董華軍,劉嘉航,王麗媛,吳桐,郭方準

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028) *

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內(nèi)交叉孔電化學(xué)去毛刺流場仿真

董華軍,劉嘉航,王麗媛,吳桐,郭方準

(大連交通大學(xué) 機械工程學(xué)院，遼寧 大連 116028)*

針對閥套零件內(nèi)部兩孔相貫處的去毛刺加工，采用計算流體力學(xué)的方法，對電化學(xué)去毛刺加工過程中的流場進行了三維仿真.研究表明通過對比三維流場仿真結(jié)果可以得到使流場分布最優(yōu)的夾具結(jié)構(gòu)設(shè)計、電解液入口流速和出口壓力，為電解加工參數(shù)選擇提供研究方法和理論指導(dǎo).

電化學(xué)去毛刺；內(nèi)交叉孔；流場仿真

0 引言

機械零件在制造加工過程中會產(chǎn)生毛刺，毛刺不僅直接影響零件的質(zhì)量和精度，還會對整個產(chǎn)品的性能和壽命產(chǎn)生巨大的影響.對于發(fā)動機箱體、曲軸連桿、油泵油嘴等含有相交孔的機械零件中，采用現(xiàn)有的加工方法都會在孔的周圍產(chǎn)生毛刺，而這些部位的毛刺往往很難處理.電化學(xué)去毛刺相比于傳統(tǒng)機械去毛刺，可以有效的解決兩孔相交處的毛刺問題[1-2].

在電解加工的過程中，要盡量使加工面處的流場保持充足、均勻，及時排除加工產(chǎn)物和反應(yīng)生成的熱量.加工間隙內(nèi)的流場不均分布還會導(dǎo)致加工面的不均勻溶解，甚至產(chǎn)生流紋、凸起、由此影響加工精度、表面質(zhì)量和加工過程的穩(wěn)定性，嚴重時還容易出現(xiàn)短路，對整個加工系統(tǒng)產(chǎn)生損傷[3-5].因此電化學(xué)加工流場分布的研究是電化學(xué)加工工藝研究的重要組成部分[6-8].

1 加工原理及物理模型

1.1 電化學(xué)去毛刺原理

電化學(xué)去毛刺的原理是金屬在電解液中發(fā)生氧化還原反應(yīng)，使陽極處的金屬溶解.在加工過程中，電流會集中在工件突起的毛刺處，使其在短時間內(nèi)完成局部的陽極溶解.設(shè)計較小的加工間隙有利于提高加工質(zhì)量和抑制散雜腐蝕，但小間隙不利于排除加工產(chǎn)物和熱量，從而使加工條件惡化.因此在電解加工的過程中，要盡量使加工面處的流場保持充足、均勻，及時排除加工產(chǎn)物和反應(yīng)生成的熱量.

1.2 計算模型

對電解液加工間隙的流場分析是穩(wěn)態(tài)分析，為了簡化計算，提高效率，對流體做出以下假設(shè)：

(1)電解液為連續(xù)不可壓縮，恒定牛頓流體(速度梯度變化時，動力粘度不變)[9];

(2)假設(shè)電化學(xué)加工過程處于平衡加工狀態(tài)，各項參數(shù)不再隨時間變化，電解液與兩極間的熱交換也處于平衡狀態(tài);

(3)電解液的流動呈湍流狀態(tài)，同時介質(zhì)的溫度變化和由溫差所引起的能量損耗忽略不計，其流動受動能守恒方程和動量守恒方程約束.

基于上述假設(shè)，對不可壓縮的流動采用質(zhì)量守恒的連續(xù)性方程，動量守恒運動方程的N-S方程和湍流模型方程建立控制方程組.

(1)質(zhì)量守恒方程：

(1)

(2)動量守恒運動方程：

(2)

(3) 湍流模型

采用湍流模型的標準k-ε形式，控制方程為：

(3)

(5)

其中，vi為速度沿x、y、z方向的分量；xi為x、y、z方向的脈動分量；ρ為電解液密度；p為壓力；fi是單位質(zhì)量力沿x、y、z方向的分量；μ為動力粘度；Gk為速度梯度引起的湍流動能；μt為湍流粘性系數(shù)；ε為湍流動能耗散率.

圖1為閥套類零件電化學(xué)去毛刺工件和夾具裝配圖.具有一定壓力的電解液從夾具下方中心孔處流入，充滿整個加工間隙.加工中間隙流場區(qū)域由夾具外形輪廓、陰極表面和工件型面構(gòu)成.

