背壓正流式恒間隙法電解加工實驗研究

柳 傲，朱 棟，谷洲之，薛庭雨，朱 荻

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

背壓正流式恒間隙法電解加工實驗研究

柳 傲，朱 棟，谷洲之，薛庭雨，朱 荻

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

以一種可實現(xiàn)恒定加工間隙的方法為對象，設(shè)計了電解液背壓式正向流動的方式，以提高加工過程的穩(wěn)定性。采用有限元方法開展了流場仿真研究，優(yōu)化了出液口結(jié)構(gòu)。分析表明：與開放式正向流動相比，背壓式正向流動加工間隙內(nèi)的流場更均勻穩(wěn)定。為了驗證流場設(shè)計的合理性，開展了恒間隙法脈沖電解加工對比實驗。結(jié)果顯示：與開放式正向流動相比，背壓式正向流動加工過程的電流波動量從23%下降到4%，加工表面粗糙度值從Ra1.237 μm下降到Ra0.608 μm。實驗結(jié)果證明采用背壓式正向流動有助于提高恒間隙法電解加工的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量，為電流效率曲線的精確測定提供了有效途徑。

電解加工；恒間隙；流動方式；穩(wěn)定性

電解加工是基于電化學(xué)陽極溶解原理實現(xiàn)材料去除，將工件按工具陰極的形狀和尺寸加工成形的工藝方法。與其他機(jī)械加工方法相比，電解加工具有加工范圍廣、加工效率高、工具無損耗、無機(jī)械切削力等優(yōu)點，已在航空、航天、兵器、汽車等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[1-5]。

在電解加工中，電流效率曲線既可較好地反映出集中蝕除能力的大小，又是計算加工間隙和材料溶解速度的重要基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。加工間隙是電解加工的核心工藝參數(shù)，它是決定加工精度的主要因素，也是設(shè)計工具陰極和選擇加工參數(shù)的主要依據(jù)，因此，電流效率曲線的測定對于開展電解加工研究具有重要意義[6-11]。在恒定加工電壓條件下，保持恒定的加工間隙進(jìn)而獲得恒定的電流密度是精準(zhǔn)測定電流效率曲線的關(guān)鍵。在測定電流效率曲線的過程中，使加工快速進(jìn)入平衡態(tài)從而實現(xiàn)盡可能短的過渡過程是提高電流效率曲線測定準(zhǔn)確性的重要因素之一。朱棟等提出了陰極調(diào)速法控制加工間隙，使加工過程迅速達(dá)到平衡狀態(tài)，進(jìn)而獲得恒定的電流密度[12]。葛媛媛等提出預(yù)估平衡間隙作為初始加工間隙的方法，有效縮短了過渡階段的加工時間[13]。

流場是影響電解加工穩(wěn)定性和表面質(zhì)量的重要因素之一[14-16]。大量科研、生產(chǎn)實踐證明，流場設(shè)計是電解加工陰極裝置設(shè)計中的一項重要內(nèi)容，它不僅對電場分布有著顯著影響，而且決定電解加工的成敗[17-21]。本文介紹一種可自動實現(xiàn)恒定間隙的方法[22]，利用電解液壓力與配重重力相平衡實現(xiàn)恒定的加工間隙。從原理上說，采用該方法進(jìn)行電解加工無過渡過程，加工間隙一直不變，加工始終處于平衡狀態(tài)。對恒間隙實驗裝置及其數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析，設(shè)計電解液背壓式正向流動方式，采用有限元方法對出液口結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真與優(yōu)化，并通過對比實驗驗證其可行性，提高了恒間隙裝置電解加工的穩(wěn)定性，為電流效率曲線的測定奠定基礎(chǔ)。

1 實驗裝置

恒間隙裝置見圖1。陰極為環(huán)形空心電極，試件為杯狀零件，其內(nèi)外徑尺寸與陰極相同。電解液從陰極內(nèi)孔噴出，電解液壓力F作用于試件上，使試件向上抬起，通過配重盤向試件施加豎直向下的作用力G，此時陰極與試件之間的間隙為Δ，且F=G。通電后，試件不斷被溶解，在溶解質(zhì)量遠(yuǎn)小于配重質(zhì)量的條件下，試件自動向下進(jìn)給，加工間隙始終為Δ。

圖1 恒間隙裝置

這是由于可將該裝置的流場模型簡化成流體力學(xué)中對稱于中心軸線的平行圓盤縫隙流動[23]（圖2）。柱坐標(biāo)下縫隙內(nèi)電解液流動的N-S方程和連續(xù)性方程可簡化為：

