自導(dǎo)向彎孔加工流場的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究*

鄭璐鈞，祝錫晶，賴尚丁

(1.中北大學(xué) a.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；b.山西省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原　030051；2.寧波大紅鷹學(xué)院，浙江 寧波　315175)

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自導(dǎo)向彎孔加工流場的數(shù)值模擬及試驗(yàn)研究*

鄭璐鈞1a,1b，祝錫晶1a,1b，賴尚丁2

(1.中北大學(xué) a.機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；b.山西省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,太原030051；2.寧波大紅鷹學(xué)院，浙江 寧波315175)

摘要：隨形冷卻通道可有效降低模具的溫度、提高產(chǎn)品質(zhì)量，隨形冷卻通道由多段彎孔構(gòu)成，基于電解加工原理提出自導(dǎo)向彎孔的加工方法。在分析彎孔的電解加工過程陰極流場的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了四種電極出液口形式，并分別以電解液的流道為物理模型，建立了數(shù)值模擬時(shí)所需的數(shù)值模型。由電解加工過程中電解液運(yùn)動(dòng)為湍流狀態(tài)，確定采用RNG k-ε模型對(duì)穩(wěn)態(tài)加工是電解液流道進(jìn)行了數(shù)值模擬，選擇了流線情況較好的出液口形式，并且對(duì)出液口形狀進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，為隨形冷卻通道的加工提供了可靠的技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：隨形冷卻通道；彎孔加工；流場；數(shù)值模擬；試驗(yàn)研究

0引言

高溫高壓條件下，金屬液壓入壓鑄模后，模具溫度會(huì)急劇上升，會(huì)產(chǎn)生粘模拉傷及粘鋁等現(xiàn)象，因此需要對(duì)模具進(jìn)行有效地冷卻，冷卻階段是成型的關(guān)鍵階段。縮短鑄件的冷卻時(shí)間，不僅可提高鑄件的質(zhì)量，而且提高生產(chǎn)效率[1]。

控制模具溫度的常用方法是在模具中加工出冷卻通道并且使循環(huán)冷卻劑通過通道，從而帶走熱量[2]。然而，傳統(tǒng)的線性冷卻通道和模腔表面之間的距離是不一樣的，就會(huì)導(dǎo)致不均勻冷卻。實(shí)際應(yīng)用中如果進(jìn)一步提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率，則對(duì)冷卻通道提出了更高的要求：沿模腔形狀從表面保持一定的距離，稱其為隨形冷卻通道。隨形冷卻通道必須是由許多彎曲孔構(gòu)成[2]，對(duì)自導(dǎo)向的彎孔加工技術(shù)的研究，至今尚處于摸索階段，彎孔加工技術(shù)還不成熟。本項(xiàng)目所研究的自導(dǎo)向加工技術(shù)，是以電解加工原理為理論基礎(chǔ)，開發(fā)出一套加工彎孔的樣機(jī)，而作為電解加工的重點(diǎn)——電極結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是本文所研究的內(nèi)容。

1自導(dǎo)向彎孔加工技術(shù)

1.1彎孔加工的研究現(xiàn)狀

上世紀(jì)80年代以來,就有人致力于彎孔加工技術(shù)的研究。大部分都是基于電火花放電蝕除原理，從而設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)不同的加工裝置。

1989年日本東京大學(xué)的M.Fukui和N.Kinoshita開發(fā)出了一種外拉線式曲線孔電火花加工方法[3]。之后各國學(xué)者利用處于壓縮狀態(tài)的彈簧以不同的曲率彎曲伸長驅(qū)動(dòng)電極[4]、使用柔性電極頭加工方法[5]的方式加工彎孔。2001年石油大學(xué)的劉永紅仿照蚯蚓的蠕動(dòng)和撓曲原理研制出了曲線孔仿生電火花加工機(jī)器人[6]。2005年武漢江漢大學(xué)徐盛林教授研究探討了一種使用線框電極的電火花套料加工的新工藝[7]。與國外相比，我國的彎孔加工技術(shù)尚處于起步階段。

用于加工彎孔的方法還有快速原型法，加工的原理即通過激光選擇性融化金屬粉末或合金粉末后一層層地加工成型，但是，這種加工方法的成本過高、產(chǎn)品生產(chǎn)周期較長并且使用壽命較短[2]。

