螺旋電極微細(xì)電解加工的流場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

孫濤濤，于兆勤，吳明，王冠，程麗文

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東廣州510006）

螺旋電極微細(xì)電解加工的流場(chǎng)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

孫濤濤，于兆勤，吳明，王冠，程麗文

（廣東工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院，廣東廣州510006）

采用CFD（Computational Fluid Dynamics）計(jì)算軟件FLUENT，對(duì)螺旋電極微細(xì)電解加工間隙內(nèi)復(fù)雜流場(chǎng)的變化做數(shù)值模擬分析，分析了加工間隙、電解液流速及壓力等因素對(duì)流場(chǎng)的影響，獲得最優(yōu)的流場(chǎng)分布，從而提高了微細(xì)電解加工穩(wěn)定性。

微細(xì)電解加工；有限元法；流場(chǎng)分析

表面功能結(jié)構(gòu)是近年來多學(xué)科交叉領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)［1］，已成為傳統(tǒng)高能耗產(chǎn)業(yè)節(jié)能降耗的有效途徑，廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、農(nóng)業(yè)、電子等行業(yè)［2－3］。對(duì)表面功能結(jié)構(gòu)制造方法的研究已逐漸從傳統(tǒng)的機(jī)械加工向非傳統(tǒng)加工方法轉(zhuǎn)變，如激光珩磨加工、電火花加工、超聲加工、電解加工及其復(fù)合加工等。微細(xì)電解加工具有加工效率高、成形精度好、材料去除易控制、不需考慮工件材料的強(qiáng)度和硬度等機(jī)械特性、加工過程中工具無磨損、工件不產(chǎn)生應(yīng)力等優(yōu)點(diǎn)，故在表面功能結(jié)構(gòu)制造中得以應(yīng)用。

微細(xì)電解加工間隙很小，電解產(chǎn)物易被堵在加工間隙內(nèi)，從而影響加工的穩(wěn)定性，發(fā)生短路和燒毀電極等現(xiàn)象。流場(chǎng)分布對(duì)電解加工過程的穩(wěn)定性起著重要作用，而影響流場(chǎng)的因素很多，如電解液壓力、陰極結(jié)構(gòu)、加工間隙等，這些因素相互關(guān)聯(lián)會(huì)造成極復(fù)雜的流場(chǎng)問題。加工間隙是微細(xì)電解加工的核心要素，其決定了微結(jié)構(gòu)精度、工具陰極的設(shè)計(jì)和加工參數(shù)的選擇。本文將多線螺旋電極對(duì)微熱管（銅管）內(nèi)壁進(jìn)行微細(xì)電解加工作為研究對(duì)象，采用CFD（Computational Fluid Dynamics）方法對(duì)流道中的流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬仿真，使流場(chǎng)分布最優(yōu)化，從而為電解液流道的設(shè)計(jì)和改進(jìn)提供理論依據(jù)。

1 加工原理及模型的建立

1.1 螺旋電極微細(xì)電解加工的原理

螺旋電極微細(xì)電解加工原理圖見圖1。加工時(shí)，工件接電源的正極，螺旋電極作為陰極接電源的負(fù)極，且將螺旋電極設(shè)計(jì)為錐形，保證電極在軸向進(jìn)給的同時(shí)實(shí)現(xiàn)徑向進(jìn)給，有利于流場(chǎng)的均勻分布。電解液從陰極進(jìn)液口進(jìn)入陰極，再從縫隙進(jìn)入加工間隙，從而實(shí)現(xiàn)微細(xì)電解加工。

1.2 螺旋電極微細(xì)電解加工的模型

在螺旋電極上進(jìn)行有選擇的涂膠，陰極體的側(cè)面為加工面，涂膠的部位被保護(hù)，裸露的部分進(jìn)行電解加工。

假設(shè)工件與工具掩膜后的間隙為a，凹槽深度b=0.1mm，掩膜厚度c=0.1mm，加工間隙為S，凹槽寬度d=0.2mm（圖2）。

圖1 微細(xì)電解加工原理圖

圖2 加工間隙模型圖

2 基本方程與計(jì)算方法

本文采用FLUENT 6.3三維單精度求解器進(jìn)行求解，并采用k-ε湍流模型、三維不可壓雷諾平均守恒Navier-Stokes方程。計(jì)算時(shí)，初始邊界的條件參考工作條件和測(cè)試條件所給定的值。本文的湍流模型選取NG k-ε兩方程構(gòu)成非線型性封閉方程組，進(jìn)行離散求解。流體在間隙內(nèi)做湍流流動(dòng)時(shí)遵循的控制方程形式為:

