拉式順流膛線陰極電解加工間隙流場分析*

余　涵，范植堅，范慶明，鄭雄偉（西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，西安710021）

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拉式順流膛線陰極電解加工間隙流場分析*

余涵，范植堅，范慶明，鄭雄偉
（西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，西安710021）

摘 要：針對傳統(tǒng)膛線陰極電解加工時加工間隙流場發(fā)散、電解液逆流使電解機床主軸受力大以及陰極工作齒嚴重燒傷時整體陰極報廢等問題，設(shè)計了一種電解液在陰極內(nèi)部換向、加工間隙順流、可更換工作齒的大口徑深混合膛線拉式陰極結(jié)構(gòu)，采用多物理場仿真軟件COMSOL對加工間隙流場進行仿真.結(jié)果表明拉式順流陰極流場分布優(yōu)于傳統(tǒng)拉式正流陰極.在確定拉式順流陰極結(jié)構(gòu)的前提下，陰極圓錐盤角度為100°、斜小孔傾斜50°、回液小孔孔徑為2 mm時電解液壓力損失最小，最有利于電解產(chǎn)物的排除，電解液排除順暢.

關(guān)鍵詞：膛線陰極；電解加工；流場；電解液

自20世紀50年代電解加工用于膛線加工，僅用一個陰極，從彈膛到炮口一次成型.至今，膛線電解加工陰極已形成拉式正流、拉式倒流和推式陰極三種結(jié)構(gòu)［1］，拉式正流陰極結(jié)構(gòu)簡單，但因電解液從陰極小端流向大端，流場發(fā)散，電解液流向與陰極運動方向相反，機床主軸受力大；拉式倒流陰極在陰極尾部接管子進電解液，經(jīng)陰極工作齒大端噴入加工區(qū)，解決了流場發(fā)散、機床主軸受力問題，但每加工一根炮管，需拆裝陰極尾部的管子一次；推式陰極以其后引導(dǎo)與加工好的零件孔定位，工作齒大小端調(diào)頭，可解決流場發(fā)散，機床受力問題，但后引導(dǎo)與零件孔的配合公差小，加工溫升引起后引導(dǎo)絕緣材料熱膨脹，推桿變形，只適用于短花鍵加工.

膛線電解加工和電解加工間隙流場的研究一直是國內(nèi)外研究的熱點.文獻［2］對電解加工原理和特點進行了分析，闡述了電解加工的基本工藝規(guī)律，文獻［3-5］基于COMSOL對電解加工間隙流場的仿真均作了深入的研究.關(guān)于膛線陰極結(jié)構(gòu)整體設(shè)計和流場分析，均沒有檢索到類似結(jié)構(gòu)和控制方法的相關(guān)文獻.為解決電解機床主軸受力大、傳統(tǒng)膛線陰極電解加工的加工間隙流場呈發(fā)散形、陰極工作齒燒傷整個陰極報廢等問題，文中設(shè)計換向順流、可更換工作齒的大口徑深混合膛線復(fù)式陰極結(jié)構(gòu)，通過仿真對所設(shè)計的陰極與傳統(tǒng)拉式逆流陰極間隙流場進行比較.

1　陰極結(jié)構(gòu)的設(shè)計

傳統(tǒng)拉式正流膛線陰極采用陰極前引導(dǎo)定位，電解液從拉桿進，沿陰極工作齒小端的小孔噴出至加工間隙，從大端后引導(dǎo)表面流出，如圖1所示.從電解液流向與陰極運動方向看，拉式正流也可稱為拉式逆流.

為改變加工間隙流場發(fā)散、電解液流方向與拉桿運動方向相逆，將陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計成能使從拉桿進入陰極的電解液在陰極內(nèi)部換向后從工作齒大端流入加工間隙到小端，再流入陰極體從尾部流出，通過炮管進入機床尾座的回流管，流回電解液池，不須對零件和陰極反復(fù)裝卸.陰極體底部設(shè)計有帶一定角度園錐盤的后堵頭，從拉桿進陰極的電解液流到后堵頭底部的圓錐時，轉(zhuǎn)向分奔進入后引導(dǎo)的32個斜小孔，斜小孔的出口即為工作齒的大端，電解液從工作齒大端流向小端，在加工間隙形成收斂型流場，加工穩(wěn)定性好.采用三維建模軟件UG完成對陰極各部分零件建模，經(jīng)分析、計算確定組成陰極的各零件形狀、尺寸，對陰極各零件進行裝配，完成拉式順流陰極膛線陰極結(jié)構(gòu)設(shè)計.陰極整體結(jié)構(gòu)三維模型如圖2所示.

