基于多場耦合的電解加工腐蝕模擬 *

宋子豪，孫倫業(yè)，王 健，張永紅，袁帥帥

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

電化學加工是在流動的電解液中利用金屬工件作陽極所發(fā)生的電化學溶蝕進行加工的方法，具備加工效率高、電極無損耗、無切削熱、加工薄壁結構無殘余應力等突出優(yōu)點，其在航空航天、機器人、醫(yī)療機械、武器裝備等領域有著廣泛的應用，尤其是某些軍用兵器產(chǎn)品制造，電解加工有著獨特優(yōu)勢[1-2]。在電解加工中，加工過程受電場、流場、溫度場和電解產(chǎn)物分布等多種因素共同作用，問題較為復雜[3]。 為了明確這些因素對工件腐蝕成型的影響，相關研究人員開展了一系列研究，例如；文獻[4]針對電解加工產(chǎn)生的氣泡影響加工精度的問題，通過調整加工電壓、入口壓力和出口壓力提高了工件輪廓精度；文獻[5]以電解加工的方法去除多余的焊層，分析加工區(qū)域的電場、流場及產(chǎn)熱功耗的分布，實現(xiàn)仿真模擬與工藝試驗的相互優(yōu)化；文獻[6]針對電解加工過程中溫度不均，分析了不同電解液流速下的溫度、電流密度變化規(guī)律，得出通過加快電解液流速可以使陽極溫度、電流密度更加均勻；文獻[7] 提出了帶有導流腔體的開式流場，優(yōu)化陰極流場的穩(wěn)定性；文獻[8]提出了一種正沖式電解加工方法，提高了葉輪加工精度。

筆者以湍流氣泡流模型為基礎，耦合電化學相關模型，對陽極及陰極表面氣泡率進行求解，并得到不同時刻下的陽極電流密度曲線，為工件的腐蝕形貌提供理論依據(jù)，有利于縮短實際加工試驗的周期。

1 多物理場仿真模型

1.1 建立仿真模型

圖1 為電解加工多場耦合模型，電解加工流道為40 mm，初始加工間隙為1 mm，邊界包括電解液入口(1)、陽極表面(2)、陽極表面(3)、電解液出口(4)。

圖1 電解加工模型

1.2 邊界條件的設定

在電解加工過程中，間隙內(nèi)電解液的電導率主要受到多相流、溫度的影響，而多相流中的固相體積分數(shù)相對較小。忽略固相、溫度的影響，電導率受氣泡率影響歸納為[9-10]：

k=k0(1-β)n

(1)

式中：k為電解液電導率；k0為電解液電導率初始值；β為電解液中的氣泡率；n為氣泡對電導率的影響系數(shù)，取值1.5。

(1) 電化學模塊

假設電解液各向同性，并遵守歐姆定律和電荷守恒定律，即：

▽·(k·▽φ)=0

(2)

式中：φ為電勢。

電場的邊界條件為：

(2) 湍流氣泡流模塊

假設流體為不可壓縮且恒定的牛頓流體，其運動采用Navier-Stokes方程為：

-μ▽2u+p(u·▽)u+▽P=0

(3)

式中：p為流體密度；u為電解液流速；μ為動粘度；P為流體微元體上的壓力。

湍流的邊界條件為：P|Γ1=P1,P|Γ4=P2。

電解加工過程陰極表面析出氫氣的質量為[11]：

(4)

式中：i為陰極表面電流密度；F為法拉第常數(shù)；M為氫氣的摩爾質量。

(3) 動網(wǎng)格模塊

在電解加工腐蝕模擬過程中，陰極勻速直線進給，陽極則被放電腐蝕，因此，需要采用任意拉格朗日-歐拉公式法來描述結構場的變化。根據(jù)法拉第第一定律可得到工件陽極表面蝕除速度為：

(5)

在comsol 5.5中對以上三個模塊進行數(shù)值模擬，具體仿真參數(shù)如表1所示。

表1 仿真參數(shù)

2 仿真結果分析

2.1 電化學仿真分析

圖2為模型右半初始狀態(tài)下的電流二維分布，加工間隙中電解液的電流密度分布均勻，出口處存在明顯的雜散電場影響。圖3為初始狀態(tài)下工件陽極表面電流密度，受到雜散電場影響，加工間隙入口處和出口處的電流密度相對較大，這是由于離子從工件陽極向工具陰極的移動造成的。隨著電解加工的進行，電解液中的電流密度會時刻發(fā)生變化，去除兩端雜散電場的影響，陽極表面電流密度在不同時刻下的分布如圖4所示。

