黃紹服 張建翔 張茜熙 李君

摘 要：隨著高性能材料的微小孔結構在航空航天、醫(yī)療等領域的廣泛應用，微小孔加工技術也得到了不斷地深化。依據(jù)特斯拉渦輪機原理，設計了電極轉速可調電加工裝置，通過調節(jié)電極轉速及管電極末端出口工作液壓力，實現(xiàn)電極轉速可調電加工。此外，對裝置內部進行了流固耦合分析，計算結果表明：隨著入口工作液流速的增加，轉動部分的變形量、工具電極轉速也隨之增加。

關鍵詞：特斯拉原理；電極轉速可調電加工裝置；流固耦合

中圖分類號： V261.5 文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098（2017）05-0005-04

Abstract：The paper designs an adjustable electrode processing device based on the principle of Tesla turbine. The electrode speed can be adjusted by adjusting the electrode speed and the working fluid pressure at the end of the tube electrode. In addition， the fluid-solid coupling analysis is carried out inside the device. The calculation results show that with the increase of the flow rate of the inlet working fluid， the amount of deformation of the rotating part and the speed of the tool electrode also increase.

Key words：Tesla principle； electrode speed adjustable electric machining device； fluid-solid coupling

隨著高性能材料的微小孔結構在航空航天、醫(yī)療等領域的廣泛應用，微小孔加工技術也得到了不斷地深化。目前常見的微小孔加工方法有傳統(tǒng)加工及非傳統(tǒng)加工兩種。傳統(tǒng)加工方法如機械鉆削微小孔，對刀具強度要求較高，而且加工后有飛邊及毛刺等加工缺陷[1]；非傳統(tǒng)的微小孔加工方法常見的有激光加工、電火花加工及電解加工。但激光加工、電火花加工后在微小孔表面會產(chǎn)生再鑄層及微裂紋等，影響微小孔加工表面質量[2]。電解加工中如其中的電液束加工微小孔，采用玻璃制成的錐形噴嘴噴射出通電的電解液對工件進行去除材料的方法，其加工微小孔表面質量較好，但難以制造深徑比較大的錐形玻璃噴嘴而且玻璃管易于破損[3]，給微小孔加工帶來一定的影響。本文依據(jù)特斯拉渦輪原理設計了電極旋轉速度可調的電加工裝置，并對其內部進行了流固耦合分析。

1 電極轉速可調電加工裝置設計

1.1 整體結構設計

電極轉速可調加工裝置整體結構包括殼體部分、轉動部分、密封部分。可調流速工作液經(jīng)殼體部分的入液口流入殼體，并與轉動部分的光滑轉片發(fā)生流固耦合作用及形成壓力工作液，帶動旋轉軸及電極進行轉速可調高速旋轉，壓力工作液從出液口噴射出；在殼體上安裝引電螺釘，將加工電流引入殼體內部工作液并傳遞到加工區(qū)域；設計時考慮了殼體能夠承受的設計壓力及轉動部分的設計結構尺寸。密封部分主要是根據(jù)設計的壓力、旋轉的速度進行選擇使用。電極轉速可調電加工裝置整體結構圖如圖1所示。

2 內部流固耦合分析

2.1 幾何模型及網(wǎng)格劃分

電極轉速可調電加工裝置進行內部流固耦合分析時，幾何模型的建立包括固體域幾何模型和流體域幾何模型。如圖2所示固體域幾何模型及網(wǎng)格劃分。對于流體域幾何模型，其參數(shù)設置如表1所示，流體域幾何模型及網(wǎng)格劃分如圖3所示。對于固體域幾何模型和流體域幾何模型的網(wǎng)格劃分采用四面體單元進行細化，其中固體域幾何模型網(wǎng)格生成總數(shù)為110 806，流體域幾何模型網(wǎng)格生成總數(shù)333 892。

