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        旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工的電解液噴液流場(chǎng)研究

        2017-03-08 11:11:26李湘生馬再權(quán)
        關(guān)鍵詞:液流電解液電解

        陳 力,李湘生,馬再權(quán),楊 宇,張 帥

        (浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動(dòng)控制學(xué)院,浙江 杭州 310018)

        隨著科技的進(jìn)步,工業(yè)材料技術(shù)日新月異,傳統(tǒng)切割技術(shù)如激光切割、電火花線切割在加工過(guò)程中暴露出許多問(wèn)題[1].切割技術(shù)對(duì)生產(chǎn)的質(zhì)量和效率影響重大,對(duì)企業(yè)的成本與利潤(rùn)也有很大影響[2].

        電解線切割技術(shù)是在電解池的電解液中“溶解”工件離子,從而達(dá)到切割的目的.電解線切割技術(shù)在加工形狀特殊、壁薄、易形變零件時(shí)有非常獨(dú)特的優(yōu)勢(shì).徐一峰在傳統(tǒng)電解線切割基礎(chǔ)上改進(jìn)了多絲金屬電解線切割技術(shù),改進(jìn)技術(shù)對(duì)提高加工效率以及精度具有顯著效果[3].彭帥改進(jìn)的往復(fù)運(yùn)絲電解線切割技術(shù),在提高加工速度、減少加工成本方面具有很好的應(yīng)用前景[4].

        在電解加工的過(guò)程中,經(jīng)常有加工廢料產(chǎn)生,附著在工件表面,阻礙電解的進(jìn)行,影響加工效率.本文采用旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工技術(shù),將旋轉(zhuǎn)電極作為線電極接電源負(fù)極,能很好地解決這一問(wèn)題.在旋轉(zhuǎn)電極電解加工中,電解液的選擇至關(guān)重要[5].首先,電解液作為一種導(dǎo)體,在電解加工中能夠?qū)щ?,電解液的不斷流入是電解過(guò)程不中斷的必要條件;其次,電解加工過(guò)程中產(chǎn)生的大量熱量可能導(dǎo)致工件損壞,而電解液可以冷卻工件.電解液一般采用氯化鈉溶液、硝酸鈉溶液或者氯酸鈉溶液.其中氯化鈉溶液獲取方便,成本低廉且導(dǎo)電效率高.綜合考慮后,本文選用氯化鈉溶液作為電解液.

        1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

        1.1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

        圖1所示為本文所用旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工機(jī)床.該機(jī)床是自主設(shè)計(jì)的機(jī)床,用料、機(jī)構(gòu)均合理,能夠滿足本次實(shí)驗(yàn)要求.該機(jī)床具有可水平方向移動(dòng)的X軸、Y軸,可豎直方向移動(dòng)的Z軸.這3個(gè)軸與工件相連,可控制工件的移動(dòng)方位.電極絲接電源負(fù)極,工件接電源正極,加上電解液,形成一個(gè)完整的電流回路.電解液循環(huán)系統(tǒng)還包括兩個(gè)水泵,水泵能將電解池里的電解液重新輸送到電極絲,使得電解液可重復(fù)利用,電解過(guò)程持續(xù)不斷.

        圖1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

        1.2 控制系統(tǒng)

        所用的HNC-180xp/M3數(shù)控系統(tǒng)性能良好,結(jié)構(gòu)緊湊,可靠性較高.其內(nèi)置RS232接口可與PLC擴(kuò)展連接.該數(shù)控系統(tǒng)通過(guò)脈沖控制伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)器進(jìn)而控制X軸、Y軸、Z軸上的伺服電機(jī).各軸的平臺(tái)上還有用于行程保護(hù)和原點(diǎn)定位的光電限位開(kāi)關(guān).

        2 電解液流動(dòng)方式及噴嘴結(jié)構(gòu)

        2.1 電解液流動(dòng)方式

        電解液可分為反向、正向、側(cè)向3種流動(dòng)方式[6].反向流動(dòng)方式適用于加工較復(fù)雜或較精密的工件;正向流動(dòng)方式分為不加背壓、加背壓、毛坯有預(yù)孔3種情況(不加背壓適用于小孔加工,以及精密程度不高的工件;加背壓適用于復(fù)雜或較精密的工件;毛坯有預(yù)孔適用于有預(yù)孔的工件);側(cè)向流動(dòng)方式適用于平面、鉗型腔、流線型腔的工件.本文采用不加背壓的正向電解液流動(dòng)方式.

