旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔流場仿真

劉澤祥　康　敏　李曙生

1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,泰州,225300　　2.南京農(nóng)業(yè)大學(xué),南京,210031

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旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔流場仿真

劉澤祥1康敏2李曙生1

1.泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院,泰州,2253002.南京農(nóng)業(yè)大學(xué),南京,210031

摘要：為解決電解加工深小孔中電解液難以進(jìn)入加工區(qū)和電解產(chǎn)物難以排出的問題，構(gòu)建了內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置，進(jìn)行了電解加工、旋轉(zhuǎn)電解加工和旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工小孔的對比試驗。試驗結(jié)果表明，陰極旋轉(zhuǎn)能明顯提高孔的圓度，旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工具有最大的平均加工電流，所加工孔的直徑、深度都為三者中最大，表明其材料去除率是最大的。在此基礎(chǔ)上，利用有限元ANSYS CFX軟件,建立了氣液兩相流三維氣穴模型，分析了陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動對電解加工流場、電場的影響。仿真結(jié)果表明：陰極旋轉(zhuǎn)使得氣泡在陰極表面聚集，不利于氣泡的排出，陰極振動加速了電解液的運(yùn)動，有利于氣泡的排出，因此具有最大的材料去除率。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工；小孔；有限元仿真;流場

0引言

目前,國內(nèi)外對小孔尚未有明確的定義,通常將直徑范圍在0.5~3.0 mm的孔統(tǒng)稱為小孔?，F(xiàn)階段小孔加工，特別是難加工材料的小孔加工,一直處于技術(shù)瓶頸[1]。激光、電火花等特種加工方法雖然能夠?qū)崿F(xiàn)小孔加工，但加工后表面留有再鑄層，影響零件性能和使用壽命。電解加工的零件表面無應(yīng)力、無再鑄層影響，但對于管型小孔電解加工，因電解液壓力過高，使得陰極振動，影響加工效果，且電解液難以進(jìn)入加工區(qū)，采用高電流密度電解加工，勢必使得加工尺寸和加工精度可控性差。因此，國內(nèi)外開展了超聲加工與電解加工的復(fù)合工藝研究，并取得一定的實(shí)用性進(jìn)展。Ruszaj等[2]將工具陰極的超聲振動引入到電解加工當(dāng)中,大大提高了加工表面質(zhì)量。Hewidy等[3]研究了低頻振動的電解加工,結(jié)果表明:應(yīng)用低頻振動改變加工間隙內(nèi)的物理狀態(tài),是提高加工精度和加工表面質(zhì)量的有效手段之一。Bhattacharyya等[4]開發(fā)了微型工具振動系統(tǒng)用于微細(xì)電解加工,研究了振動頻率、振幅、電解液濃度對小孔加工精度、材料去除率的影響 。南京航天航空大學(xué)在超聲電解復(fù)合加工技術(shù)領(lǐng)域開展了基礎(chǔ)性研究，利用自行研制的變幅桿和不同截面的微細(xì)陰極工具進(jìn)行了一系列超聲電解復(fù)合微細(xì)加工基礎(chǔ)試驗,初步證實(shí)了這種復(fù)合技術(shù)的可行性和優(yōu)點(diǎn)[5-9]。因而,針對以上小孔電解加工所存在的不足，結(jié)合超聲振動有利于電解液的更新、電解產(chǎn)物的排除以及破壞鈍化膜的特點(diǎn)，本文構(gòu)建了內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置,并運(yùn)用有限元ANSYS CFX軟件分析了陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動下加工間隙內(nèi)的流場、電場變化情況。

1試驗裝置

1.1旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置

現(xiàn)階段,小孔和深小孔的電解加工中,電解液不能充分進(jìn)入加工區(qū),使得加工不能正常進(jìn)行,加工產(chǎn)物不能及時排出,極大地影響了加工速度和加工質(zhì)量,電解液采用內(nèi)噴方式可以解決電解液進(jìn)入加工區(qū)的問題，而陰極超聲高頻振動能有效地排出加工產(chǎn)物[2-4,6,10],因此本文設(shè)計了實(shí)現(xiàn)電解液內(nèi)噴的超聲電解復(fù)合加工裝置。該裝置主要包括機(jī)械本體、旋轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)、電解液系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。其中，內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲振動系統(tǒng)是該裝置設(shè)計的關(guān)鍵技術(shù)。其結(jié)構(gòu)示意圖見圖1，換能器和變幅桿是旋轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的核心部件，其結(jié)構(gòu)直接影響到旋轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)的旋轉(zhuǎn)速度和回轉(zhuǎn)精度，而內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工中，換能器和變幅桿都處于高頻振動中，因而，各部件之間的連接直接影響到超聲振動系統(tǒng)的正常工作。

