電化學(xué)放電加工高速旋轉(zhuǎn)電極的流固耦合分析

李君 黃紹服 孫倫業(yè) 劉勇

摘要：電化學(xué)放電加工（Electrochemieal Discharge Machining，ECDM）為近年來較受關(guān)注的非傳統(tǒng)制造技術(shù)之一，既可以加工非金屬材料，也可以加工金屬材料。以有限元軟件對工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工加工狀態(tài)進(jìn)行了仿真分析，研究了工具電極旋轉(zhuǎn)速度及工具電極與微小孔之間的偏心程度對工具電極變形及工具電極應(yīng)力的影響。計(jì)算結(jié)果表明，隨著工具電極旋轉(zhuǎn)速度增加，工具電極最大變形及工具電極最大應(yīng)力增加；隨著工具電極與微小孔偏心量的增加，工具電極最大變形及工具電極最大應(yīng)力增加。

關(guān)鍵詞：液固耦合；工具電極高速旋轉(zhuǎn)；電化學(xué)放電加工

電化學(xué)放電加工（E1ectrochemical DischargeMachining，EcDM）為近年來較受關(guān)注的非傳統(tǒng)制造技術(shù)之一，既可以加工非金屬材料，也可以加工金屬材料。使用高速旋轉(zhuǎn)的工具電極進(jìn)行電化學(xué)放電微孔加工，有利于加工產(chǎn)物從微小的加工間隙內(nèi)排出。在工具電極高速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行電化學(xué)放電加工微小孔的過程中，工具電極由于復(fù)雜的受力狀況，可以視為一個(gè)極其復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)。由于工具電極的旋轉(zhuǎn)作用，加工微小孔時(shí)，微小孔內(nèi)充滿了具有一定粘度的工作介質(zhì)，旋轉(zhuǎn)向下運(yùn)動(dòng)的工具電極使微小孔內(nèi)的工作介質(zhì)受到動(dòng)壓力，并反作用于高速旋轉(zhuǎn)的工件電極上，從而影響工具電極的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。同時(shí)，在微小孔加工過程中，工具電極可能處于偏心工作狀態(tài)，此時(shí)，微小孔內(nèi)的工作介質(zhì)對工具電極的作用力大小和方向都會(huì)發(fā)生改變，工具電極的工作狀態(tài)反過來又會(huì)影響加工間隙內(nèi)的流場狀態(tài)，從而對加工過程產(chǎn)生影響。由于微小孔電化學(xué)放電加工的特殊性，無法直接使用各種測量設(shè)備對加工間隙內(nèi)的狀況進(jìn)行測量；另外，由于電化學(xué)放電加工機(jī)理的復(fù)雜性，無法求得加工過的解析解，目前的情況下，只能使用模擬仿真的方法，定性的進(jìn)行分析。

以前受到條件的限制，一般只進(jìn)行基于單獨(dú)的流場分析或者是基于結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，這樣的分析過程不能反應(yīng)多物理場綜合作用的效果，以及各物理場之間的相互影響狀況，仿真分析的結(jié)果具有一定的局限性。隨著計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的發(fā)展，多物理場耦合計(jì)算理論的進(jìn)一步完善，針對多物理場耦合問題的計(jì)算成為可能。流固耦合分析在其他工程問題有不少的研究成果，但在微細(xì)電化學(xué)放電高速旋轉(zhuǎn)工具電極應(yīng)用方面卻鮮有文獻(xiàn)報(bào)道。本文對高速旋轉(zhuǎn)的工具電極流固耦合系統(tǒng)的動(dòng)力特性進(jìn)行數(shù)值分析，分析工具電極旋轉(zhuǎn)速度、工具電極偏心度及微孔深度對加工過程的影響。

