深小孔電加工流場仿真研究*

丁亮亮， 李帥杰， 曹 鑫

(安徽理工大學(xué) 機械工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

0 引 言

深小孔結(jié)構(gòu)在航空航天、精密儀器及機械設(shè)備等領(lǐng)域的核心零部件上有著廣泛的應(yīng)用，如：航空發(fā)動機葉片氣膜冷卻孔、金屬拉絲模的拉?？准鞍l(fā)動機噴油嘴針閥偶件等，都需要進行深小孔加工。

深小孔的加工可以通過機械加工和特種加工來實現(xiàn)，機械加工有鉆孔、鉸孔、拉孔、鏜孔、擴孔等；特種加工有電化學(xué)加工和激光加工等。機械加工孔對刀具的強度要求很高，而且還有毛刺和飛邊等缺陷[1]； 但激光加工、電火花加工加工后在微小孔表面會產(chǎn)生再鑄層及微裂紋等，影響孔的表面加工質(zhì)量[2]；電解加工雖然不受材料強度的限制、沒有工具電極的損耗及沒有毛刺和飛邊等特點[3]，但也有其局限性，比如常見的電解加工以管狀或棒狀電極作為陰極，工具電極在高速旋轉(zhuǎn)時，不僅工具電極會受到各種力的作用。

而且管電極內(nèi)部流場與加工間隙流場的變化也非常的復(fù)雜，這些因素都會影響加工穩(wěn)定性。

目前國內(nèi)外對于影響管電極加工流場分布變化規(guī)律的因素還缺乏研究。筆者通過ANSYS軟件對側(cè)面開孔陣列高速旋轉(zhuǎn)的管電極與工件之間的加工間隙流場進行流場仿真，著重研究了管電極的旋轉(zhuǎn)速度以及工作液進口壓力對管電極與工件加工間隙流場變化規(guī)律的影響。

1 管電極內(nèi)部流場與加工間隙流場仿真

在深小孔電加工過程中，管電極是一端夾持，另一端處于自由狀態(tài)。當管電極受到各種因素擾動時，管電極有可能出現(xiàn)偏離軸線的情況，直接導(dǎo)致所加工孔的精度下降，而且加工穩(wěn)定性變差。 同時深小孔加工過程在相對封閉的空間內(nèi)進行，工作液中也會產(chǎn)生很多的難溶的加工產(chǎn)物，在加工過程中加工間隙內(nèi)產(chǎn)生的熱量及加工產(chǎn)物排出較為困難，從而影響加工的穩(wěn)定性，造成電極損耗和短路現(xiàn)象的發(fā)生。管電極在旋轉(zhuǎn)時，由于流體粘性的作用，工作液也會隨著管電極的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，而隨著管電極轉(zhuǎn)速的增加，旋轉(zhuǎn)的管電極也會導(dǎo)致流場的變化，加工間隙中的工作介質(zhì)不僅具有圍繞管電極的切向速度，而且還具有軸向速度，在加工間隙流場中，電解液和加工產(chǎn)物在同時具有切向速度和軸向速度共同作用下圍繞著管電極會沿著管電極呈現(xiàn)螺旋狀向加工出口流出[4]，促進加工產(chǎn)物從加工間隙中排出。

此研究利用側(cè)面開有陣列孔的管電極，并且通過管電極處于不同的進口壓力以及不同的轉(zhuǎn)速的狀態(tài)。為了進一步研究管電極的轉(zhuǎn)速與進口壓力對加工間隙流場的影響。通過Fluent軟件對深小孔電加工過程中的流場進行仿真分析，探究管電極的轉(zhuǎn)速與進口壓力對流場分布的變化規(guī)律。

1.1 管電極內(nèi)部流場與加工間隙流場數(shù)學(xué)模型的建立

管電極內(nèi)部流場與加工間隙流場理論模型的建立有以下假設(shè)：①假設(shè)工作液是不可壓縮流體；②雖然電化學(xué)放電加工過程中有一定的熱量，但是由于管電極高速旋轉(zhuǎn)和進口壓力大的作用，可以不考慮加工過程中溫度的變化，所以假設(shè)不計溫度變化；③管電極電加工中的工作液滿足動量守恒定律和質(zhì)量守恒定律[5-7]。

質(zhì)量方程為:

(1)

式中：ρi為相密度；αi為相體積分數(shù)；μi為相速度。

動量方程為：

=-αiP+Ri+Fi+αiρig

(2)

式中：P為工作液內(nèi)部壓強；Ri為相間作用力；Fi為離心力；g為重力加速度。

1.2 管電極內(nèi)部流場與加工間隙流場幾何模型建立

管電極電加工的過程是非常復(fù)雜的，因此合理的簡化模型對于分析問題是很有必要的。首先用SolidWorks軟件對側(cè)面開孔的管電極進行建模，然后使用的是fluent軟件添加管電極內(nèi)部流場和加工間隙流場，管電極內(nèi)的流場高于加工間隙的流場。如圖1所示為管電極電化學(xué)放電加工過程示意圖。選擇的管電極的外徑是1.2 mm,外徑是1.5 mm,長度為300 mm；選用的工作液為自來水；取側(cè)面加工間隙0.10 mm,端面加工間隙為0.15 mm。

圖1 管電極電化學(xué)放電加工過程示意圖

2 計算方法與結(jié)果分析

文中主要通過改變管電極深小孔加工裝置進口壓力和管電極轉(zhuǎn)速的變化，利用fluent對管電極內(nèi)部流場和加工間隙流場進行仿真分析，探究進口壓力與轉(zhuǎn)速對流場的分布規(guī)律的影響。