式中：R、Z為體積力，在重力場中R=0，Z=-g（g為重力加速度）；ρ為流體密度；p為流體在某一點處的壓強；u為該點處的流體速度；ν為流體運動粘度系數(shù)。

圖2 平行圓盤縫隙流動

對上述方程近似求解，得到間隙內(nèi)的壓強分布和流體作用于上圓盤的作用力：

式中：p為縫隙內(nèi)任一點處的流體壓強；r為該點到中心軸線的距離；μ為流體動力粘度；Q為入口流量；Δ為圓盤間隙；r2為上圓盤外徑；r1為下圓盤內(nèi)徑；p2為出口壓強，p2=0；F為流體施加于上圓盤的作用力。

由式（5）可知，在入口流量Q不變的條件下，流體作用于上圓盤的力F與圓盤間隙的立方Δ3呈反比。由以上分析可知，該裝置可在電解液壓力與配重重力的作用下實現(xiàn)恒定的加工間隙。

2 流動方式的仿真與優(yōu)化

2.1 電解液的流動方式

由恒間隙裝置的原理可知，電解液的流動方式為正向流動，流道出口處呈開放狀態(tài)（圖3）。電解液的流速、壓力變化較大，流場紊亂，出口處流速的快速下降導(dǎo)致電解液分股流動現(xiàn)象更明顯。電解液流速差異大、流場均勻性低，將影響加工的穩(wěn)定性和加工表面質(zhì)量。

為解決上述問題，提出了背壓式正向流動，在加工間隙的出口處增加一套引流密封夾具 （圖4），電解液從加工間隙流出后將進(jìn)入引流夾具的流道。加工間隙內(nèi)電解液的流速、壓力變化較小，流場均勻性較好，有助于提高加工的穩(wěn)定性和加工表面質(zhì)量。為了研究對比二種不同流動方式下的電解液流動情況，建立了流場仿真模型，使用有限元方法開展了仿真分析。

圖3 開放式正向流動

圖4 背壓式正向流動

2.2 數(shù)學(xué)模型

為研究電解液流動情況，建立了流場模型進(jìn)行數(shù)值仿真分析。根據(jù)流體動力學(xué)原理，選用連續(xù)性方程和N-S方程作為控制方程，為較好地處理高應(yīng)變率及流線彎曲程度較大的流動，采用RNG κ-ε湍流模型建立封閉的控制方程組[24]：式中：ρ為電解液密度；κ為湍動能；ε為湍動耗散率；ui為時均速度；μeff為有效粘度，μeff=μ+μt，其中湍動粘度μt按式（9）獲得；Gκ為平均速度梯度引起的湍動能κ的產(chǎn)生項，Gκ按式（10）獲得；αk=αε=1.39，C*1ε=1.42，C2ε=1.68，Cμ=0.0845。

2.3 流場仿真與分析

所建立的開放式正向流場與背壓式正向流場的三維有限元模型見圖5。為了更好地反映加工間隙內(nèi)的流動情況，在加工間隙處采用較密集的網(wǎng)格，其余部分采用均勻網(wǎng)格。

圖5 流場模型的網(wǎng)格劃分

設(shè)定初始條件和邊界條件，二種模型的進(jìn)液口和出液口均為壓力型，進(jìn)液口的壓力均為0.4 MPa，出液口的壓力均為0 MPa。利用有限元分析軟件對二種模型進(jìn)行求解，分析加工間隙內(nèi)的電解液流速情況。二種流動方式下的加工間隙內(nèi)平面P的速度云圖見圖6?？芍?，對于開放式正向流動而言，加工間隙內(nèi)的電解液具有明顯的分股流動現(xiàn)象，流場的均勻性較差；而背壓式正向流動加工間隙內(nèi)的電解液具有更高的流速，電解液對電解產(chǎn)物和氣泡具有更強的沖刷效果，流場的均勻性明顯較好。

圖6 平面P的速度云圖

為了定量分析加工間隙內(nèi)的電解液流速情況，在加工間隙內(nèi)平面P上取一圓C（圖7），分析二種流動方式下圓C處的電解液流速。在圓C上等距選取400個點，對電解液在這400個點處的速度按式（11）作方差分析。經(jīng)計算，開放式正向流動的速度方差為D1=2.38(m/s)2，背壓式正向流動的速度方差為D2=1.73(m/s)2。由圖8及方差分析結(jié)果可看出，對于開放式正向流動而言，電解液流速變化較大，具有明顯的高速流動和低速流動不斷交替出現(xiàn)的現(xiàn)象；對于背壓式正向流動而言，電解液流速變化較小。