1.2自導(dǎo)向彎孔加工技術(shù)原理

自導(dǎo)向的彎孔加工裝置的設(shè)計(jì)靈感，來自于傳統(tǒng)的電解加工裝置。首先介紹彎曲孔加工的自導(dǎo)向原理：

加工彎孔前，預(yù)先在所需位置先加工一導(dǎo)向孔，然后再加工彎曲孔(以加工長方孔為例，也可以做成其他形狀的電極，用以加工異型孔)。

當(dāng)左右兩根移動(dòng)控制條和左右兩根電極轉(zhuǎn)動(dòng)控制塊(絕緣體)同步前進(jìn)時(shí)，電極直線前進(jìn)，接近待加工面時(shí)，電極和工件與電源相連，電解液從電極中間進(jìn)入，從兩側(cè)流出，電解加工開始。若要加工直孔，左右兩根電極移動(dòng)控制條和左右兩根電極轉(zhuǎn)動(dòng)控制塊同步前進(jìn)。若要使孔向右轉(zhuǎn)時(shí)，則需右側(cè)移動(dòng)控制條右側(cè)移動(dòng)控制塊停止前進(jìn)，左側(cè)電極移動(dòng)控制條和左側(cè)移動(dòng)控制塊前進(jìn)，當(dāng)左側(cè)加工出所需的彎曲弧面時(shí)，則左側(cè)電極移動(dòng)控制條和左側(cè)電極轉(zhuǎn)動(dòng)控制塊停止前進(jìn)，右側(cè)電極移動(dòng)控制條和右側(cè)電極轉(zhuǎn)動(dòng)控制塊前進(jìn)，當(dāng)右側(cè)加工出所需的彎曲弧面后，重復(fù)右側(cè)停止、左側(cè)前進(jìn)、右側(cè)前進(jìn)、左側(cè)停止，即可使孔往右彎。反之，可以使孔往左彎(如圖1)。

圖1　加工原理圖

電極控制條和控制塊只能左右彎曲不能前后彎曲。工件上的待加工面為電極底面和左右二側(cè)面。

2自導(dǎo)向彎孔加工電極三維流場數(shù)值模擬

作為陰極設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)——流場設(shè)計(jì)得合理與否，決定著電解加工是否得以成功。在加工過程達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)，需使電解液均勻地充滿在整個(gè)加工間隙內(nèi),且在間隙內(nèi)的電解液流場需分布合理,避免會(huì)在加工表面上產(chǎn)生流紋等瑕疵的可能,否則會(huì)降低加工精度和表面質(zhì)量,嚴(yán)重時(shí)甚至可能發(fā)生短路,從而損壞工件和陰極。因此,針對(duì)陰極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)技術(shù)對(duì)加工間隙流場的仿真與數(shù)值模擬，來改善加工間隙內(nèi)的流場特性研究是工藝研究中的必不可少的組成部分[8]。

以電解加工彎孔時(shí)的實(shí)際裝置為基礎(chǔ)，本文擬采用的內(nèi)噴式陰極，選取電解加工過程中的電解液流道為計(jì)算模型，采用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(computational fluid dynamics,CFD)方法對(duì)加工間隙內(nèi)電解液的速度及壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，通過觀察加工面電解液速度矢量圖和壓力云圖，以此為理論依據(jù)，對(duì)陰極流場進(jìn)行改進(jìn),使電解液在加工面上有比較均勻的壓力及速度分布,保證電解加工能穩(wěn)定順利進(jìn)行。計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)通過對(duì)計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算和圖像顯示，分析包含有流體流動(dòng)和熱傳導(dǎo)等相關(guān)物理現(xiàn)象的系統(tǒng)[9-10]。CFD的基本思想可歸納為: 用一系列有限個(gè)離散點(diǎn)上的變量值的集合，來代替原來在時(shí)間域及空間域上連續(xù)的物理量的場(如速度場和壓力場)，然后通過一定的原則和方式建立起關(guān)于這些離散點(diǎn)上場變量之間關(guān)系的代數(shù)方程組，從而求解代數(shù)方程組獲得場變量的近似值[10]。

2.1彎孔加工陰極三維流場物理模型

流場的物理模型是根據(jù)實(shí)際電解加工中流場的形狀建立，電解液進(jìn)口、陰極內(nèi)部流道結(jié)構(gòu)、陰極外形輪廓、電解液出口、初始加工間隙和工件表面構(gòu)成電解加工中流場的形狀，如圖2a所示。在上述分析的基礎(chǔ)上，初步在三維軟件UG中建立如圖2b所示的流場物理模型。

圖2　陰極流場模型示意圖

要保證流場的均勻性，需要設(shè)計(jì)合理的通液槽?？梢酝ㄟ^對(duì)加工區(qū)域的流線分布來對(duì)加工區(qū)域的流場均勻性進(jìn)行研究，如果局部缺少電解液，則相應(yīng)處流線稀疏；如果電解液流動(dòng)混亂，則該處流線相交則，甚至?xí)霈F(xiàn)漩渦；對(duì)這兩種情況在流場設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意，盡可能避免?；谏鲜龇治?，為了保證在加工間隙流場的均勻性，需要對(duì)多種形狀的通液槽分別進(jìn)行數(shù)值模擬，通過對(duì)比模擬結(jié)果，選擇使流場均勻性較好的通液槽。而通液槽的形狀是由電解液出口來決定，因此，設(shè)計(jì)如圖3所示的四種電解液出口，分別對(duì)其進(jìn)行數(shù)值模擬和分析。