如圖2(a)所示為高速旋轉(zhuǎn)管電極內(nèi)部流場和加工間隙工作液流場速度矢量圖；從圖中可以看出，部分工作液從管電極下端面出口向外噴出，另外部分工作液從管電極側(cè)面孔噴出，側(cè)面孔噴出的工作液束流與微小孔內(nèi)壁發(fā)生撞擊，同時由于管電極的高速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致從管電極側(cè)面孔噴出的工作液不僅具有沿著管電極向上的軸向速度，還具有一定的切向速度，然后一起從管電極外壁孔間隙呈螺旋式上升排出孔外。如圖2(b)所示為管電極下端處的工作液速度放大矢量圖。如圖2(c)所示為管電極側(cè)面孔噴出的工作液速度放大矢量圖。

圖2 流場速度矢量圖

(1) 進口壓力與流場分布的關(guān)系

隨著管電極進口處通入的電解液壓力不斷增大，相應(yīng)地電解液的流速也會不斷加快。在電加工過程中，會不斷的有加工產(chǎn)物生成，增大電解液的流速可以促進加工產(chǎn)物有效地排出，同時還可以帶走加工過程中產(chǎn)生的熱量[8]，有效地提高了加工的穩(wěn)定性。為了分析進口壓力與流場分布規(guī)律的關(guān)系，取管電極轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)不變的情況下，取工作液進口壓力分別為：0.15 MPa、0.20 MPa、0.25 MPa。已知大氣壓為101.3 kPa，選用的工作液為自來水。使用fluent軟件得到流場仿真截面云圖。

圖3(a)～(c)分別為管電極進口壓力為0.15 MPa、0.20 MPa、0.25 MPa時流場某一截面處的壓強云圖。

圖3 流場某一截面處的壓強云圖

圖4(a)～(c)分別為管電極進口壓力為0.15 MPa、0.20 MPa、0.25 MPa時流場某一截面處的速度云圖和速度矢量圖。

圖4 流場某一截面處的速度云圖和速度矢量圖

如圖5所示為進口壓力與流場分布規(guī)律的關(guān)系，其中(a)表示管電極轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)相同時，進口壓力與工作液流場壓強(Pa)的關(guān)系；(b)表示管電極轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)相同時，進口壓力與工作液流場流速(m/s)的關(guān)系。

圖5表明，管電極轉(zhuǎn)速(30 000 r/min)不變時，隨著進口壓力的增大，工作液內(nèi)流場的壓強也會不斷增大，同時隨著進口壓力的增大，電解液的流速也會不斷加快，工作液內(nèi)流場的流速也會不斷增大。

圖5 進口壓力與流場分布規(guī)律的關(guān)系

(2) 轉(zhuǎn)速與流場分布的關(guān)系

高速旋轉(zhuǎn)的管電極在進行電加工時，可以促進電解液和電解產(chǎn)物的排出。為了分析進口壓力與流場分布規(guī)律的關(guān)系，取工作液進口壓力(0.20 MPa)不變的情況下，取管電極的轉(zhuǎn)速分別為：30 000 r/min、35 000 r/min、40 000 r/min。已知大氣壓為101.3 kPa。使用fluent軟件得到加工間隙內(nèi)流場仿真截面云圖。

圖6(a)、(b)、(c)分別為管電極轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、35 000 r/min、40 000 r/min時流場某一截面處的壓力云圖。

圖6 流場某一截面處的壓強云圖

圖7(a)、(b)、(c)分別為管電極轉(zhuǎn)速為30 000 r/min、35 000 r/min、40 000 r/min時流場某一截面處的速度云圖和速度矢量圖。

圖7 流場某一截面處的速度云圖和速度矢量圖

圖8所示為轉(zhuǎn)速與流場分布規(guī)律的關(guān)系，其中A表示進口壓力(0.20 MPa)相同時，轉(zhuǎn)速與工作液流場壓強(Pa)的關(guān)系；B表示進口壓力(0.20MPa)相同時，轉(zhuǎn)速與工作液流場流速(m/s)的關(guān)系。

圖8 轉(zhuǎn)速與流場分布規(guī)律的關(guān)系

圖8表明，進口壓力(0.20 MPa)不變時，隨著轉(zhuǎn)速的增大，工作液內(nèi)流場的壓強沒有發(fā)生變化，工作液內(nèi)流場的流速緩慢增大。

3 結(jié) 論

建立管電極內(nèi)部流場與加工間隙流場幾何模型，通過fluent軟件對深小孔電加工過程中的流場進行仿真分析，探究管電極的轉(zhuǎn)速與進口壓力對流場分布的變化規(guī)律，所得結(jié)論如下：

(1) 使用側(cè)壁開有環(huán)形陣列孔的管電極在進行電加工時，部分工作液會從高速旋轉(zhuǎn)的管電極下端面出口向外噴出，另外部分工作液從管電極側(cè)面孔噴出。

(2) 管電極在旋轉(zhuǎn)時，工作液也隨著管電極的旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，而隨著管電極轉(zhuǎn)速的增加，在加工間隙流場中，電解液和加工產(chǎn)物在同時具有切向速度和軸向速度共同作用下圍繞管電極沿著管電極呈螺旋狀向加工出口流出，促進加工產(chǎn)物從加工間隙中排出。

(3) 由仿真可知，隨著管電極進口壓力的增大，流場的最大壓強和最大流速也會增加；隨著管電極轉(zhuǎn)速的增加，流場的最大壓強基本不變，最大流速會增加。