圖1　傳統(tǒng)拉式逆流陰極Fig.1 The traditional pull upstream cathode

圖2　拉式順流陰極Fig.2 The pull downstream cathode

解決因工作齒嚴重燒傷導(dǎo)致整個陰極報廢的構(gòu)思是將工作齒做成套筒式，為保證更換新工作齒時前引導(dǎo)、后引導(dǎo)的過液小孔與工作齒的齒條位置對準，保證工作齒與后引導(dǎo)的內(nèi)嵌換液小孔對準，設(shè)計的可換工作齒、前引導(dǎo)及后引導(dǎo)與陰極體的連接均采用錐、鍵配合，用螺母鎖緊.這樣，若工作齒嚴重燒傷，卸開前引導(dǎo)即可更換工作齒.

2　加工間隙模型的建立

工件加工過程如圖3所示，間隙流場模型為加工時陰極和工件中充滿電解液的部分.工件保持不動，陰極由拉桿牽引軸向進給時，工作齒的前段大部分只起到粗加工的作用，直到工作齒大端通過后才形成最后的槽型.

圖3　加工示意圖Fig.3 Machining diagram

2.1 陰極流場三維建模

在三維建模軟件UG平臺下運用求差得到間隙流場模型，如圖4所示.

圖4　間隙流場幾何模型Fig.4 Gap flow field of geometric model

2.2 間隙流場數(shù)學(xué)模型

取進口速度為15 m·s—1，出口壓力為大氣壓力，電解液溫度為35°С時，電解液的流體的平均流速V為15 m·s—1，運動黏性系數(shù)υ為1.01× 10—6m2·s—1，動力黏度系數(shù)μ為1×10—3Pa·s，流場內(nèi)流動液體的密度ρ為1 100 kg·m—3，其中水力直徑Dh=d=3×10—2m，d為管道入口內(nèi)徑.

雷諾數(shù)為

經(jīng)計算可得雷諾數(shù)Re大于2 300，故選用湍流模型.

根據(jù)不可壓縮流體Navier-Stokes矢量方程［6］為

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為動力黏度；g為重力加速度；▽為梯度算子；▽2為拉普拉斯算子；▽· V為體積膨脹率.

當流動為不可壓，且不考慮用戶自定義的源項時，Gk=0；用戶自定義變量Sk=0，Sε=0，這時，標準k-?兩方程模型［7-8］為

式中：μi為湍動黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍動k的產(chǎn)生項；ui，uj均為速度；xi，xj均為梯度方向；K，CC1，CC2，Cμ，σε，σk圴為模型常數(shù)；ε為湍動耗散率，常數(shù)項取值見表1.

表1　常數(shù)項取值Tab.1 The constant value

3　流場仿真分析

將模型導(dǎo)入多物理場仿真軟件COMSOL中進行數(shù)值分析，根據(jù)仿真結(jié)果確定流場分布較好的陰極，速度云圖如圖5所示，壓力云圖如圖6所示.

陰極速度云圖表明，拉式順流陰極電解液在工作齒從大端流速較低，流速為4.05 m·s—1，回液孔附近區(qū)域（即工作齒小端）速度變高，流速為6.363 6 m·s—1，從結(jié)果中不難發(fā)現(xiàn)，電解流速在工作齒大端最高，越靠近工作齒小端流速越低，在工作齒小端時降至最低，表明流場呈收斂型；而傳統(tǒng)拉式逆流陰極電解液在工作齒從小端流速較高，流速為4.843 m·s—1，而在后引導(dǎo)區(qū)域流速僅為3.459 3 m·s—1，與拉式順流陰極相反，電解液在工作齒小端流速最高，越靠近工作齒大端流速越低，在后引導(dǎo)處流速最低，說明流場從工作齒小端流向大端區(qū)域流速變低，流場呈發(fā)散型.