1.工件　2.變幅桿　3.軸承　4.調(diào)心螺母　5.旋轉(zhuǎn)內(nèi)腔6.電刷組件　7.后端蓋　8.不銹鋼導(dǎo)液管　9.帶輪10.外腔　11.壓電陶瓷　12.電極片　13.旋轉(zhuǎn)基座14.前端蓋　15.陰極　16.ER11夾具圖1　旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工試驗裝置示意圖

超聲振動系統(tǒng)工作原理如圖1所示，不銹鋼導(dǎo)液管一端連接旋轉(zhuǎn)接頭，另一端連接換能器，從而將電解液經(jīng)旋轉(zhuǎn)接頭、不銹鋼導(dǎo)液管、換能器、變幅桿、工具陰極進(jìn)入到加工區(qū)，實(shí)現(xiàn)內(nèi)噴，旋轉(zhuǎn)內(nèi)腔、旋轉(zhuǎn)基座在變幅桿法蘭處通過螺釘鎖緊連接，形成旋轉(zhuǎn)主軸。主軸的帶輪與直流電機(jī)上的帶輪連接，實(shí)現(xiàn)主軸旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)精度可以通過調(diào)心螺母實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)精度的調(diào)節(jié)，工具陰極采用高精度ER11螺母和彈性夾頭夾持。超聲電源和電解電源為不同類型的電源，相互不影響，因而，超聲電源與電解電源通過電刷滑環(huán)組件連接在壓電陶瓷的兩個電極片上和變幅桿上，旋轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)與系統(tǒng)支架在連接處采用絕緣橡膠隔離，這樣保證了旋轉(zhuǎn)振動系統(tǒng)與機(jī)械本體、支架絕緣。所設(shè)計的超聲振動系統(tǒng)體積小，質(zhì)量輕，旋轉(zhuǎn)阻尼小,其超聲波頻率為20±1 kHz，振幅為40~80 μm,轉(zhuǎn)速為0~3000 r/min連續(xù)可調(diào),回轉(zhuǎn)精度不大于0.02 mm。

1.2對比試驗

本文分別進(jìn)行了電解加工(ECM)、旋轉(zhuǎn)電解加工(RECM)、旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工(RUECM)的對比試驗,其試驗材料及電解液參數(shù)如表1所示。分別對工件進(jìn)行了2 min、4 min、6 min和8 min的加工試驗。試驗加工參數(shù)如下：加工電壓12 V，初始端面間隙0.4 mm，進(jìn)給速度0.6 mm/min；電解液壓力0.5 MPa；旋轉(zhuǎn)速度1200 r/min；振幅50 μm。對加工過程中的電流進(jìn)行采集,圖2為加工8 min時所采集的電流數(shù)據(jù),其中,旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工過程中,加工電流值最大。表2分別為三種加工方法在不同加工時間段的加工孔入口直徑和孔深度。從表2可以看出,旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工在各時段入口直徑和加工深度均為最大。試驗過程中,僅有旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工過程中出現(xiàn)火花，其原因可能是在加工過程中陰極與孔中心的突起部分接觸所致。圖3為三種加工方法所加工的小孔在8倍體視顯微鏡下的放大圖，從圖中可以明顯看出,電解加工出的孔的圓度極差，而陰極旋轉(zhuǎn)提高了孔的圓度，陰極的高頻振動使得加工電流增大，工件陽極溶解速度增大，表現(xiàn)為孔的直徑和加工深度增大。

表1　材料參數(shù)

圖2　三種加工方法加工電流對比

加工方法入口直徑(mm)加工深度(mm)2min4min6min8min2min4min6min8min電解加工3.113.433.643.710.361.983.054.18旋轉(zhuǎn)電解加工3.333.423.573.630.711.953.034.26旋轉(zhuǎn)超聲電解加工3.583.553.653.830.922.023.214.39