圖1 工具電化學(xué)去毛刺裝配圖

通過改變夾具內(nèi)流動位置和形狀、工具陰極的直徑、插入深度和電解液出口位置等加工參數(shù)，可以得到不同加工方案.通過流場仿真可以分析不同加工方案的流場分布，進而優(yōu)化加工參數(shù)得到更好的加工結(jié)果.

2 仿真結(jié)果分析

在使用該夾具對閥套類零件進行去毛刺加工時，電解液有兩種方式供液.一種是側(cè)向供液，利用絕緣層將電極和工件之間縫隙封死，完成電極的定位和緊固.電解液從夾具下方孔流入，沿被加工孔兩側(cè)孔隙流出或者沿被加工孔對側(cè)孔流出.另一種是逆流供液，通過電化學(xué)加工機床從夾具外部固定電極，完成對夾具的定位和緊固.電解液從入口流入，從電極與夾具間隙處流出.

2.1 側(cè)流式加工流道流場分析

采用側(cè)向供液時，電解液沿加工孔對側(cè)孔流出，其余非加工孔堵塞.仿真中，電解液的流動湍流模型選擇標準k-ε模型，電解液入口為速度入口，出口為壓力出口.電解液密度和動力粘度分別為1 100 kg/m3和0.001 Pa·s.進口參數(shù)選擇輸入湍流強度I和湍流長度L.進口速度為10 m/s，出口背壓為0.1 MPa.流場仿真結(jié)果如圖2、3所示.

圖2 流場分布流線圖

圖3 側(cè)向供液截面速度圖

從圖2、3仿真結(jié)果可以看出，電解液從中心孔流入夾具內(nèi)流道后，電解液主要沿流道左側(cè)內(nèi)壁流動，流速約為14m/s，但去毛刺的加工區(qū)域流速很低.提取加工區(qū)域流速數(shù)據(jù)，計算平均值為1.08 m/s.為了提高加工區(qū)域流速，將夾具模型進行一定調(diào)整.

改變夾具內(nèi)流道位置使其正對被加工孔，仿真結(jié)果如圖4、5所示.從圖中可以看出，夾具流道位置改進后，電解液以高流速沿流道左側(cè)壁面流入夾具與工件之間間隙，同時右側(cè)由于電極和流道之間流動橫截面積減小，電解液流速也有一定提升，最高約為8 m/s.加工區(qū)域流速平均值達到3.23 m/s，較之前有大幅度的提升，但流道內(nèi)高速流動的電解液并沒有直接流入加工區(qū)域.此加工方案優(yōu)點在于電極容易固定，不需要外部裝置，同時電極與被加工孔的同心度高，可以更準確的控制加工過程.缺點是加工區(qū)域流速相對過低，為了滿足流速大于5 m/s的要求需要提供較高的入口流速.

圖4 改進后流場分布流線圖

圖5 改進后截面流速圖

2.2 逆流式加工流道流場分析

采用逆流供液時，電解液從電極和工件之間間隙處流出. 為了維持加工區(qū)域電解液的壓力和流速，將其他非加工孔堵塞住.此方案可實現(xiàn)多電極同時加工多孔， 下面模型以加工單孔為例進行仿真計算.根據(jù)夾具內(nèi)流道不同的位置，分別建立多個計算模型，仿真結(jié)果如圖6所示.

(a)

(b)

(c)

由圖6可看出，電解液流速在工件毛刺附近達到最大值，約為25 m/s，相對于側(cè)向供液加工間隙的電解液流速有了大幅度的提升.電解液流速的增加可以使加工產(chǎn)生的熱量和電解產(chǎn)物更快地被帶離加工區(qū)域.由仿真結(jié)果可以得知該供液方式可以使用較低的進口流速來提供滿足加工要求的流場環(huán)境.

從圖中還可以看出當夾具內(nèi)流道左半部電解液高速流動區(qū)域靠近加工區(qū)域一側(cè)時，會導(dǎo)致該側(cè)電解液流速高于另一側(cè)，使加工間隙處電解液流速和壓力分布不均.而當夾具內(nèi)流道遠離加工孔時，電解液沿夾具和工件的側(cè)隙向加工區(qū)域流動，使流速和壓力分布更加均勻.C方案的三維流線圖如圖7所示.

由圖7中可以看出在三種夾具結(jié)構(gòu)中，a和b中電解液都在加工間隙的一側(cè)出現(xiàn)低流速情況.實際加工中當加工間隙處電解液流速分布不均會使間隙內(nèi)生成的反應(yīng)產(chǎn)物無法及時排除，當反應(yīng)速度超過一定程度后電解液有可能沸騰或充塞過量的氫氣導(dǎo)致加工失敗.C方案的加工間隙流速分布最合理.