陰極壓力云圖表明，拉式順流陰極在工作齒區(qū)域流場壓力較高，壓力值為5.355 7×105Pa，壓力區(qū)域分布均勻，在整個工作齒加工區(qū)域壓力沒有明顯下降，有利于加工.而傳統(tǒng)拉式逆流陰極在此區(qū)域壓力較低，壓力值為1.370 6×105Pa，在整個工作齒加工區(qū)域壓力雖分布均勻，沒有明顯壓力下降，但電解液壓力低，不利于加工時及時帶走電解產(chǎn)物，綜合分析比較速度、壓力云圖，可以確定，本文提出的拉式順流陰極流場分布優(yōu)于傳統(tǒng)拉式正流陰極.

4　拉式順流陰極的優(yōu)化

為進一步優(yōu)化拉式順流陰極的結(jié)構(gòu)，改變后堵頭圓錐盤的角度、斜小孔傾斜的角度及回液孔孔徑大小，進行建模仿真.

4.1后堵頭圓錐盤優(yōu)化

陰極內(nèi)部帶有一定角度園錐盤的后堵頭，從拉桿進陰極的電解液流到后堵頭底部的圓錐時，轉(zhuǎn)向分奔進入后引導(dǎo)的32個斜小孔，與工作齒的32個泄流孔接壤，便于電解液從這些泄流孔及時排出，電解產(chǎn)物隨之排出陰極與工件之間的加工間隙.為使電解液從拉桿進入陰極經(jīng)圓錐盤反射能最大程度進入斜小孔，從而使從斜小孔噴出的電解液充足飽滿，當斜小孔的分布與后堵頭圓錐面垂直時，電解液經(jīng)反射后主流將最大程度的進入斜小孔，因此，后堵頭圓錐面與后引導(dǎo)的斜孔存在對應(yīng)關(guān)系，假定斜小孔與水平方向的夾角為60°，擬改變圓錐面角度為80°，100°，120°，140°，建模并導(dǎo)入COMSOL進行仿真.

將各個流場模型導(dǎo)入COMSOL軟件進行仿真，仿真結(jié)果如圖7～8所示，基于仿真結(jié)果的分析對比，選擇最佳圓錐盤角度.

仿真表明，當圓錐面為120°時，電解液從拉桿進入陰極體內(nèi)經(jīng)圓錐盤反射后進入斜小孔電解液壓力損失最小，同等壓力值時區(qū)域面積較大，表明當斜小孔的分布與后堵頭圓錐面垂直時，電解液經(jīng)反射后主流將最大程度的進入斜小孔.

圖5　間隙流場速度云圖（m·s—1）Fig.5 Velocity of the gap flow field（m·s—1）

圖6　間隙流場壓力云圖（Pa）Fig.6 Pressure of the gap flow field（Pa）

圖7　間隙流場壓力云圖（Pa）Fig.7 Pressure of the gap flow field（Pa）

圖8　間隙流場剖面壓力放大云圖（Pa）Fig.8 Enlarged pressure diagram of the gap flow field（Pa）

4.2陰極斜小孔優(yōu)化

斜小孔的出口即為工作齒大端，在斜小孔里的電解液流速將影響工作齒表面電解液流量及流速，為使電解液在工作齒表面電解液充足，流速高，及時帶走電解產(chǎn)物，擬改變斜小孔傾斜的角度，使斜小孔傾斜分別為80°，70°，60°，50°，建模并導(dǎo)入COMSOL進行仿真，仿真結(jié)果如圖9～10所示.

速度云圖表明，斜小孔分別傾斜80°，70°，60°，50°時，電解液在斜小孔中流速高的區(qū)域越來越集中，斜小孔電解液流速越來越大，流速最大值基本相同，其中斜小孔傾斜50°時流速為11.636 m· s—1區(qū)域最大，使得電解液在工作齒表面電解液充足，流速高，能及時帶走電解產(chǎn)物，流場特性好，對電解產(chǎn)物的排除最有利.

根據(jù)仿真結(jié)果可知，斜小孔傾斜50°時斜小孔內(nèi)電解液充足，從而奔向工作齒間隙的電解液飽滿，并且流速高的區(qū)域較大，流速沒有明顯下降，有利于膛線最后槽型的形成，另一方面，斜小孔傾斜50°時電解液流速區(qū)域大，在工作齒間隙有利于電解液及時帶走電解殘余和更新電解液.

