電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置設(shè)計及內(nèi)部流固耦合分析

黃紹服 張建翔 張茜熙 李君

摘 要：隨著高性能材料的微小孔結(jié)構(gòu)在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，微小孔加工技術(shù)也得到了不斷地深化。依據(jù)特斯拉渦輪機(jī)原理，設(shè)計了電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置，通過調(diào)節(jié)電極轉(zhuǎn)速及管電極末端出口工作液壓力，實(shí)現(xiàn)電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工。此外，對裝置內(nèi)部進(jìn)行了流固耦合分析，計算結(jié)果表明：隨著入口工作液流速的增加，轉(zhuǎn)動部分的變形量、工具電極轉(zhuǎn)速也隨之增加。

關(guān)鍵詞：特斯拉原理；電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置；流固耦合

中圖分類號： V261.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）05-0005-04

Abstract：The paper designs an adjustable electrode processing device based on the principle of Tesla turbine. The electrode speed can be adjusted by adjusting the electrode speed and the working fluid pressure at the end of the tube electrode. In addition， the fluid-solid coupling analysis is carried out inside the device. The calculation results show that with the increase of the flow rate of the inlet working fluid， the amount of deformation of the rotating part and the speed of the tool electrode also increase.

Key words：Tesla principle； electrode speed adjustable electric machining device； fluid-solid coupling

隨著高性能材料的微小孔結(jié)構(gòu)在航空航天、醫(yī)療等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，微小孔加工技術(shù)也得到了不斷地深化。目前常見的微小孔加工方法有傳統(tǒng)加工及非傳統(tǒng)加工兩種。傳統(tǒng)加工方法如機(jī)械鉆削微小孔，對刀具強(qiáng)度要求較高，而且加工后有飛邊及毛刺等加工缺陷[1]；非傳統(tǒng)的微小孔加工方法常見的有激光加工、電火花加工及電解加工。但激光加工、電火花加工后在微小孔表面會產(chǎn)生再鑄層及微裂紋等，影響微小孔加工表面質(zhì)量[2]。電解加工中如其中的電液束加工微小孔，采用玻璃制成的錐形噴嘴噴射出通電的電解液對工件進(jìn)行去除材料的方法，其加工微小孔表面質(zhì)量較好，但難以制造深徑比較大的錐形玻璃噴嘴而且玻璃管易于破損[3]，給微小孔加工帶來一定的影響。本文依據(jù)特斯拉渦輪原理設(shè)計了電極旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)的電加工裝置，并對其內(nèi)部進(jìn)行了流固耦合分析。

1 電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置設(shè)計

1.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

電極轉(zhuǎn)速可調(diào)加工裝置整體結(jié)構(gòu)包括殼體部分、轉(zhuǎn)動部分、密封部分?？烧{(diào)流速工作液經(jīng)殼體部分的入液口流入殼體，并與轉(zhuǎn)動部分的光滑轉(zhuǎn)片發(fā)生流固耦合作用及形成壓力工作液，帶動旋轉(zhuǎn)軸及電極進(jìn)行轉(zhuǎn)速可調(diào)高速旋轉(zhuǎn)，壓力工作液從出液口噴射出；在殼體上安裝引電螺釘，將加工電流引入殼體內(nèi)部工作液并傳遞到加工區(qū)域；設(shè)計時考慮了殼體能夠承受的設(shè)計壓力及轉(zhuǎn)動部分的設(shè)計結(jié)構(gòu)尺寸。密封部分主要是根據(jù)設(shè)計的壓力、旋轉(zhuǎn)的速度進(jìn)行選擇使用。電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 內(nèi)部流固耦合分析

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置進(jìn)行內(nèi)部流固耦合分析時，幾何模型的建立包括固體域幾何模型和流體域幾何模型。如圖2所示固體域幾何模型及網(wǎng)格劃分。對于流體域幾何模型，其參數(shù)設(shè)置如表1所示，流體域幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。對于固體域幾何模型和流體域幾何模型的網(wǎng)格劃分采用四面體單元進(jìn)行細(xì)化，其中固體域幾何模型網(wǎng)格生成總數(shù)為110 806，流體域幾何模型網(wǎng)格生成總數(shù)333 892。

2.2 分析方法

本文主要通過改變加工裝置入口流速的變化，采用CFX進(jìn)行流固耦合分析，來考察發(fā)生流固耦合作用時對轉(zhuǎn)動部分的影響。

2.3 計算結(jié)果與分析

1） 入口流速與轉(zhuǎn)動部分變形量的關(guān)系

由圖4可知，轉(zhuǎn)動部分最大變形量發(fā)生在轉(zhuǎn)片的外側(cè)位置，隨著加工裝置工作液入口流速的增加，轉(zhuǎn)動部分的變形量也不斷增加，最大變形量位置不變，轉(zhuǎn)動部分的旋轉(zhuǎn)軸下端變形量最小且接近于零。主要因?yàn)榧庸ぱb置內(nèi)部發(fā)生流固耦合作用時，工作液與轉(zhuǎn)片間的耦合作用起主導(dǎo)作用，使轉(zhuǎn)片的形變量最大；加工裝置入口工作液與轉(zhuǎn)片的初始接觸位置為轉(zhuǎn)片外測且切向于轉(zhuǎn)片，入口流速越高，切向力越大，形變量越大且位置不變。