（1）連續(xù)方程:

式中:μx、μy、μz分別為X、Y、Z 3個(gè)方向的速度分量，m/s；t為時(shí)間，s；ρ為密度，kg/m3。

（2）動(dòng)量方程:

動(dòng)量方程的本質(zhì)是滿足牛頓第二定律。該定律可描述為:對(duì)于一給定的流體微元，其動(dòng)量對(duì)時(shí)間的變化率等于外界作用在該微元體上的各種力之和。依據(jù)這一定律，可導(dǎo)出X、Y、Z 3個(gè)方向的動(dòng)量方程為:

式中:p為流體微元上的壓強(qiáng)，Pa；τxx、τxy、τxz為因分子粘性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的粘性應(yīng)力τ的分量，Pa；fx、fy、fz為3個(gè)方向的單位質(zhì)量力，m/s2，若質(zhì)量力只受重力，且y軸垂直向上，則fx= fz=0、fy=-g。

3 流場(chǎng)模型建立

3.1 網(wǎng)格的劃分

（1）確定流體區(qū)域。本文的流體區(qū)域是工具電極的凹槽和銅管內(nèi)壁之間的間隙。

（2）確定流體狀態(tài)。一般情況下，近似認(rèn)為流體性質(zhì)是常數(shù)，不隨溫度變化而變化。本文的模擬過程中采用的流體介質(zhì)為水，其密度為1000 kg/m3，粘度為0.001 kg/m2，不考慮重力的影響。

（3）在應(yīng)用紊流模型時(shí)，靠近壁面區(qū)域的網(wǎng)格密度值比層流模型大一些。如果網(wǎng)格密度值太小，則該網(wǎng)格在求解過程中就不能捕捉到由于巨大變化的梯度對(duì)流動(dòng)造成的顯著影響［4］。由于本文中螺旋槽計(jì)算區(qū)域的幾何結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，所以采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格對(duì)計(jì)算區(qū)域進(jìn)行離散化。當(dāng)α=0.6°時(shí)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為129 239個(gè)，單元數(shù)為512 216個(gè)。模型的網(wǎng)格劃分見圖3。

圖3 模型的網(wǎng)格劃分

3.2 邊界條件的確定

（1）設(shè)入口邊界條件為Velocity-inlet。假設(shè)進(jìn)液口的速度是均勻的，其速度v=50 m/s，且在垂直于進(jìn)液口流場(chǎng)方向上的流體速度為零。

（2）設(shè)出口邊界條件為Pressure-outlet。邊界壓力設(shè)為0 Pa，假定流體是不可壓縮的，且其性質(zhì)為恒值。

（3）固體壁面邊界條件:在銅管內(nèi)壁表面上施加無滑移邊界條件，即銅管內(nèi)壁表面上所有速度分量都為零。

4 流場(chǎng)仿真及結(jié)果分析

由圖2可知，加工間隙S=a+b+c，則工具半徑r為:

通常，微細(xì)電解加工間隙為0.1～0.5 mm，設(shè)最大加工間隙為0.5 mm，工具電極與工件之間的初始間隙a=0.2mm，凹槽深度b=0.1mm，掩膜厚度c= 0.1 mm，則不同加工間隙對(duì)應(yīng)的工具半徑r見表1。

表1 工具電極參數(shù)mm

可見，當(dāng)加工間隙a=0.4 mm時(shí)，由式（5）計(jì)算得到加工間隙S=0.6mm＞0.5mm，超出了微細(xì)電解加工的范圍；當(dāng)加工間隙a=0.3 mm時(shí)，S=0.5 mm，剛好是微細(xì)電解加工間隙的上限值。由式（5）可知，當(dāng)加工間隙a=0.3 mm時(shí)，r=2.1 mm；當(dāng)加工間隙a=0.1 mm時(shí)，r=2.3 mm。因此，多線螺旋電極錐體的最小半徑r=2.1 mm，最大半徑r=2.3 mm。當(dāng)錐度為0.9°時(shí)，r=2.41 mm＞2.4 mm，故錐度最大應(yīng)為0.8°。因此，取螺旋電極的錐度為0°、0.2°、0.4°、0.6°、0.8°，速度波動(dòng)示意圖見圖4～圖8?？梢?，液體速度波動(dòng)隨著工具電極不同的錐度而變化，且錐度為0.6°時(shí)波動(dòng)最小，穩(wěn)定性較好。