(a)斜線型出液口　　　　　　　(b)橫線型出液口

(c)叉型出液口　　　　　　　(d)十字型出液口

2.2彎孔加工陰極三維流場數(shù)學(xué)模型的選取

彎孔的電解加工中，使用硝酸鈉鹽溶液，電解液壓力大，流速高，為了便于計(jì)算，建模時(shí)對(duì)電解加工間隙流場作如下假設(shè)：①流體為不可壓縮的、恒定的牛頓流體，即速度梯度變化時(shí)，動(dòng)力粘度不變；②在電解加工時(shí)，為有利于均勻流場并消除極化濃差，要求加工間隙內(nèi)電解液的流動(dòng)呈湍流狀態(tài)，同時(shí)，由于加工區(qū)域中電解液流程較小，因此忽略工作過程中工作介質(zhì)溫度的變化以及溫度造成的能量耗散，其流動(dòng)受到質(zhì)量守恒定律和動(dòng)量守恒定律的約束。

不可壓縮的黏性流體的運(yùn)動(dòng)可用如下的質(zhì)量守恒方程和動(dòng)量守恒方程[11]來描述：

(1)

(2)

模型在ICEM CFD中劃分網(wǎng)格，并且對(duì)網(wǎng)格質(zhì)量進(jìn)行預(yù)覽，保存后導(dǎo)入Fluent求解器，通過檢查網(wǎng)格質(zhì)量，確保最小體積不可為負(fù)值。本模型將采用RNG k-ε湍流模型，此模型是由Yakhot和Orzag提出的，RNG k-ε湍流模型比標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型的湍流動(dòng)能耗散ε方程中多了一項(xiàng)R，考慮了湍流漩渦的影響，并為湍流普朗特?cái)?shù)提供了一個(gè)解析公式。因而，RNG模型相比于標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型對(duì)瞬時(shí)變流和流線彎曲的影響能作出更好的反映，提高流場計(jì)算的精確性。RNG k-ε兩方程湍流模型為：

GK+Gb-ρε-YM+Sk

(3)

(4)

式中，k為湍動(dòng)能；ε為湍動(dòng)耗散率；ui為時(shí)均速度；μt為湍流黏度；Gk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能k的產(chǎn)生項(xiàng)。湍流黏度和湍流動(dòng)能的生成項(xiàng)與標(biāo)準(zhǔn)模型的表達(dá)式相同，根據(jù)RNG理論計(jì)算得到的模型常數(shù)為：Cμ=0.0845，C1ε=1.42，C2ε=1.68，σk=1.0，σε=1.3。Rε的表達(dá)式為：

(5)

2.3計(jì)算及結(jié)果分析

本文主要對(duì)陰極流道出液口的四種結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值模擬，并加以對(duì)比分析。對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行求解，并將結(jié)果用速度矢量圖和壓力云圖表示，可以直觀地展示流場的特征。

求解器選用基于壓力的求解器，采用隱式算法，流動(dòng)為穩(wěn)態(tài)流動(dòng)。實(shí)際應(yīng)用中，重力因素不可避免，故在運(yùn)行環(huán)境設(shè)置時(shí)需將其考慮進(jìn)去，采用RNG兩方程模型求解湍流模型，數(shù)值計(jì)算時(shí)邊界條件設(shè)置：進(jìn)口壓力為0.4 MPa，出口壓力選擇大氣壓力，壓力和速度的耦合采用simple算法，而后對(duì)模型進(jìn)行仿真。

(a)　　　　　　　　　　　　　　(b)

(c)　　　　　　　　　　　　　　(d)

如圖4所示為上述四種出液口的電極在電解加工處于穩(wěn)定時(shí)，工件的被加工表面電解液流場的速度矢量圖。對(duì)比四個(gè)方案加工面處流場速度分布情況，可以看出四個(gè)方案中電解液流動(dòng)均處于湍流狀態(tài)，其中圖4b、4d兩圖中，流線相交處較多，反映該處電解液流動(dòng)混亂，出現(xiàn)漩渦，會(huì)使加工速度分布不均，相應(yīng)加工面易產(chǎn)生流痕、槽溝、甚至短路，所以首先排除橫線型、十字型出液口。圖4c所反映的電解液流動(dòng)情況要明顯好于上述兩種情況，流線相交處不多，但是有多處處于紊流狀態(tài)，而且各處電解液流速差距較大，對(duì)電解液的流動(dòng)均勻性有一定影響，對(duì)比圖4a中的流線分布，圖4a中的流線表面電解液大部分處于層流狀態(tài)，只是在兩個(gè)對(duì)角上產(chǎn)生少許漩渦。如果選擇斜線型出液口電極，比較符合對(duì)于彎孔加工的需求，因此，如何進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，減少甚至避免對(duì)角線處的漩渦現(xiàn)象，是改進(jìn)電極結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵所在。