        2.2 電解液噴嘴結(jié)構(gòu)

        圖2 電解液噴嘴結(jié)構(gòu)

        圖2所示為電解液噴嘴結(jié)構(gòu).噴液嘴外套和內(nèi)套構(gòu)成一個(gè)小容器來(lái)容納電解液,電解液可以通過(guò)電解液噴液口噴出,沿著電極絲向下流動(dòng).由于尼龍材料具有優(yōu)良的特性,耐磨耐腐蝕,機(jī)械強(qiáng)度好,因此所用噴嘴采用尼龍材料.圖2中角度α?xí)绊戨娊庖簢娨旱捏w積流量分布,進(jìn)而影響電解加工的質(zhì)量和效率,因此,需要確定一個(gè)合適的角度α.

        3 電解液噴液流場(chǎng)體積流量的ANSYS分析

        由于電解液噴液流場(chǎng)的體積流量會(huì)影響電解切割的均勻性,因此有必要對(duì)電解液噴液流場(chǎng)進(jìn)行ANSYS仿真,確定其體積流量分布.圖3所示為電解液噴液流場(chǎng)的幾何模型,圖4為對(duì)應(yīng)的網(wǎng)格模型.圖3中的5°對(duì)應(yīng)于圖2中的錐面角度α.由于α的變化會(huì)影響電解液噴液的穩(wěn)定性,因此可根據(jù)不同的α進(jìn)行仿真.當(dāng)α大于25°時(shí),穩(wěn)態(tài)不收斂,也即液體流出困難,因此選擇幾個(gè)不大于25°的角度進(jìn)行對(duì)比,分別設(shè)α=5°,α=10°,α=15°,α=20°,α=25°,對(duì)應(yīng)的體積流量分布見(jiàn)圖5~圖9.

        圖3 電解液噴液流場(chǎng)的幾何模型

        圖4 電解液噴液流場(chǎng)的網(wǎng)格模型

        圖4中上部分為液相,下部分為氣液兩相,因此可在ANSYS仿真時(shí)應(yīng)用混合模型.仿真時(shí)水壓為5 MPa,入口水速為3 m/s,液相與氣液兩相交匯處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,下部分壁面為塑料.

        由圖5~圖9可知,當(dāng)α=15°時(shí)體積流量分布最為均勻.越均勻的流場(chǎng)分布使得電解加工越順利且加工質(zhì)量越高.因此,α為15°左右時(shí)最適合旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工.

        圖5 α=5°時(shí)的體積流量分布

        圖6 α=10°時(shí)的體積流量分布

        圖7 α=15°時(shí)的體積流量分布

        圖8 α=20°時(shí)的體積流量分布

        圖9 α=25°時(shí)的體積流量分布

        4 結(jié)束語(yǔ)

        旋轉(zhuǎn)電極電解線切割中電解液的選擇與電解液噴嘴的結(jié)構(gòu)非常重要,本文設(shè)計(jì)的電解液噴嘴能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求.噴液嘴內(nèi)套與噴液嘴外套出口處的錐面角度α=15°時(shí),體積流量分布最為均勻,最適合電解加工.本文結(jié)論為后續(xù)優(yōu)化幾何模型與實(shí)驗(yàn)條件奠定了基礎(chǔ).

        [1] 張應(yīng)立,羅建祥,張 梅,等.金屬切割實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

        [2] 朱有為.現(xiàn)代切割技術(shù)及其在企業(yè)中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā),2005,24(8):6-8.

        [3] 徐一峰.多絲金屬電解線切割工藝研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2016.

        [4] 彭 帥.往復(fù)運(yùn)絲電解線切割基礎(chǔ)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

        [5] 常園園.電解加工的電解液池溫度分布及控制方法[D].西安:西安工業(yè)大學(xué),2013.

        [6] 孫紅偉.旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工技術(shù)研究[D].杭州:浙江理工大學(xué),2016.

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