(a)

(b)

(c)

綜合上述分析，側(cè)流式加工的優(yōu)點在于電極固定方式簡單可行，無需其他裝置輔助定位.但加工間隙處電解液流速較低，在同樣達到滿足加工要求的流場情況下比逆流式加工需要更高的進口壓力和流速.逆流式加工的加工間隙流速大小和分布均勻程度都優(yōu)于側(cè)流式加工，電解液的流場分布除避免出現(xiàn)空穴區(qū)等缺陷以外，還應(yīng)盡量保持流速均勻一致.這是取得高電流密度和小而均勻加工間隙的關(guān)鍵.如果流場分布限制了間隙內(nèi)電解液的流速，以至于電解液流速不能匹配加工間隙和電流密度，則會導(dǎo)致加工失敗.考慮到去毛刺機床普遍可以滿足其對陰極定位的要求，該方案更適用于實際生產(chǎn)中.

2.3 加工參數(shù)對流場的影響

電化學(xué)加工及去毛刺過程受到諸多因素的影響，其中均勻穩(wěn)定的高速流場有利于獲得更好的加工效果.為了研究不同的加工參數(shù)對加工流場的影響，使仿真結(jié)果能夠正確的指導(dǎo)實際生產(chǎn)中陰極夾具的設(shè)計和改進，以不同的電解液入口速度和出口壓力進行仿真模擬以研究以上參數(shù)對加工過程中流場分布的影響.

表1 進口壓力和加工區(qū)域平均流速

從表1中數(shù)據(jù)可以看出，當進口流速高于7.5 m/s時，需要入口提供大于0.3 MPa的壓力.而當入口流速為2.5 m/s時，加工區(qū)域平均流速則低于電化學(xué)加工普遍要求的5 m/s.綜合以上因素考慮，在本方案中選用5 m/s的進口流速最為合理.

為了分析背壓參數(shù)對電解液分布均勻性的影響，設(shè)置電解液入口速度為5m/s，采用不同的出口壓力對模型進行仿真分析，將仿真結(jié)果中加工間隙處電解液壓力數(shù)據(jù)提取出來并繪制成三維圖像，如圖8所示.

(a) 0.05 MPa

(b) 0.1MPa

(c) 0.15MPa

(d) 0.25MPa

當出口壓力為0.05 MPa時，電解液加工間隙處壓力處于0.08 MPa和0.13 MPa之間.當背壓增大到0.25 MPa時，加工間隙電解液壓力處于0.28 MPa和0.33 MPa之間.由此可見，隨著出口背壓的增加，加工間隙處壓力隨之增大，同時壓力分布更加平均.

3 結(jié)論

(1)側(cè)向側(cè)流式加工優(yōu)點在于加工電極容易固定，裝置簡單.但在加工間隙達到同樣流速的條件下，側(cè)流式方案比逆流式加工方案需要提供更大的進口速度，進而提升了對實驗裝置的要求；

(2)對逆流供液的幾種方案的仿真分析中，分別比較加工間隙處電解液流速和壓力的分布圖，得知逆流供液中的C方案可以在加工間隙處得到最佳的流場分布，選定該方案進行去毛刺加工實驗 ；

(3)隨著進口流速的增加，加工間隙平均電解液流速和入口所需要提供的壓力都隨之提升.在電解液出口增加壓力有利于加工間隙流場壓力的均勻分布.綜合仿真分析結(jié)果，確定加工實驗中電解液入口流速為5 m/s以及出口壓力0.15 MPa.

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Flow Field Simulation of Electrochemical Deburring Machining for Internal Cross Hole

DONG Huajun, LIU Jiahang, WANG Liyuan, WU Tong, GUO Fangzhun

(School of Environmental Science and Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Using the method of computational fluid dynamics, we a three-dimensional flow field model of electrochemical deburring machining is set up for internal crossed hole of the valve sleeve. Simulation analysis provides research methods and theoretical guidance for the selection of the flow field and electrochemical machining parameters through a three-dimensional flow field.

electrochemical deburring; internal crossed hole; flow field simulation

1673- 9590(2016)06- 0103- 05

2016-06-20

遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長計劃資助項目(LJQ2014046)

董華軍(1978-)，男，副教授，博士，主要從事脈沖電化學(xué)工藝及應(yīng)用的研究

A

E- mail:huajundong4025@163.com.