2） 入口流速與轉(zhuǎn)動部分應(yīng)力關(guān)系

由圖5可知，加工裝置轉(zhuǎn)動部分的應(yīng)力主要分布在轉(zhuǎn)片各通液口之間和轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)軸上端，轉(zhuǎn)動部分旋轉(zhuǎn)軸下端應(yīng)力較??；隨著加工裝置入口工作液流速的增加，轉(zhuǎn)動部分的應(yīng)力也不斷增加，最大應(yīng)力分布位置不變且應(yīng)力值較小。主要因?yàn)榧庸ぱb置內(nèi)部發(fā)生流固耦合作用時，對于加工裝置殼體內(nèi)部的轉(zhuǎn)動部分所受作用力最大，且各轉(zhuǎn)片上各通液口的通液作用，使得加工裝置內(nèi)部的轉(zhuǎn)動部分及各轉(zhuǎn)片通液口應(yīng)力最大。由于最大應(yīng)力值較小，因此進(jìn)行微小孔加工時，使轉(zhuǎn)動部分避免了破壞及提高其持續(xù)、穩(wěn)定高速轉(zhuǎn)動的能力，促進(jìn)微小孔加工質(zhì)量。

3） 入口流速與轉(zhuǎn)動部分轉(zhuǎn)速的關(guān)系

由圖6可知，加工裝置轉(zhuǎn)動部分的最大速度分布在轉(zhuǎn)片位于加工裝置入液口所在位置的一側(cè)，最小速度分布在轉(zhuǎn)片位于加工裝置入液口所在位置的另一側(cè)；隨著加工裝置入口工作液流速的增加，轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)速也不斷增加，且最大轉(zhuǎn)速位置不變。主要因?yàn)榧庸ぱb置工作液入口處所對應(yīng)的轉(zhuǎn)片區(qū)域?yàn)檫M(jìn)口工作液的直接作用位置，該區(qū)域的轉(zhuǎn)片受切向力最大，因此該區(qū)域的瞬時速度最大，反之瞬時速度最??；隨著加工裝置入口工作液流速的增加，從而增大了加工裝置入口處切向于轉(zhuǎn)片的工作液對轉(zhuǎn)片的切向力，從而轉(zhuǎn)動部分的轉(zhuǎn)速也隨之增加。進(jìn)行微小孔加工時，轉(zhuǎn)動部分下端夾持的管電極進(jìn)行高速旋轉(zhuǎn)時，可以對加工區(qū)域的管電極表面形成均勻磨損，保證加工微小孔的精度，同時管電極轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)對加工區(qū)域的工作液形成一定的擾動量，改變微小孔加工的排屑，提高微小孔加工質(zhì)量。

電極轉(zhuǎn)速可調(diào)電加工裝置進(jìn)行微小孔加工時，工作液供液裝置流量泵流量Q為15L/min，調(diào)節(jié)工作液流速大小的調(diào)速閥調(diào)節(jié)流量泵出口橫截面積A范圍為28.26×10-6～50.24×10-6m2，所以加工裝置入口流速V調(diào)節(jié)范圍為4.9m/s～8.8m/s。對加工裝置內(nèi)部進(jìn)行流固耦合分析時，其入口流速設(shè)置為5m/s、6m/s、7m/s、8m/s，所以流速設(shè)置符合實(shí)際加工時入口流速的調(diào)節(jié)范圍；加工裝置入口流速為5m/s～8m/s時，隨著入口流速的增加，轉(zhuǎn)動部分的變形量、應(yīng)力、轉(zhuǎn)速隨之增加，且最大變形量為1.066×10-4、應(yīng)力為3.273N、轉(zhuǎn)速為24.54m/s，所以轉(zhuǎn)動部分取最高轉(zhuǎn)速情況下，其最大變形量、應(yīng)力較小，最大變形量、應(yīng)力越小，工作越平穩(wěn)。因此，電極轉(zhuǎn)速可調(diào)加工裝置進(jìn)行微小孔加工時，能夠?qū)崿F(xiàn)高轉(zhuǎn)速平穩(wěn)加工。

3 結(jié)論

1） 本文依據(jù)特斯拉渦輪機(jī)原理設(shè)計了電極旋轉(zhuǎn)速度可調(diào)的電加工裝置。

2） 隨著加工裝置入口流速的增加，轉(zhuǎn)動部分的最大變形量、最大應(yīng)力、最大轉(zhuǎn)速也增加，且分布位置不發(fā)生改變。

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（責(zé)任編輯：李 麗）