黃紹服 劉勇 李君 胡海霞

摘要：微小孔是一類重要的結(jié)構(gòu)，在航空工業(yè)、航天工業(yè)、微電子、汽車及醫(yī)療等行業(yè)有著廣泛的應(yīng)用。工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工是根據(jù)電化學(xué)放電加工基本原理，應(yīng)用高速旋轉(zhuǎn)的工具電極在工件上進(jìn)行電化學(xué)放電加工的方法。針對(duì)制造行業(yè)中廣泛應(yīng)用的金屬微小孔結(jié)構(gòu)，通過對(duì)螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)微小孔電化學(xué)放電加工間隙工作介質(zhì)流場(chǎng)仿真，解釋了螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)微小孔電化學(xué)放電加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)輸送機(jī)理。

關(guān)鍵詞：電化學(xué)放電加工；微小孔；螺旋工具電極

中圖分類號(hào)：TG66 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A[WT]文章編號(hào)：1672-1098（2014）02-0066-05

電化學(xué)放電加工（Electrochemical Discharge Machining， ECDM）為近年來較受關(guān)注的非傳統(tǒng)制造技術(shù)之一[1]，既可以加工非金屬材料，也可以加工金屬材料[2]，其材料去除機(jī)理為利用電化學(xué)反應(yīng)過程中電極尖端產(chǎn)生放電火花的熱量熔蝕工件并加速電化學(xué)反應(yīng)的速度[3]。電化學(xué)放電加工應(yīng)用的文獻(xiàn)有很多[4-7]，也被廣泛應(yīng)用于微小孔加工方面。微小孔電化學(xué)放電加工中，加工間隙中的工作介質(zhì)流場(chǎng)態(tài)直接決定著加工能否順利進(jìn)行，從而對(duì)加工過程產(chǎn)生極大的影響，尤其是在深徑比較大的微小孔加工中，其影響更明顯。微小孔電化學(xué)放電加工間隙很小，介于幾微米和幾十微米之間，由于加工工件和工具電極不透明，無法直接使用測(cè)量?jī)x器對(duì)加工間隙內(nèi)的流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行直接測(cè)量；另外，由于電化學(xué)放電加工機(jī)理尚未完全明確，是多種力場(chǎng)綜合作用的結(jié)果，無法實(shí)現(xiàn)用解析的方法獲得加工間隙流場(chǎng)的精確解，在這種情況下只能使用計(jì)算流體力學(xué)軟件對(duì)加工間隙內(nèi)的流場(chǎng)進(jìn)行仿真數(shù)值模擬，應(yīng)用仿真分析結(jié)果定性的對(duì)加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行分析研究。本文利用螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)，從其對(duì)加工間隙內(nèi)氣液兩相流的影響方面研究螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)的輸送機(jī)理，并將分析結(jié)果應(yīng)用于直徑為0.4 mm的微小孔電化學(xué)放電加工。

1 加工間隙內(nèi)氣液兩相流模型的建立

1.1理論模型

電化學(xué)放電加工微小孔時(shí)輸入能量小，加工間隙也小，加工間隙的數(shù)值一般在數(shù)微米到十幾微米之間。加工時(shí)，工作介質(zhì)在工具電極和微孔內(nèi)壁之間形成的加工間隙內(nèi)流動(dòng)，加工間隙中的工作介質(zhì)是非定常流動(dòng)。對(duì)于電化學(xué)放電加工間隙內(nèi)的流體，由于電化學(xué)反應(yīng)和放電火花對(duì)材料的蝕除作用，加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)包含有氣態(tài)的氣泡、液態(tài)的工作液、及固態(tài)的金屬析出物，構(gòu)成復(fù)雜的三相共存流場(chǎng)狀態(tài)。為簡(jiǎn)化分析過程，忽略加工產(chǎn)物中固體顆粒的影響，只考慮氣體和液體充滿整個(gè)加工間隙，簡(jiǎn)化后的加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)流場(chǎng)為氣液兩相流場(chǎng)。工作液為自來水，為不可壓縮流體，加工間隙內(nèi)的液相為不可壓縮相，計(jì)算是在不可壓縮粘性流動(dòng)情況下進(jìn)行。同時(shí)忽略溫度的變化對(duì)加工間隙氣液兩相流場(chǎng)的影響。描述加工間隙中工作介質(zhì)流體運(yùn)動(dòng)的基本方程主要有質(zhì)量方程和動(dòng)量方程。

1.2 加工間隙流場(chǎng)幾何模型應(yīng)用FULENT軟件模擬加工過程中加工間隙內(nèi)流場(chǎng)狀態(tài)首先要建立其模型，如圖1所示為工具電極旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工過程示意圖。本文選擇的工具電極為直徑0.4 mm的螺旋工具電極，工作液為自來水。在實(shí)際加工時(shí)，工作液與加工過程中產(chǎn)生的氣體形成的氣液兩相流充滿加工間隙，同時(shí)工作液的液面高于工件。由于流體粘性作用，工具電極旋轉(zhuǎn)時(shí)，工作液也跟隨工具電極一起旋轉(zhuǎn)。盡管電化學(xué)放電加工過程中有一定熱量產(chǎn)生，但是由于工具電極高速旋轉(zhuǎn)作用，可以不考慮加工過程中溫度的變化的影響。在進(jìn)行工具電極旋轉(zhuǎn)加工間隙內(nèi)流場(chǎng)仿真分析時(shí)，計(jì)算所采用的三維加工間隙流場(chǎng)邊界條件示意圖如圖2所示。由于加工過程中工具電極高速旋轉(zhuǎn)，因此與工具電極外表面相接表面設(shè)置為與工具電極具有相同的旋轉(zhuǎn)速度；氣體與工件相接表面（上表面、微孔內(nèi)表面及微孔底面）設(shè)置為墻（WALL）；與空氣相接觸的自由表面，設(shè)置為對(duì)稱邊界條件（SYMMETRY）。選擇GAMBIT軟件對(duì)流場(chǎng)模型進(jìn)行前處理網(wǎng)格劃分。劃分網(wǎng)格時(shí)，以四面體單元為主，合理的選用結(jié)構(gòu)化六面體單元、楔體單元或者錐體單元對(duì)計(jì)算域進(jìn)行劃分。為考慮工具電極旋轉(zhuǎn)，對(duì)微孔內(nèi)壁圓柱面設(shè)置膨脹層，進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)分。

