交叉孔電化學(xué)去除毛刺電場仿真分析

郭英杰,劉嘉航,李杰,王麗媛，董華軍1，

(1.國家電網(wǎng) 天津平高智能電氣有限公司，天津 300300； 2.大連交通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)

0 引言

毛刺作為機(jī)械零件在制造加工過程中產(chǎn)生的不必要產(chǎn)物使整個產(chǎn)品的性能大打折扣且縮短其機(jī)械使用壽命.目前去毛刺有熱能、高壓水射、磨料流、電火花和電化學(xué)等加工方式[1]，電化學(xué)去毛刺屬于非接觸式加工，相比于傳統(tǒng)機(jī)械去毛刺，可有效提高兩孔相交處邊緣的精度和加工效率.

毛刺直接影響零件的質(zhì)量和精度，德國?，斂酸槍?fù)雜內(nèi)腔結(jié)構(gòu)的毛刺配備柔性去毛刺系統(tǒng)FDS[2].徐正揚(yáng)[3]等人對航天發(fā)動機(jī)的針對整體葉盤設(shè)計了一種陰極進(jìn)給方向優(yōu)化方案.余自遠(yuǎn)[4]等針對鋁板上的微小孔毛刺的去除，基于有限元分析建立了數(shù)學(xué)模型從理論上和分析去毛刺效果的影響因素[5].電化學(xué)加工過程中，電場的分布主要取決于工件和陰極的集合形狀及相互位置.隨著加工的進(jìn)行，陽極開始發(fā)生腐蝕反應(yīng)，電力線隨著陽極形狀改變而改變.在加工過程中，電場分布情況是決定加工效果的關(guān)鍵因素.

本文通過建立反應(yīng)過程中電場的數(shù)學(xué)模型，分析了影響電場分布的因素，通過計算機(jī)模擬技術(shù)對比分析不同的數(shù)學(xué)模型得到影響電場分布和電流密度的因素.得到球形電極提高加工精度，圓柱電極提高加工效率的結(jié)論，及優(yōu)化了陰極絕緣層位置的設(shè)計，即低于毛刺根部水平位置.通過仿真計算可面對不同的工件加工要求，確定較優(yōu)電極形狀和加工電壓，省去通過多次實驗確定加工參數(shù)的步驟.

1 電化學(xué)加工間隙電場分布

在電化學(xué)加工進(jìn)行中，工具陰極與被加工件之間間隙處充滿高速流動的電解液.加工間隙中的電場分布直接影響著電化學(xué)加工的效率和精度.電化學(xué)加工外用電源分別與陰極和工件相連接，形成連續(xù)不斷的電流.假設(shè)電化學(xué)加工進(jìn)入平衡狀態(tài)，即電場參數(shù)不隨時間變化，屬于穩(wěn)恒電流場.假設(shè)電解液滿足各向同性[5]，則電場分布符合拉普拉斯方程，即：

▽2φ=0

(1)

(2)

φb=0

(3)

φa=U

(4)

其中,φ為電場中各個電位;U為金屬陽極的電位值;φa和φb分別為陰極與陽極電位.

電場中各點的電場強(qiáng)度和電流密度分別為：

(5)

i=κE

(6)

綜合上述公式得到：

(7)

圖1為加工間隙中電場分布情況.

圖1 電化學(xué)加工間隙的電場分布

2 加工間隙模型建立和參數(shù)選擇

本文采用沿根部去除毛刺，由加工方案可得出電化學(xué)去毛刺電場仿真的二維幾何模型，如圖2所示.加工孔直徑為5 mm，電極直徑4 mm，毛刺高度和厚度分別為0.6和0.2 mm.在電場仿真設(shè)置中，絕緣邊界用線替代.

圖2 去毛刺二維加工示意圖

工件電解過程的瞬態(tài)仿真通過耦合模型中電流和形變幾何來實現(xiàn)的.通過法拉第定律可得知金屬的溶解量取決于參加電化學(xué)反應(yīng)的電荷量Q.因為加工電極為固定電極，即進(jìn)給速度為0，金屬的去除體積可通過以下公式計算[6].

(8)

式中，M為摩爾質(zhì)量;ρ為密度;z為金屬的化合價;F是法拉第常數(shù);η為電流效率.

金屬工件在法向的溶解速度vn與法向的電流密度Jn成正比.

(9)

當(dāng)加工件為35#不銹鋼，電解液為20%的NaNO3溶液時，Jmin取10 A/cm2[6].

其他仿真參數(shù)選擇如表1所示.

表1 仿真參數(shù)

3 仿真結(jié)果分析

3.1 電極形狀對加工型面的影響

電化學(xué)加工電場分析最重要的仿真結(jié)果就是反映蝕除速度的電流密度分布[7].分別對圓柱型陰極、球狀和倒角陰極兩種加工電極形狀進(jìn)行電場分析.得到的電流密度分布如圖3所示.

圖3中，電流密度最大區(qū)域位于工件毛刺尖端和電極絕緣層邊緣.圓柱電極加工時毛刺上電流密度范圍為:18.54

圖3 三種電極形狀電流密度分布圖

圖4為圓柱型電極、球形電極和倒角電極在20 V電壓下加工15 s后的加工面型面仿真.

圖4 加工15 s后型面仿真

從表2和圖4中可看出，經(jīng)過倒圓和倒角處理后，加工表面處電流密度都有所下降.其中毛刺尖端電流密度大幅度下降.從高效率加工角度考慮，應(yīng)選擇圓柱電極.當(dāng)對加工孔精度要求高時應(yīng)選擇對電極進(jìn)行倒圓處理.