2.4電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)上述電解液在對(duì)角會(huì)產(chǎn)生漩渦，本文所采取的辦法是將電極出液口形狀加工成如圖5所示形狀，即在初始方案的狹縫兩端增加出液面積，但這一變化可能會(huì)破壞出液口垂直方向流場的均勻性，需要對(duì)陰極結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)后的流場進(jìn)一步進(jìn)行模擬，確定是否改善流線的分布。

圖5　改進(jìn)后的出液口示意圖

圖6　改進(jìn)后的流場速度矢量圖

圖6為改進(jìn)后的流場模擬結(jié)果，可以看出雖然對(duì)角線上仍然有微小的漩渦存在，但是對(duì)比先前有了明顯地改進(jìn)，從電解液流場流線來看，絕大部分電解液處于層流狀態(tài)，使電解液在加工間隙內(nèi)更加充足、流速也趨于均勻，有效地改善了加工間隙的流場質(zhì)量，對(duì)電解加工的進(jìn)行提供了有力地保證。

3試驗(yàn)

根據(jù)上一節(jié)的仿真結(jié)果，并通過對(duì)比和優(yōu)化，確定了電極電解液出口的形狀。選用紫銅作為電極材料，加工出結(jié)構(gòu)如圖7所示的電極，并利用其對(duì)工件進(jìn)行加工試驗(yàn)。在試驗(yàn)條件為：加工間隙電解液壓力為0.6MPa，加工間隙為0.3mm，電壓18V，電流80A的情況下，加工結(jié)果如圖8所示，通過被加工區(qū)域可以看出，被加工區(qū)域的結(jié)構(gòu)形狀、加工質(zhì)量與表面粗糙度都較理想，符合工藝要求。

圖7　電極出液口結(jié)構(gòu)

圖8　工件加工結(jié)果

4結(jié)論

首先設(shè)計(jì)了4種不同出液口形式的電極結(jié)構(gòu)，分別對(duì)它們的流場進(jìn)行數(shù)值模擬，選擇電解液流場效果較好的出液口形狀；然后對(duì)其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行模擬仿真；最后通過試驗(yàn)，驗(yàn)證了優(yōu)化后電極結(jié)構(gòu)的可行性。通過運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與分析的方法于彎孔加工陰極的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與改進(jìn)，與傳統(tǒng)方法相比，無需在后續(xù)的試驗(yàn)中反復(fù)修正，大大減少了陰極流場設(shè)計(jì)的工作量，縮短了研發(fā)周期，從另一方面提高了生產(chǎn)的效率，也為自導(dǎo)向彎孔加工技術(shù)的應(yīng)用和推廣打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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(編輯趙蓉)

Numerical Simulation and Experimental Research on Self Guiding Curved Hole Processing

ZHENG Lu-jun1a,1b，ZHU Xi-jing1a,1b，LAI Shang-ding2

(1a.School of Mechanical and Engineering ;b.Key Laboratory for ATM of Shanxi, North University of China,Taiyuan 030051,China;2.Ningbo Dahongying University,Ningbo Zhejiang 315175,China)

Abstract：Conformal cooling channels can effectively reduce the mold temperature, improve the quality of products.Multi segment curved hole constitute the conformal cooling channel.Based on the principle of electrochemical machining self guiding curved hole processing method was presented.Based on ECM cathode flow field analysis of curved hole, four kinds of electrode liquid outlet forms were designed. And respectively according to the electrolyte flow physical model, the corresponding numerical models were established. For the form of the movement of electrolyte is turbulent state, RNG k-ε model to simulate the electrolyte flow was determined to use. The better of the liquid outlet of the streamline form was selected and the liquid outlet shape was optimized designing. Providing reliable technical solutions for the processing of conformal cooling channels.

Key words：conformal cooling channels;curved hole processing;ECM;flow field;Numerical simulation；experimental study

文章編號(hào)：1001-2265(2016)05-0055-04

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.05.015

收稿日期：2015-08-16；修回日期：2015-09-15

*基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51275490，50975265)；浙江省公益性技術(shù)應(yīng)用研究項(xiàng)目(2014C31163)

作者簡介：鄭璐鈞(1989—)，男，太原人，中北大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榫芘c特種加工，(E-mail)zlj_nuc@163.com。

中圖分類號(hào)：TH166;TG662

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A