(a)電解加工(b)旋轉(zhuǎn)電解加工

(c)旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工圖3　三種加工方法所加工的孔

2流場電場耦合分析

電解加工過程中,流場、電場相互影響,它們的參數(shù)分布又直接影響到電化學(xué)溶解速度場，并由此影響電解加工間隙的分布[11]。文獻(xiàn)[12-14]電解加工流場研究中,流場分析應(yīng)用于加工間隙的流場流線分布以及陰極的設(shè)計,未考慮陰極運(yùn)動對流場的影響,本文基于氣穴模型,建立了氣液兩相流模型,定性地分析了陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動對流場、電場的影響。

2.1陰極振動端面間隙分析

工具陰極做高頻超聲振動,如圖4所示,其高頻振動的位移方程為[15]

Z(t)=asin(ω t+φ)

(1)

ω=2πf

式中,Z為振動位移;a為振幅;ω為超聲圓周頻率;f為振動頻率;t為時間;φ為初相位。

工具在任意時刻的振動速度和加速度分別為

(2)

(3)

在電解加工中,陰極以恒定的速度vf向工件進(jìn)給。在超聲電解復(fù)合加工過程中,任意時刻工具的瞬時速度v(t)為

(4)

由式(4)可知,工具陰極的端面速度分別在cos(ωt+φ)=±1時取得最大值和最小值,分別為vmax=vf+aω,vmin=vf-aω。由此分析可知,速度正負(fù)交替變化比較大，從而產(chǎn)生壓力交替變化，有利于電解液的更新和電解產(chǎn)物的排出。

在超聲電解復(fù)合加工中，設(shè)初始端面加工間隙為Δ0,則任意時刻的端面加工間隙Δ(t)為

(5)

其中,va為工件溶解速度,依據(jù)法拉第定律[7]

va(t)=ηwi=ηwκ(U-δE)/Δ(t)

(6)

式中,U為陰陽極之間的電壓；δE為電解加工的陰陽極電極電位值總和;η為電流效率；κ為電解液導(dǎo)電率;w為體積電化當(dāng)量。

由式(5)、式(6)可知,端面間隙處于時刻變化當(dāng)中，端面間隙隨著振動一直處于大間隙—小間隙—大間隙周期更替當(dāng)中。加工過程不會出現(xiàn)電解加工中的平衡狀態(tài)。

2.2流體仿真模型

電解加工過程中，陰極析出氫氣，陽極發(fā)生電化學(xué)溶解，有時還有氧氣、氯氣或二氧化氮?dú)怏w析出，因此，加工間隙內(nèi)流場實(shí)際為氣、液、固三相流。為了考察陰極旋轉(zhuǎn)和陰極振動對流場參數(shù)以及氣體體積分布的影響，同時考慮電解產(chǎn)物所占的體積比較小，將加工間隙內(nèi)流場簡化為氣、液兩相流。CFX流場分析中采用氣穴模型,將電解液定義為純電解液和水蒸汽所組成的混合物，定性分析陰極旋轉(zhuǎn)、陰極超聲高頻振動對流場的影響，其中，電解液定義為連續(xù)流體，氣體定義為離散流體，氣穴模型中飽和壓力為3574 Pa。為提高網(wǎng)格質(zhì)量，縮短計算時間,取1/4流體模型進(jìn)行分析,幾何模型尺寸如圖5所示,三維模型如圖6所示，所選用的湍流模型為RNGk-ε模型，并作如下假設(shè)[12]：

圖5　三維模型尺寸

圖6　幾何模型

(1)關(guān)于兩相成分。氣泡在液相中分布均勻，各項同性，氣相、液相為不可壓縮；兩相間無質(zhì)量轉(zhuǎn)換，氣相狀態(tài)變化服從理想氣體狀態(tài)方程，在同一截面上氣相和液相的流速、溫度、壓力等參數(shù)分別相等，在分析過程中，不考慮氫氣的生成速率，統(tǒng)一按照不溶于水的氣體處理。

(2)關(guān)于平衡加工狀態(tài)。加工的平衡狀態(tài)下電解液與陰陽極間的交換熱也處于平衡狀態(tài)。旋轉(zhuǎn)超聲復(fù)合加工過程中，忽略陰極運(yùn)動狀態(tài)對電解液熱能的影響，工具陰極和工件陽極尺寸比較小，忽略電解液、陰極和工件之間的熱傳遞，各項參數(shù)不再是時間的函數(shù)而是位置的函數(shù)。

