qū)域排出，保證電解加工的順利進(jìn)行[6]。在遠(yuǎn)離毛刺非加工區(qū)域的工具陰極表面涂有絕緣層，可有效減少非加工區(qū)域內(nèi)孔壁的電蝕損傷[7]。

圖4 T型孔電解去毛刺原理圖

2.2 電解加工數(shù)學(xué)模型

工件陽(yáng)極和工具陰極均為不銹鋼，可看作兩個(gè)電勢(shì)分別為φa=U、φc=0的等勢(shì)體。陰、陽(yáng)極之間的電勢(shì)差在電解液內(nèi)形成的電場(chǎng)強(qiáng)度為E，給定電解液的電導(dǎo)率為κ，則電流密度i=κE。

在電解去毛刺加工過(guò)程中，孔內(nèi)陽(yáng)極金屬壁面法向上的溶解速度可視為電解加工速度，根據(jù)法拉第定律可得[8]：

式中：va為電解加工速度，mm/min；η為電流效率；ω為體積電化當(dāng)量，mm3/A·min。

基于有限元法，將T型孔二維模型劃分為有限多個(gè)細(xì)小的單元網(wǎng)格，并假設(shè)在較短的加工時(shí)間段內(nèi)，陰陽(yáng)極間隙中的電場(chǎng)不發(fā)生改變，則陽(yáng)極輪廓上各節(jié)點(diǎn)的電流密度為定值，電解加工以恒定速度進(jìn)行。由假設(shè)可根據(jù)式（1）推導(dǎo)出孔內(nèi)陽(yáng)極金屬表面的任一節(jié)點(diǎn) Pn（xPn，yPn）的蝕除量 Δx、Δy 為：

式中：iy為y坐標(biāo)軸方向的電流密度，A/mm2；ix為x坐標(biāo)軸方向的電流密度，A/mm2；T為加工時(shí)間，min。

繼而可將該節(jié)點(diǎn)在經(jīng)過(guò)T時(shí)長(zhǎng)電解加工后的新坐標(biāo)表示為 Qn（xQn，yQn）：

將所求得的一組點(diǎn)Qn（xQn，yQn）連接成平滑曲線，即可得到孔內(nèi)相貫處的最終輪廓曲線[9-10]。

2.3 ANSYS有限元分析

基于以上數(shù)學(xué)模型，利用ANSYS對(duì)模型中的電場(chǎng)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)分析。在工件陽(yáng)極與工具陰極之間加載12 V工作電壓，設(shè)置相關(guān)參數(shù)后求解運(yùn)算，得到電流密度云圖（圖5）。可見(jiàn)，毛刺處陰陽(yáng)兩極間隙小，電流密度值較大，且存在尖端放電效應(yīng)[11-12]。

圖5 加工開(kāi)始時(shí)電流密度云圖

根據(jù)求解得到的孔相貫處輪廓上各節(jié)點(diǎn)的電流密度值，設(shè)定加工時(shí)間，則由式（2）、式（3）即可求得陽(yáng)極表面各節(jié)點(diǎn)的加工蝕除量Δx、Δy；根據(jù)式（4）、式（5）可求得各節(jié)點(diǎn)的新坐標(biāo)值，繪制電解加工形成的孔內(nèi)輪廓曲線。圖6和圖7是電解去毛刺加工1 min和2 min時(shí)的電流密度云圖。可見(jiàn)，電解加工一段時(shí)間后，孔相貫處的輪廓曲線接近于一小段圓弧，電流分布趨向均勻。

圖6 加工1min時(shí)的電流密度云圖

圖7 加工2min時(shí)的電流密度云圖

仿真得到孔相貫處經(jīng)過(guò)1、2、3 min電解加工后的輪廓曲線（圖8）。隨著加工時(shí)間的增加，電極與工件的間隙變大，對(duì)應(yīng)位置電流密度值明顯變小，電解加工蝕除量下降顯著，陽(yáng)極毛刺處的輪廓曲線接近一小段圓弧后變化放緩，與陰極形狀趨于一致[13]。

圖8 孔相貫處輪廓變化曲線圖

2.4 陽(yáng)極輪廓邊界的試驗(yàn)驗(yàn)證

為檢驗(yàn)仿真得到的孔內(nèi)相貫處輪廓曲線與實(shí)際加工結(jié)果的一致性，設(shè)計(jì)了電解去毛刺加工試驗(yàn)。經(jīng)3 min電解去毛刺加工后，利用線切割機(jī)床將電解加工后的T型孔零件沿孔的軸線切開(kāi)，得到如圖9所示的工件截面。測(cè)量孔內(nèi)相貫處的輪廓并與仿真得到的輪廓曲線進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)圖10?？梢?jiàn)，電解加工試驗(yàn)所得的輪廓曲線與仿真得到的輪廓曲線基本一致，驗(yàn)證了電解去毛刺加工過(guò)程仿真模型的準(zhǔn)確性。

圖9 T型孔電解去毛刺得到的工件

圖10 電解加工3 min后試驗(yàn)與仿真輪廓曲線對(duì)比

3 電解去毛刺后CFD流場(chǎng)仿真

為了驗(yàn)證電解去毛刺對(duì)T型孔內(nèi)流場(chǎng)的改善作用，利用Fluent對(duì)電解去毛刺加工3 min后的T型孔內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行仿真。為保證可比性，仿真參數(shù)的設(shè)置與前文帶毛刺條件下保持一致。經(jīng)232次迭代后，計(jì)算結(jié)果滿足收斂要求并終止迭代過(guò)程，得到電解去毛刺后的孔內(nèi)液流速度云圖（圖11）及孔內(nèi)液流壓力云圖（圖12）。

與圖2、圖3所示的分析結(jié)果相比，圖11、圖12所示的流場(chǎng)得到了極大的改善。由于孔相貫處的輪廓曲線形狀接近于一小段圓弧，T型孔內(nèi)液流的速度和壓力變化平穩(wěn)，分布較均勻，保證了孔內(nèi)流場(chǎng)的穩(wěn)定性，避免了液流因毛刺的存在而可能產(chǎn)生的振動(dòng)與噪聲。

圖11 電解去毛刺后T型孔內(nèi)液流速度云圖

圖12 電解去毛刺后T型孔內(nèi)流場(chǎng)壓力云圖

4 結(jié)論

本文利用Fluent軟件分析T型孔內(nèi)相貫處毛刺對(duì)流場(chǎng)穩(wěn)定性的影響，基于有限元法在ANSYS軟件中建立了電解去毛刺加工過(guò)程的模型，計(jì)算得到去除毛刺后孔相貫處的輪廓形狀。通過(guò)對(duì)比仿真得到的輪廓曲線與試驗(yàn)測(cè)量所得的輪廓曲線，驗(yàn)證了加工過(guò)程有限元模型的準(zhǔn)確性，并利用Fluent軟件分析了電解去毛刺后孔內(nèi)流場(chǎng)的特性。結(jié)果表明，電解去毛刺后的孔內(nèi)相貫處的輪廓曲線形狀有利于改善和提高流場(chǎng)的穩(wěn)定性。

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