圖4 錐度為0°時(shí)的速度波動(dòng)圖

圖5 錐度為0.2°時(shí)的速度波動(dòng)圖

測(cè)量沿工具電極和工件之間加工間隙（參考圖2）軸向的平面壓力，軸向平面分別取Y=1、5、10、15、19。圖9是沿加工間隙軸向的不同平面壓力分布圖?？梢?，在錐度為0.6°時(shí)，壓力波動(dòng)范圍最小，分布最均勻。

圖6 錐度為0.4°時(shí)的速度波動(dòng)圖

圖7 錐度為0.6°時(shí)的速度波動(dòng)圖

圖8 錐度為0.8°時(shí)的速度波動(dòng)圖

圖9 沿軸向平面壓力圖

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)中，流場(chǎng)處于螺旋電極和銅管之間的密閉空間內(nèi)，依靠現(xiàn)有技術(shù)無法直接觀察和測(cè)量。在管內(nèi)流場(chǎng)較穩(wěn)定時(shí)，電解產(chǎn)物排除情況較好［5］。因此，本文以加工后電解產(chǎn)物的殘留情況作為流場(chǎng)穩(wěn)定情況的指標(biāo)。圖10、圖11分別是采用錐度為0°和0.6°的螺旋電極時(shí)，電解產(chǎn)物的排除情況。可見，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬結(jié)果相符合。錐度為0.6°時(shí)，電解產(chǎn)物的剩余量明顯比錐度為0°時(shí)少。

圖10 錐度為0°時(shí)電解產(chǎn)物的殘留圖

圖11 錐度為0.6°時(shí)電解產(chǎn)物的殘留圖

6 結(jié)論

本文建立了基于微細(xì)電解加工微熱管內(nèi)壁裝置的三維流場(chǎng)模型，并采用有限元方法，對(duì)所建三維模型的流動(dòng)狀況進(jìn)行計(jì)算分析，著重討論了微細(xì)電解加工過程中加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)變化。電解液流動(dòng)的穩(wěn)定性直接影響加工精度和電解產(chǎn)物的排除，所以選擇合理的陰極工具錐度及優(yōu)化流場(chǎng)至關(guān)重要。通過模擬分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，當(dāng)工具電極錐度為0.6°時(shí)，加工間隙內(nèi)的流體波動(dòng)較穩(wěn)定，流場(chǎng)最優(yōu)。

［1］Kim G Y，NiR J，Mayor，etal.An experimental investigation on semi-solid forming ofmicroMeso-scale features［J］. Transactions of the ASME，Journal of Manufacturing Science and Engineering，2007，129（2）:246-251.

［2］湯勇，潘敏強(qiáng)，湯興賢.表面熱功能結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域的發(fā)展及關(guān)鍵技術(shù)［J］.中國表面工程，2010，23（1）:1-8.

［3］郭鴻志，張欣欣.傳輸過程數(shù)值模擬［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，1998.

［4］商躍進(jìn).有限元原理與Ansys應(yīng)用指南［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［5］沈健，陳心昭，朱樹敏.振動(dòng)進(jìn)給與脈沖電流電解加工的工藝特性［J］.農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2002，33（3）:110-114.

Sim ulation and Experimental Study on Flow Field of the Spiral Electrode Electrochem ical M icro-machining

Sun Taotao，Yu Zhaoqin，Wu Ming，Wang Guan，Cheng Liwen
（Guangdong University of Technology，Guangzhou 510006，China）

Using CFD software FLUENT，complex flow field numerical changes within the spiral electrode electrochemical micro-machining gap are calculated.The impacts for the machining gap，electrolyte flow rate，pressure and other factors on the flow field are analyzed.Optimal flow distribution is obtained.Thereby the stability ofmicro-electrolysis process is enhanced.

electrochemicalmicro-machining；finite elementmethod；flow field analysis

TG662

A

1009－279X（2015）01－0030-04

2014-09-24

國家青年科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51205066）；廣東省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（s2012010009022）

孫濤濤，男，1988年生，碩士研究生。