3.2 絕緣層位置對毛刺型面影響

在電極電流密度分布圖上可看到，電極表面電流密度最大位置為絕緣層與參與反應(yīng)電極表面交界處，因此可得知陰極絕緣層布置位置與電化學(xué)去毛刺效果有一定影響.

在工作電壓20 V，非線性電解液的加工條件下，建立絕緣層不同位置的加工模型，分析去毛刺型面的影響.

從圖5中可看出，隨著絕緣層的向下延伸，孔壁內(nèi)非加工面處電流密度減小，電流密度分布逐漸向毛刺尖端聚集，同時毛刺處電流密度在降低.如圖6所示，(a)、(b)、(c)分別為絕緣層上移、平齊和下移三種絕緣層位置對應(yīng)的平均電流密度隨時間的變化曲線.

圖5絕緣層布置對電場分布影響

圖6 毛刺表面平均電流密度變化曲線

根據(jù)曲線數(shù)據(jù)可知，電流密度分別在12.5、13和16 s三時刻達(dá)到最大值，在此時刻孔口的毛刺完全去除.隨著絕緣層的下移，電解反應(yīng)的效率逐漸降低，完全去除毛刺所需的時間加長.分別將電流密度最大值時的工件輪廓圖提取出來.方案(c)中去毛刺后得到的孔口非加工面受腐蝕最小.方案(a)則有著最高的去毛刺加工速度.

3.3 加工電壓對加工面的影響

加工電壓是決定電化學(xué)去毛刺中電流密度的關(guān)鍵參數(shù)，實際加工中是最容易調(diào)節(jié)的參數(shù)，對零件去毛刺加工時間和精度有著重要的影響[7].

圖7為使用NaNO3溶液作為電解液，使用圓柱形電極，在不同加工電壓下，毛刺表面平均電流密度隨時間變化曲線圖.

(a) 加工電壓為10 V

(b) 加工電壓15 V

圖7兩種加工電壓下毛刺電流密度曲線

隨著加工電壓的降低，電流密度達(dá)到峰值的時間明顯延后，當(dāng)加工電壓為10、15 V時，完成去除毛刺所需要的時間分別為117、70 s.圖8所示為電壓為10、15和20 V下加工完成后工件去除毛刺表面輪廓圖.

圖8 不同加工電壓去除毛刺后工件型面仿真

當(dāng)加工電壓為20 V時，加工孔在孔深方向上距離孔口1 mm處就受到腐蝕作用，加工后的工件邊緣輪廓粗糙.而當(dāng)加工電壓降低至10 V后，沿孔深方向的腐蝕范圍明顯減小，降低到0.5 mm

左右，同時去毛刺后形成的邊界更為平滑，形成類似倒角的形狀.由此可見，隨著加工電壓的增加，在獲得較快加工速度的同時，電解反應(yīng)的散雜腐蝕現(xiàn)象隨之加劇，加工面的表面質(zhì)量也有一定程度降低.為了獲得較好的加工效果，得到倒角形狀的加工形狀，選擇合適的加工電壓至關(guān)重要.

綜上所述，選用20%濃度的NaNO3溶液作為電解液，選用圓柱形電極并加工面進(jìn)行倒角，并且設(shè)計陰極絕緣層低于毛刺根部.當(dāng)加工電壓為10 V時，去除毛刺后對孔邊緣的腐蝕程度最小，加工時間最長，在精度有較高要求時應(yīng)選此參數(shù).而本實驗中綜合考慮加工質(zhì)量和加工效率的影響，擬定加工參數(shù)為15 V，加工時間為70 s.

4 結(jié)論

本應(yīng)用仿真軟件對電化學(xué)去毛刺加工的加工間隙電場進(jìn)行仿真分析，針對不同電極形狀、絕緣層位置和加工電壓等加工參數(shù)分別建立仿真模型.對比加工間隙電場分布，通過研究電流密度曲線及工件型面變化曲線，分析各參數(shù)對電化學(xué)去毛刺效果的影響，并得出電壓和電流密度與加工時間關(guān)系曲線.最終結(jié)合流場仿真結(jié)果選擇倒角形電極作為電化學(xué)去毛刺試驗的陰極工具，并且擬定優(yōu)化加工參數(shù).

[1]陳世平,羅輯,石軍.金屬切削加工中的毛刺問題[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2004,41(1):99- 100.

[2]埃馬克.埃馬克電化學(xué)加工(ECM)技術(shù)—航空發(fā)動機(jī)創(chuàng)新技術(shù)不可或缺的一部分[J].航空制造技術(shù),2014,56(11):106- 107.

[3]徐正揚(yáng).發(fā)動機(jī)葉片精密電解加工關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南京：南京航空航天大學(xué),2008.

[4]余自遠(yuǎn).微小孔電化學(xué)去毛刺技術(shù)研究[D].大連：大連理工大學(xué),2012.

[5]徐文驥,余自遠(yuǎn),孫晶,等.微小孔電化學(xué)去毛刺試驗研究[J].航空制造技術(shù),2011,53(19):62- 67.

[6]王建業(yè).電解加工原理及應(yīng)用[M]. 北京：國防工業(yè)出版社,2001.

[7]王建業(yè),余艷青,韓冠軍.MOSFET高頻窄脈沖電解加工工程化電源研制[J].電加工與模具,2005,39(2):59- 63.