(3)仿真中不考慮重力、浮力的影響。電解液與水蒸氣的混合物滿足以下方程：

(7)

式中,αe為純電解液體積分?jǐn)?shù);αg為水蒸氣體積分?jǐn)?shù);ρm為混合電解液密度;ρe為純電解液密度;ρg為飽和蒸氣密度;μm為混合電解液動力黏度；μe為純電解液動力黏度；μg為水蒸氣動力黏度。

仿真過程是等溫過程，認(rèn)為電解液、水蒸氣的動力黏度為一常數(shù)。

(4)加工過程中,忽略除氣泡外的其他電解產(chǎn)物對電解液電導(dǎo)率的影響，不考慮電極極化、雙電層等因素,陰極、陽極均為等勢面,而統(tǒng)一將電壓設(shè)為U1、U2，忽略邊界效應(yīng)，認(rèn)為極間電場為近似的穩(wěn)恒電場[13-14],則模型內(nèi)電勢分布滿足三維Laplace方程：

(8)

式中,φ為電勢;x、y、z為模型內(nèi)點(diǎn)的坐標(biāo)。

流場仿真采用歐拉-歐拉多相流模型來求解，其混合電解液采用以下方程來描述[16-18]。

(1)混合模型連續(xù)性方程：

(9)

(2)混合模型的動量方程：

-p+[μm(vm)+

(10)

式中,F為體積力;p為電解液壓力。

(3)氣相體積分?jǐn)?shù)方程：

(11)

2.3邊界條件設(shè)置

有限元模型包括流體域和兩個實(shí)體域。流體域主要施加流體入口、出口等邊界條件，而工具模型、工件模型為實(shí)體模型，主要用于施加陰極旋轉(zhuǎn)、振動、加工電壓等邊界條件。流體域和實(shí)體域增加Electromagnetic Model模型，并設(shè)置電壓邊界條件。各模型之間存在重合面，需對這些面進(jìn)行域交界面設(shè)置。陰極旋轉(zhuǎn)的方向采用右手法則來判定，陰極振動采用動網(wǎng)格技術(shù)[19],壁面的運(yùn)動方程為式(1),為了簡化模型，設(shè)相位角為零，其他材料參數(shù)及邊界條件如表3所示[20]。

表3　初始邊界條件

2.4流體仿真結(jié)果分析

根據(jù)試驗結(jié)果，分別進(jìn)行了陰極轉(zhuǎn)速和振幅分別為0、0(條件1)，1200 r/min、0(條件2)和0、50 μm(條件3)的流場電場仿真。仿真結(jié)果如圖7~圖9所示。電解加工過程中，電解液電導(dǎo)率與氣泡體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系為[21]

κ(x,y,z)=κ0[1-β(x,y,z)]n

(12)

式中,κ(x,y,z)為流場內(nèi)點(diǎn)(x,y,z)的電導(dǎo)率;κ0為初始電導(dǎo)率;β(x,y,z)為流場內(nèi)點(diǎn)(x,y,z)的氣體體積分?jǐn)?shù)；n為氣體體積分?jǐn)?shù)對電導(dǎo)率的影響指數(shù)，通常取n=1.5[11]。

但CFX后處理中不具備對每個節(jié)點(diǎn)位置提取仿真結(jié)果的信息處理函數(shù)，只能對每個節(jié)點(diǎn)的氣體體積分?jǐn)?shù)以CSV格式文件(類似于Excel文件)輸出，仿真結(jié)果以氣體體積分?jǐn)?shù)為研究對象，利用式(12)來表達(dá)電解液電導(dǎo)率的變化情況。

(a)條件1　　 (b)條件2(c)條件3圖7　孔截面氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖8　端面間隙內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)

