U71Mn拉伸件電解加工流場與成形過程仿真

武鴻力WU Hong-li；張長富ZHANG Chang-fu；段李鑫DUAN Li-xin

（西安工業(yè)大學機電工程學院，西安710021）

0 引言

難切削金屬材料拉伸狀零件加工已成為一個加工制造難題。經過水韌處理的U71Mn（中錳鋼）組織為均勻的單相奧氏體組織，韌性約為45#鋼的8倍，因其在高強度沖擊載荷或強力擠壓作用下，表面奧氏體會轉變成高強度的馬氏體，發(fā)生加工硬化，硬度可以達到HB500以上，因此U71Mn中錳鋼不僅表面具有良好的耐磨性和抗沖擊性，又有柔韌的心部可以抵抗強烈的沖擊，其拉伸狀零件已在軌道交通等領域廣泛應用[1-2]。然而，在高強度沖擊載荷或強力擠壓作用下，零件表面會出現輕微變形，影響使用效果，故需要對其表面進行整形。在采用機械加工對U71Mn拉伸狀零件表面進行整形時，由于材料在刀具擠壓的情況下，表面會發(fā)生嚴重的加工硬化現象，故存在加工效率低、刀具磨損嚴重、成本高等問題[3]。

電解加工技術以其獨到優(yōu)勢成為U71Mn拉伸狀零件一種理想加工方法。低電壓、大電流的加工特點，保證具有較高的加工效率；陽極工件與陰極工具無接觸式加工，保證沒有刀具磨損；陽極工件材料以離子形式去除，保證工件表面沒有殘留加工應力[4]。

1 U71Mn拉伸件電解加工

電解加工應用電化學原理，使陽極工件表面材料以離子方式在電解液中發(fā)生溶解。在電解加工時，工具陰極接負極，工件陽極接正極，位于陰、陽兩極中間的加工間隙中充滿高速流動的電解液，電流通過陽極-電解液-陰極形成回路。金屬材料的陰極和陽極、0.05-0.7mm寬的加工間隙內電解液具有很高的導電率，所以在陽極施加10-30V電壓后，會有很大的電流產生，這些電流（A）除以陽極工件被加工面積（mm2）即為電流密度（A/mm2），使工件陽極表面材料以離子形式被去除。

如圖1所示，工件上表面為主要工作面，由三段分別為R13、R300、R13的相切圓弧構成。在對U71Mn拉伸件進行電解整形時，為了使工作面一次成形，采用反銬法對工件進行加工；為了提高加工精度，選用側流式供液方式。陽極施加電壓20V，陰極工具材料選擇導電性好的黃銅，陽極工件材料為U71Mn，加工間隙選擇0.15mm，整形去除量0.2-0.3mm。

圖1 U71Mn拉伸件電解加工示意圖

2 電解加工流場與成形過程仿真

電解加工包括流場、電化學場、溫度場等多個物理場，其中流場和電化學場對電解加工的表面質量與加工精度起著至關重要的作用[5]。本文通過對流場仿真確定加工區(qū)域流場是否均勻、穩(wěn)定，通過對成形過程的仿真確定合適的加工時間，對實際加工提供理論指導。

2.1 流場仿真與分析

在加工間隙內高速流動的電解液可帶走固體顆粒、焦耳熱等加工產物，提高加工精度與加工穩(wěn)定性[6]。加工中，陽極發(fā)生氧化反應，生成的正價金屬離子與電解液中的OH-結合生成固體顆粒；陰極發(fā)生還原反應，析出氣體。上述在加工過程中產生的固體顆粒、氣體等物質統稱為“加工產物”?；诖耍捎酶咚倭鲃拥碾娊庖嚎蓭ё呒庸らg隙內的加工產物，從而使加工更加穩(wěn)定。由于被加工件的工作面由三段相切圓弧組成，必須設計導流流場將機床出液圓管過液面逐漸過渡成為與加工區(qū)域電解液入口一致的過液面。在設計導流流場的基礎上，運用COMSOL Multiphysics 5.6數值模擬軟件中“湍流k-ε”模型的湍流流動對流場進行仿真計算，旨在優(yōu)化加工間隙內的流場分布，避免出現流程分布不均勻和出現空穴等現象，保證整個加工區(qū)域流場的分布具有均勻性和一致性。

為了簡化計算，做如下假設：流場中的電解液為理想狀態(tài)下的不可壓縮液體。由于流道模型左右對稱，為了減少計算量，沿對稱面取流道模型一半進行網格劃分與計算，網格劃分結果如圖2（a）所示，設置入口壓力0.6 MPa，出口壓力0.1MPa。仿真結果如圖2（b）-（c）所示，其中，圖2（b）為速度流線，圖2（c）為速度矢量，圖2（d）為壓力云圖。

圖2 流場仿真

由圖2（a）可見，網格劃分質量較好，在結果后處理時，由鏡像操作可得到完整流道模型；由圖2（b）所示流線圖可見，加工區(qū)域內流線無纏繞、拐彎現象，表明加工區(qū)域內無渦流產生，流場穩(wěn)定；由圖2（c）所示速度矢量可見，加工區(qū)域內R13、R300、R13三段相切圓弧面的流速分布均勻，且電解液流速可達10m/s以上，可順利帶走加工產物并更新電解液；由圖2（d）可見，加工區(qū)域內的壓力由進口到出口逐漸減小，沒有負壓產生，不易產生空穴。綜上所述，加工區(qū)域內流場可滿足實際需要。

2.2 成形過程仿真與分析

對U71Mn拉伸件進行電解加工成形過程仿真，為實際加工時間提供理論指導。首先使用NX 12.0建立加工模型，接著將加工模型導入COMSOL Multiphysics 5.6數值模擬軟件中，最后采用“電化學腐蝕場”對U71Mn拉伸件電解加工成形過程進行瞬態(tài)模擬，仿真整個加工過程，觀察材料去除率隨著時間的變化規(guī)律。

由于在模擬加工過程當中，陽極工件表面會發(fā)生材料去除，導致瞬態(tài)模擬時劃分的網格極易發(fā)生扭曲、變形、反轉等不利影響，故使用軟件自帶的“自動重新劃分網格”功能可以使成形仿真過程更加收斂，設置“自動重新劃分網格”的條件為“失真”。施加邊界條件如下：對陽極工件施加電壓20V，陰極工具施加電壓0V；依次設置電解液、陰極工具、陽極工件的電導率為8.3、5.998×107、1.12×107S/m；設置陽極工件“溶解-沉積的物質”為U71Mn，其摩爾質量為56g/mol，密度為7.85g/cm3。

如圖3所示為陽極工件表面總厚度變化圖，其顏色代表腐蝕的深度，由圖可見，隨著加工的進行，陽極工件被加工區(qū)域在逐漸發(fā)生溶解且材料去除量均勻，隨著時間的增加，在9s時，陽極工件材料去除量已超過0.2mm，符合加工需要，這為實際加工所需加工時間提供了理論指導。

圖3 數值模擬電解加工成形過程

3 結論

針對U71Mn拉伸件電解加工，運用COMSOL Multiphysics 5.6軟件對其流場與成形過程進行數值模擬。通過流場仿真可知，在入口壓力0.6MPa，出口壓力0.1 MPa的條件下，加工區(qū)域內流場均勻、穩(wěn)定，沒有湍流與負壓產生，電解液流速可達10m/s以上，可順利帶走加工產物，符合實際加工需要；通過成形過程仿真可知，隨著加工的進行，陽極工件材料在逐漸溶解且材料去除均勻，在9s時已達到期望去除量。