1.計(jì)算模型

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

因?yàn)閷?shí)際的加工過程很復(fù)雜，難以用理論方法進(jìn)行全面分析，因此對加工過程進(jìn)行合理的模型簡化是非常必要的。通過簡化分析，定性的認(rèn)識工具電極旋轉(zhuǎn)時(shí)微小孔內(nèi)流固耦合特性。本文的幾何模型包含微小孔和工具電極兩部分，工具電極直徑為400μm，當(dāng)工具電極與微小孔同心時(shí)，取微小孔直徑為450μm，側(cè)壁加工間隙20μm，端面加工間隙25μm，孔深度為2000μm；當(dāng)工具電極與微小孔偏心時(shí)，偏心距e取值為10微米和40微米進(jìn)行計(jì)算，最小側(cè)壁間隙為20μm，端面加工件25μm，微小孔深度為2000μm，如圖1所示。圖2a所示為加工的幾何模型；圖2b為工具電極網(wǎng)格；圖2c為流體域網(wǎng)格劃分；圖2d為流體域網(wǎng)格局部放大圖。流體域網(wǎng)格以四面體單元為主，合理的選用結(jié)構(gòu)化六面體單元、楔體單元或者錐體單元，對微孔內(nèi)壁圓柱面設(shè)置膨脹層，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。

1.2計(jì)算方法

單向流固耦合分析是指耦合交界面處的數(shù)據(jù)傳遞是單向的，一般是把CFD分析計(jì)算的記過（如力、溫度和對流載荷）傳遞給固體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，但沒有把固體結(jié)構(gòu)分析結(jié)果傳遞給流體分析過程，只有流體分析對固體結(jié)構(gòu)分析有影響，而結(jié)構(gòu)分析的變形等結(jié)果非常小，以至于對流體分析的影響可以忽略不計(jì)本文分析的高速旋轉(zhuǎn)的工具電極在工作中受到流體介質(zhì)和離心力的影響，會(huì)導(dǎo)致工具電極發(fā)生變形，未考慮變形的工具電極反過來影響加工間隙中的流場，因此選用單向流固耦合分析。

2計(jì)算結(jié)果與分析

2.1工具電極旋轉(zhuǎn)速度與工具電極最大變形的關(guān)系

由圖3～圖5可知，工具電極最大變形發(fā)生在電極端部，夾持部分變形最小。從圖6可知，當(dāng)工具電極旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，工具電極最大變形量增加；隨著工具電極與微小孔之間的偏心量增加，工具電極的最大變形量增加；當(dāng)工具電極與微小孔之間同心時(shí)，工具電極的最大變形量非常小，接近于零；當(dāng)工具電極與微小孔之間偏心量較小而且工具旋轉(zhuǎn)速度相對較低時(shí)，工具電極的最大變形量也相對非常小，但旋轉(zhuǎn)速度較大時(shí)，工具電極最大變形量增加。

2.2旋轉(zhuǎn)速度與工具電極應(yīng)力的關(guān)系

由圖7～圖9可知，工具電極最大應(yīng)力發(fā)生在電極夾持部分，電極端部應(yīng)力形最小。從圖10可知，當(dāng)工具電極旋轉(zhuǎn)速度增加時(shí)，工具電極最大應(yīng)力增加；隨著工具電極與微小孔之間的偏心量增加，工具電極的最大應(yīng)力增加；當(dāng)工具電極與微小孔之間同心時(shí)，工具電極受到的最大應(yīng)力非常小，接近于零；當(dāng)工具電極與微小孔之間偏心量較小時(shí)，工具電極的最大變形量也非常小，但總體呈現(xiàn)隨著工具電極旋轉(zhuǎn)速度的增加而增加。

2.3結(jié)果分析

進(jìn)行電化學(xué)放電加工微小孔時(shí)，由于工具電極旋轉(zhuǎn)作用，加工間隙內(nèi)的工作液也隨著工具電極旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，由于離心力的作用被甩向微小孔內(nèi)壁的四周，可以認(rèn)為是隨工具電極一起旋轉(zhuǎn)的近似圓柱式的液體層，該液體層對微小孔內(nèi)壁產(chǎn)生一定的作用力，對工具電極的受力狀況及運(yùn)動(dòng)形式會(huì)產(chǎn)生影響。電化學(xué)放電過程中，工具電極可能會(huì)處于偏心狀態(tài)下工作，隨著偏心量的增加，作用在工具電極上的彎曲力會(huì)增加，因此導(dǎo)致工具電極最大變形和最大應(yīng)力的增加。

3結(jié)論

1）由液固耦合計(jì)算可知，隨著工具電極旋轉(zhuǎn)速度增加，工具電極的最大變形量和最大應(yīng)力增加。

2）隨著工具電極與微小孔之間的偏心量增加，工具電極的最大變形量和最大應(yīng)力增加。

3）工具電極最大變形出現(xiàn)在電極端部；最大應(yīng)力發(fā)生在電極夾持部位。