(a)條件1　　　(b)條件2(c)條件3圖9　孔截面電流密度分布云圖

圖7為孔截面氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖，從圖中可以看出，陰極旋轉(zhuǎn)不僅沒能加速電解液內(nèi)氣泡的排出，反而使氣泡在陰極表面聚集,結(jié)合式(12)可以得出氣泡聚集使電解液電導(dǎo)率下降，加工速度降低，而陰極高頻振動迫使電解液隨陰極上下波動，加速了氣泡的排出，使得電解液內(nèi)氣泡含量大大減少，提高了陽極溶解速度。在加工間隙點(diǎn)(0.8 mm,0mm,0mm)沿Z軸的正方向取一垂直線,與陰極端面相交于點(diǎn)(0.8 mm,0 mm,0.2 mm),提取該直線上氣體體積分?jǐn)?shù),如圖8所示。從圖8可以看出,氣泡隨陰極旋轉(zhuǎn)、高頻振動離開工件表面，使得在端面間隙內(nèi)的氣泡含量增多。圖9為陰極處于平衡位置時孔截面電流密度分布云圖。陰極旋轉(zhuǎn)使得孔壁面的電流密度減小，而陰極振動使得孔壁面電流密度增大，結(jié)合氣體體積分?jǐn)?shù)的分布云圖和試驗結(jié)果，得出以下結(jié)論：陰極旋轉(zhuǎn)使得氣泡在孔底部聚集，使得電解液電導(dǎo)率下降，加工電流值變小，陽極溶解速度變小，而陰極振動有利于電解液排出，使得電解液內(nèi)氣泡含量減小，電解液電導(dǎo)率增大，加工電流值增大，陽極溶解速度增大，因此，在相同加工參數(shù)條件下，旋轉(zhuǎn)電解復(fù)合加工的小孔入口直徑要大于旋轉(zhuǎn)電解加工的小孔的入口直徑。

3結(jié)語

本文針對小孔電解加工所存在的問題，構(gòu)建了內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工裝置，對內(nèi)噴式旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工原理進(jìn)行了介紹。在此基礎(chǔ)上，開展了電解加工、旋轉(zhuǎn)電解加工和旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工對比試驗。試驗結(jié)果表明，三種加工方法中，旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工具有最大的平均加工電流，所加工的孔的入口直徑、深度也是最大的，故可以推斷，三種加工方法中，旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工具有最大的材料去除率。為分析旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工的加工機(jī)理，建立了氣液兩相流氣穴模型，分別進(jìn)行了陰極靜止、陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動的流場、電場仿真。仿真結(jié)果表明，陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動都有利于氣泡離開陽極表面，但陰極旋轉(zhuǎn)使得氣泡在陰極表面附近聚集，電解液電導(dǎo)率下降、加工電流值變小、陽極溶解速度變小，而陰極振動有利于電解液排出，使得電解液內(nèi)氣泡含量減小、電解液電導(dǎo)率增大、加工電流值增大、陽極溶解速度增大，因而，旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工具有更高的材料去除率。

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(編輯王艷麗)

Flour Field Simulation of Small Holes Machined by the RUECM

Liu Zexiang1Kang Min2Li Shusheng1

1.Taizhou Polytechnic College,Taizhou,Jiangsu,225300 2.Nanjing Agricultural University,Nanjing,210031

Abstract:In order to solve the difficulties to update the electrolyte and discharge the products in the electrochemical machining(ECM) for deep-small holes, the internal rotary ultrasonic electrolytic composite machining device was constructed,and the comparative experiments of ECM,rotary electrochemical machining(RECM) and RUECM were carried out.The results show that the roundness of holes is improved by the rotation of cathode and the average current is the largest in the RUECM,thus the diameter and the depth of the holes machined by RUECM are the largest, which indicates that the material removal rate (MRR) is the greatest, too. Based on those, the effects of the rotation and vibration of cathode on the flow field and electric field were analyzed by ANSYS CFX with the three-dimensional two-phase flow cavitation model. The simulation results show that when cathode rotates,the air bubbles are gathered on the cathode surfaced,which is not conducive to the discharge of air bubbles; when cathode vibrates,the motion of electrolyte is accelerated,which is conducive to the discharge of air bubbles, therefore,it has the greatest MRR in RUECM,which provides a basis for future researches.

Key words:rotary combined ultrasonic and electrochemical machining(RUECM);small holes;finite element simulation; flow field

作者簡介：劉澤祥,男,1983年生。泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)分院講師、博士。主要研究方向為CAD/CAM在特種加工中的應(yīng)用。獲實(shí)用新型專利1項。發(fā)表論文9篇。康敏，男,1965年生。南京農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。李曙生，男，1972年生。泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電技術(shù)分院院長、教授。

中圖分類號：TG662

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.06.008

收稿日期：2015-03-11