式中：D為速度方差；Vk為第k個點的速度值；Vave為400個點的平均速度。

圖7 圓C的位置

圖8 圓C上的電解液流速

均勻穩(wěn)定的流場對于提高電解加工的穩(wěn)定性和表面質(zhì)量具有重要意義。由上述分析可知，與開放式正向流動相比，采用背壓式正向流動時，加工間隙內(nèi)可獲得更均勻穩(wěn)定的流場，有助于提高恒間隙裝置電解加工的穩(wěn)定性。

3 實驗與分析

為驗證上述分析的合理性，開展了脈沖電解加工對比實驗。為了減小電解液流量的波動，在電解液入口前端安裝脈沖阻尼器。加工對象為杯狀零件，材料為2Cr13不銹鋼；陰極為與試件加工表面對應(yīng)的環(huán)形空心電極，材料為304不銹鋼。加工裝置見圖9，加工參數(shù)見表1。

表1 加工參數(shù)

圖9 實驗裝置

為了按式（12）分析加工過程中的電流波動量，分別記錄二種流動方式下試件電解加工過程中的加工電流（圖10）。開放式正向流動加工過程中的平均電流密度為38.3 A/cm2，可得加工過程中的電流波動量為23%；背壓式正向流動加工過程中的平均電流密度為36.1 A/cm2，其電流波動量為4%。

式中：Fl為電流波動量；Imax為加工過程中的最大電流；Imin為加工過程中的最小電流；Iave為加工過程中的平均電流。

圖10 加工電流變化圖

在電解加工中，由歐姆定律可知電流密度i與加工間隙Δ的關(guān)系為：

式中：κ為電解液電導(dǎo)率；UR為電解液歐姆壓降。

結(jié)合加工中的電流波動量可知，背壓式正向流動加工過程中的間隙變化量更小，恒間隙裝置電解加工的穩(wěn)定性得到明顯提高。

圖11是二種流動方式下分別加工出的試件?？梢姡_放式正向流動加工出的試件表面具有明顯的放射狀流紋，由于流場紊亂，加工不均勻現(xiàn)象明顯。而背壓式正向流動加工出的試件表面流紋明顯減少，加工質(zhì)量較好。

采用表面粗糙度儀檢測二種流動方式下加工出的試件表面粗糙度，得到開放式正向流動加工出的試件表面粗糙度值為Ra1.237 μm，背壓式正向流動加工出的試件表面粗糙度值為Ra0.608 μm（圖12）。因此，采用背壓式正向流動可有效提高電解加工的表面質(zhì)量。

圖11 加工樣件

圖12 試件表面粗糙度

4 結(jié)束語

本文介紹了一種可實現(xiàn)恒定加工間隙的電解加工方法，設(shè)計了電解液背壓式正向流動方式，采用有限元方法對恒間隙裝置的出液口結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真與優(yōu)化，分析表明背壓式正向流動加工間隙內(nèi)的流暢更均勻穩(wěn)定。

針對開放式正向流動和背壓式正向流動，開展了脈沖電解加工對比實驗。通過分析加工過程中的電流波動量和試件表面質(zhì)量，得出背壓式正向流動有助于提高恒間隙裝置的電解加工穩(wěn)定性，對電解加工電流效率曲線基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的獲得具有重要意義。

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Experimental Study on Electrochemical Machining with Constant Interelectrode Gap Using Guiding Forward Flow

LIU Ao，ZHU Dong，GU Zhouzhi，XUE Tingyu，ZHU Di
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

A new electrolyte flow model called guiding forward flow is designed to improve the stability of electrochemical machining process with constant interelectrode gap.The flow mode is analyzed by finite element method and is compared with traditional open forward flow mode.It is shown that the flow field in the interelectrode gap is more stable with guiding forward flow mode.Experimental investigations were carried out with pulse current in order to evaluate the rationality of the flow mode. The result reveals that a smaller fluctuation of machining current and better surface quality could be obtained with guiding forward flow mode.It could be concluded that guiding forward flow mode is in favor of improving the stability of the device with constant interelectrode gap and measurement of current efficiency.

ECM；constant interelectrode gap；flow mode；stability

TG662

A

1009－279X（2017）03－0052-05

2016-11-25

國家自然科學(xué)基金重點資助項目（51535006）；江蘇省重點研發(fā)計劃（BE2015160）；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費專項資金資助項目（NE2015105）

柳傲，男，1992年生，碩士研究生。