圖2 電流密度二維分布

圖3 陽極表面電流密度

由圖5可知，沿電解液流動方向，在入口處電流密度有極短的上升，這是由于電解液流速突然增大，入口處堆積的氣泡迅速被電解液帶走，使電導率上升。在出口處流道變寬，氣泡率降低，導致電導率上升，引起電流密度出現(xiàn)上升。

由圖5可知，電解加工開始時，由于陰極產(chǎn)生大量氣泡，間隙中的電流密度整體迅速下降，隨加工時間的增加，間隙中的電流密度趨于穩(wěn)定變化，工件陽極表面電流密度總體呈現(xiàn)減小趨勢。這是因為電解加工還未達到平衡狀態(tài)，陰極進給速度的速度小于工件陽極溶解速，導致加工間隙不斷增大，電流密度隨電場強度減小而減小。流程中間部分，工件陽極表面電流密度隨流程方向不斷減小，這是由于，加工間隙中氣泡率逐漸增大，導致電解液的電流密度隨電導率呈現(xiàn)逐漸減小趨勢。因此，經(jīng)過一段時間加工后，加工間隙會沿流程方向減小。這種現(xiàn)象會使得陽極表面電流密度呈下降趨勢，最終，間隙不斷增大至平衡間隙，陰極進給速度與工件陽極溶解速度達到一致時，電流密度分布趨于穩(wěn)定。

圖4 不同時刻陽極表面電流密度

2.2 湍流氣泡流仿真分析

圖5為模型氣泡率的二位分布圖，可知；在間隙左半段，上端顯的氣泡率分布，下端泡率幾乎為零；在間隙右半段，氣泡率沿流程增大，上端和下端和下端氣泡率趨于同一數(shù)值。

圖5 氣泡率二維分布

這種現(xiàn)象是由于氫氣從上端陰極表面析出并隨電解液在上方向出口處流動，導致間隙中的氣泡率逐漸增大，隨著上方氣泡增多，氣泡漸漸向下方陽極擴散，最終在靠近出口處氣泡率達到同一數(shù)值。為得到加工間隙中氣泡率的分布變化規(guī)律，需對陰陽兩極表面氣泡率進一步分析。

圖6為陽極和陰極表面電流密度分布曲線，陰極表面在流程0～1 mm內(nèi)的氣泡率短暫上升后下降，這是由于入口有氣泡堆積并被電解液迅速帶走；在流程1～20 mm內(nèi)陰極表面氣泡率迅速上升至0.14；在流程20～35 mm內(nèi)，氣泡率緩慢上升，該段加工間隙中的氣泡主要是向陽極逐漸擴散；在35～40 mm流程范圍內(nèi)，氣泡率又出逐步上升，這是因為，該段中加工間隙已近充滿氣泡，陰陽兩極表面氣泡率達到同一數(shù)值，而陰極表面又在不斷析出氫氣，導致氣泡率迅速上升；最終，由于出口處流道變寬，間隙內(nèi)的氣泡被迅速帶走，氣泡率急速下降。

陽極表面流程在流程1～20 mm內(nèi)氣泡率很低；在流程20～35 mm氣泡率迅速上升至與陰極表面達到同一數(shù)值。這是因為，陽極表面的氣泡是由陰極表面析出并逐漸向陽極擴散的，隨著加工的進行，向陽極擴散的氣泡逐漸增多，使陽極表面氣泡率達到與陰極同一數(shù)值。

2.3 結構場仿真分析

圖7為12 s后陽極的蝕除量。

圖7 陽極表面蝕除量

陽極表面靠近左、右兩端面處的蝕除量顯著增加，受到雜散電場的影響，陽極表面靠近入口和出口處的蝕除量明顯增大。不考慮兩端雜散腐蝕部分，陽極表面蝕除量沿流程方向越來越小，最終累計導致陽極表面高度逐漸下降。這是由于陽極腐蝕直接受到電流密度分布影響，沿流程方向電流密度隨氣泡率增大而減小，導致陽極表面的腐除量發(fā)生變化。

3 結 語

利用COMSOL軟件對電解加工多場耦合模型進行了仿真，求解了多場耦合模型中電場、流場和結構場的分布結果，仿真得到了工件陽極表面的電流密度分布規(guī)律與工件腐蝕成型規(guī)律，對提高電解加工精度和實際工件加工具有參考意義，但未考慮溫度場、電解產(chǎn)物的影響，需進一步研究。