1.3 計(jì)算方法

本文模擬基于歐拉——?dú)W拉模型和單重參考系法處理氣液兩相流場(chǎng)及工具電極旋轉(zhuǎn)問題，對(duì)加工間隙內(nèi)的氣液流場(chǎng)、含氣率、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)等進(jìn)行模擬。對(duì)設(shè)置好邊界條件的模型應(yīng)用FLUENT軟件求解，選擇分離求解器；VOF流體模型：第一相為水，第二相為氣體，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，初始加工間隙內(nèi)含氣率設(shè)置為0.7；考慮重力影響，方向?yàn)樨?fù)Z方向，大小等于9.81 m/s2；定義大氣壓力作用在模型的上表面；標(biāo)準(zhǔn)k-ε模型；一階迎風(fēng)離散格式下計(jì)算；初始間隙根據(jù)試驗(yàn)加工結(jié)果與工具電極差值的平均值進(jìn)行確定，本文確定側(cè)面加工間隙和底面加工間隙均為20 μm；其他參數(shù)根據(jù)試驗(yàn)中相應(yīng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)定。

2結(jié)果分析

圖3所示為螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)速度矢量圖，圖3a為加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)速度矢量圖；圖3b為孔出口處速度矢量放大圖；圖3c為端面處速度矢量放大圖。模擬的工況為工具電極直徑為0.4 mm、旋轉(zhuǎn)速度42 000（r·min-1）、側(cè)壁間隙及端面間隙為20 μm、微孔深度L與工具電極直徑d比值為L(zhǎng)/d=5。螺旋工具電極由于螺旋槽的存在，與相同直徑圓柱電極相比較，在加工間隙內(nèi)，工作介質(zhì)輸送空間增加。但螺旋工具電極特殊的幾何結(jié)構(gòu)，高速旋轉(zhuǎn)時(shí)對(duì)加工間隙內(nèi)流場(chǎng)會(huì)產(chǎn)生很大的影響。從圖3可以看出，螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，加工間隙內(nèi)的工作介質(zhì)除了具有圍繞工具電極旋轉(zhuǎn)的切向速度之外，還有沿著螺旋槽的軸向速度，加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)的流動(dòng)是由圍繞工具電極的圓周運(yùn)動(dòng)和沿工具電極的軸向運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的合成運(yùn)動(dòng)。從圖3b及圖3c可以看出，沿著微孔內(nèi)壁，工作介質(zhì)沿著向下運(yùn)動(dòng)的速度方向進(jìn)入到端面加工間隙內(nèi)。

應(yīng)用FLUENT后處理軟件繪制電化學(xué)放電加工微孔加工間隙流場(chǎng)流線，如圖4所示。從圖4可以看出，使用螺旋工具電極時(shí)，無論在孔出口還是端面加工間隙流線，都有沿著螺旋工具電極螺旋槽向上運(yùn)動(dòng)的流線，說明螺旋工具電極強(qiáng)化了加工間隙中的工作介質(zhì)及加工產(chǎn)物向上輸送的能力，有利于加工產(chǎn)物及時(shí)的排出到加工區(qū)域之外。

從各截面放大圖可以看出，在螺旋工具電極緊貼螺旋槽內(nèi)壁處，有沿著螺旋槽向上的速度矢量，說明加工間隙中工作介質(zhì)沿著螺旋槽內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)；在螺旋槽與微孔內(nèi)壁交接處，存在向下運(yùn)動(dòng)速度矢量，說明有工作介質(zhì)沿著螺旋槽與微孔內(nèi)壁交界面進(jìn)行輸送。綜合圖6～圖11，可以得到，加工間隙內(nèi)的產(chǎn)物及工作介質(zhì)沿著工具電極螺旋槽內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)，直到排出到微孔出口以外；微孔出口上部的工作液沿著工具電極螺旋槽與微孔內(nèi)壁交界面向下運(yùn)動(dòng)，形成工作液的更新。

3 結(jié)論

1） 使用螺旋工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學(xué)放電加工微小孔時(shí)，加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)的流動(dòng)是由圍繞工具電極的圓周運(yùn)動(dòng)和沿工具電極的軸向運(yùn)動(dòng)復(fù)合而成的合成運(yùn)動(dòng)。

2） 加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)沿著工具電極螺旋槽內(nèi)壁向上運(yùn)動(dòng)，直到排出到微孔出口以外；微孔出口上部的工作液沿著工具電極螺旋槽與微孔內(nèi)壁交界面向下運(yùn)動(dòng)，形成工作液的更新。3） 螺旋工具電極的螺旋槽幾何結(jié)構(gòu)，增加了加工間隙容積，強(qiáng)化了加工間隙內(nèi)工作介質(zhì)的輸送能力，有利于微小孔電化學(xué)放電加工的進(jìn)行。

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（責(zé)任編輯：李麗）