2.2 分析方法

本文主要通過改變加工裝置入口流速的變化，采用CFX進行流固耦合分析，來考察發(fā)生流固耦合作用時對轉動部分的影響。

2.3 計算結果與分析

1） 入口流速與轉動部分變形量的關系

由圖4可知，轉動部分最大變形量發(fā)生在轉片的外側位置，隨著加工裝置工作液入口流速的增加，轉動部分的變形量也不斷增加，最大變形量位置不變，轉動部分的旋轉軸下端變形量最小且接近于零。主要因為加工裝置內部發(fā)生流固耦合作用時，工作液與轉片間的耦合作用起主導作用，使轉片的形變量最大；加工裝置入口工作液與轉片的初始接觸位置為轉片外測且切向于轉片，入口流速越高，切向力越大，形變量越大且位置不變。

2） 入口流速與轉動部分應力關系

由圖5可知，加工裝置轉動部分的應力主要分布在轉片各通液口之間和轉動部分旋轉軸上端，轉動部分旋轉軸下端應力較??；隨著加工裝置入口工作液流速的增加，轉動部分的應力也不斷增加，最大應力分布位置不變且應力值較小。主要因為加工裝置內部發(fā)生流固耦合作用時，對于加工裝置殼體內部的轉動部分所受作用力最大，且各轉片上各通液口的通液作用，使得加工裝置內部的轉動部分及各轉片通液口應力最大。由于最大應力值較小，因此進行微小孔加工時，使轉動部分避免了破壞及提高其持續(xù)、穩(wěn)定高速轉動的能力，促進微小孔加工質量。

3） 入口流速與轉動部分轉速的關系

由圖6可知，加工裝置轉動部分的最大速度分布在轉片位于加工裝置入液口所在位置的一側，最小速度分布在轉片位于加工裝置入液口所在位置的另一側；隨著加工裝置入口工作液流速的增加，轉動部分的轉速也不斷增加，且最大轉速位置不變。主要因為加工裝置工作液入口處所對應的轉片區(qū)域為進口工作液的直接作用位置，該區(qū)域的轉片受切向力最大，因此該區(qū)域的瞬時速度最大，反之瞬時速度最??；隨著加工裝置入口工作液流速的增加，從而增大了加工裝置入口處切向于轉片的工作液對轉片的切向力，從而轉動部分的轉速也隨之增加。進行微小孔加工時，轉動部分下端夾持的管電極進行高速旋轉時，可以對加工區(qū)域的管電極表面形成均勻磨損，保證加工微小孔的精度，同時管電極轉速的調節(jié)對加工區(qū)域的工作液形成一定的擾動量，改變微小孔加工的排屑，提高微小孔加工質量。

電極轉速可調電加工裝置進行微小孔加工時，工作液供液裝置流量泵流量Q為15L/min，調節(jié)工作液流速大小的調速閥調節(jié)流量泵出口橫截面積A范圍為28.26×10-6～50.24×10-6m2，所以加工裝置入口流速V調節(jié)范圍為4.9m/s～8.8m/s。對加工裝置內部進行流固耦合分析時，其入口流速設置為5m/s、6m/s、7m/s、8m/s，所以流速設置符合實際加工時入口流速的調節(jié)范圍；加工裝置入口流速為5m/s～8m/s時，隨著入口流速的增加，轉動部分的變形量、應力、轉速隨之增加，且最大變形量為1.066×10-4、應力為3.273N、轉速為24.54m/s，所以轉動部分取最高轉速情況下，其最大變形量、應力較小，最大變形量、應力越小，工作越平穩(wěn)。因此，電極轉速可調加工裝置進行微小孔加工時，能夠實現(xiàn)高轉速平穩(wěn)加工。

3 結論

1） 本文依據(jù)特斯拉渦輪機原理設計了電極旋轉速度可調的電加工裝置。

2） 隨著加工裝置入口流速的增加，轉動部分的最大變形量、最大應力、最大轉速也增加，且分布位置不發(fā)生改變。

參考文獻：

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（責任編輯：李 麗）