圖9　間隙流場速度云圖（m·s—1）Fig.9 Velocity of the gap flow field（m·s—1）

圖10　間隙流場速度放大云圖（m·s—1）Fig.10 Enlarged velocity diagram of the gap flow field（m·s—1）

4.3 回液小孔優(yōu)化

從小端流回陰極的電解液沿內(nèi)嵌于陰極內(nèi)工作齒和后引導(dǎo)的小孔從陰極尾部流入炮管，再進入機床尾座的回流管，進液小孔比回流小孔大是為了保證電解液充滿整個加工區(qū)，但回液小孔過小將會引起電解產(chǎn)物滯留加工區(qū)，影響電解液在工作齒表面的流速，進而影響由此帶來的膛線成形的精度、形狀及蝕除速度等問題，設(shè)回流小孔的孔徑為1.5 mm，2 mm，2.5 mm，建立流場模型并導(dǎo)入COMSOL進行仿真.

將各個流場模型導(dǎo)入COMSOL軟件進行仿真，仿真結(jié)果如圖11所示，基于仿真結(jié)果的分析對比，選擇最佳回液小孔孔徑大小.

當回流小孔孔徑為1.5 mm時，其工作齒表面的流速大概是5.213 6 m·s—1，當回流小孔孔徑為2 mm時，流速大概是4.0 m·s—1，當回流小孔孔徑為2.5 mm時，流速大概是4.114 3 m·s—1，這說明當回流小孔孔徑大于2 mm時電解液流速變化不大，為使電解液排出順暢，電解液在工作齒表面充足，小孔孔徑應(yīng)為2 mm.

圖11　間隙流場沿工作齒剖面速度云圖（m·s—1）Fig.11 Velocity of the gap flow field along the working tooth（m·s—1）

5　結(jié)論

1）通過對本文提出的拉式順流陰極與傳統(tǒng)拉式逆流陰極進行COMSOL流場仿真分析，結(jié)果表明本文提出的拉式順流陰極優(yōu)于傳統(tǒng)的拉式逆流陰極.

2）在確定拉式順流陰極優(yōu)于傳統(tǒng)拉式逆流陰極的前提下，對陰極結(jié)構(gòu)中的錐面、斜小孔與回液小孔進行優(yōu)化，確定了圓錐盤角度為100°、斜小孔傾斜50°及回液小孔孔徑為2 mm時電解液壓力損失最小，最有利于電解產(chǎn)物的排除，最小速度時電解液排除順暢.

關(guān)于本陰極結(jié)構(gòu)對機床受力的影響，仿真分析的結(jié)果將另撰文闡述.

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（責任編輯、校對 張 超）

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Simulation of FloW Field in Gap of Electrochemical Machining by Rifle Cathode of Pull Type With the Stream

YU Han，F(xiàn)AN Zhijian，F(xiàn)AN Qingming，ZHENG Xiongwei
（School of Mechatronic Engineering，Xi’an Technological University，Xi’an 710021，China）

Abstract：Aiming at the situation of push force of ECM tool spindle because of the spred and inversion of gap flow field，and the scraped cathode because of burned working tooth in traditional electrolytic cathode rifling，a new cathode structure of large diameter，deep and mixing composite rife is designed，by which the electrolyte stream reverses inside，the gap is downsteam and the working tooth is replaceable. The simulation of flow field in the gap by the COMSOL shows that the pull downstream cathode is better than the traditional rifling cathode.Based upon this pull downstream cathode，the electrolyte pressure loss is less and the exclusion of the electrolytic products smoothly while the cathode is with the parameters of cone angle of 100°，the inclination of inclined hole of 50°and the return liquid hole diameter of 2 mm.

Key Words：cathode rifling；electrolytic machining；flow field；electrolyte

通訊作者：范植堅（1943—），女，西安工業(yè)大學(xué)教授，主要研究方向為特種加工.E-mail：zhijian_fan＠163.com.

作者簡介：余 涵（1989—），男，西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生.

基金資助：陜西省教育廳重點實驗室科研計劃項目（15JS042）

*收稿日期：2015-09-29

DOI：10.16185／j.jxatu.edu.cn.2016.02.003

文獻標志碼：中圖號： TG662 A

文章編號：1673-9965（2016）02-0101-07