段李鑫DUAN Li-xin；張長(zhǎng)富ZHANG Chang-fu；武鴻力WU Hong-li

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，西安710021）

0 引言

電解加工以其不同于常規(guī)機(jī)械加工的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，在航空航天、兵器、石油化工等方面發(fā)揮著巨大的作用[1]。目前，研究電解加工成形規(guī)律的方式通常為利用有限元思想在ANSYS、COMSOL、Matlab等軟件中進(jìn)行模擬仿真，或者針對(duì)特定工件，建立仿真單一物理場(chǎng)的理論模型和多場(chǎng)耦合仿真模型，但由于電解加工過(guò)程受到多個(gè)物理場(chǎng)和加工參數(shù)的影響，因而對(duì)電解加工陽(yáng)極成形過(guò)程準(zhǔn)確預(yù)測(cè)較為困難[2]。在國(guó)內(nèi)，相關(guān)科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)控制陰極運(yùn)動(dòng)軌跡能夠加工航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片、整體葉盤(pán)、葉輪等復(fù)雜曲面，并開(kāi)發(fā)了數(shù)控展成電解加工軟件包，能夠?qū)崿F(xiàn)電解加工過(guò)程中陰極運(yùn)動(dòng)軌跡的運(yùn)算、葉片等工件型面的數(shù)據(jù)提取與處理等功能[3]。電解加工過(guò)程中陽(yáng)極形貌變化不僅取決于電流密度的大小和分布狀況，溫度、流場(chǎng)、電解液性質(zhì)也是關(guān)鍵的影響因素，而準(zhǔn)確模擬陽(yáng)極工件加工過(guò)程對(duì)研究工件成形規(guī)律和加工實(shí)驗(yàn)，為獲得良好的加工工件尤為重要[4]。

本文提出在COMSOL Multiphysics 5.5中針對(duì)板狀工件加工盲槽建立圓柱形陰極電解加工二維模型，運(yùn)用電流與變形幾何物理場(chǎng)耦合求解瞬態(tài)仿真，并保持陰極不作任何運(yùn)動(dòng)，給定陽(yáng)極溶解速度，依據(jù)網(wǎng)格質(zhì)量自動(dòng)重新剖分網(wǎng)格，對(duì)電解加工過(guò)程實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬仿真，并研究各個(gè)時(shí)間段的電場(chǎng)分布和陽(yáng)極去除量，得到工件成形規(guī)律。

1 加工原理

電解加工是利用陽(yáng)極金屬工件在電解液中發(fā)生溶解反應(yīng)，從而達(dá)到去除工件多余材料的目的[5]。同時(shí)，電解加工有著生產(chǎn)效率高、加工范圍廣、表面質(zhì)量好、工具陰極理論無(wú)損耗、可用于加工薄壁和易變形零件等諸多優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于難切削金屬材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)或特殊結(jié)構(gòu)的加工，例如葉片、花鍵、炮管膛線、葉盤(pán)、蝸輪蝸桿、異形孔等[6]。并且，隨著電解加工技術(shù)的發(fā)展，近些年來(lái)，出現(xiàn)了多種類型的電解加工技術(shù)，比如復(fù)合電解加工、數(shù)控電解加工、高窄頻脈沖電流電解加工、展成法電解加工等新技術(shù)，使電解加工技術(shù)不斷走向精密化、微細(xì)化、智能化發(fā)展，其應(yīng)用也不斷地由國(guó)防工業(yè)延伸到民用工業(yè)。

本文所用圓柱形陰極電解加工原理示意圖如圖1所示，黃銅柱棒陰極與電解加工機(jī)床主軸連接，主軸連接脈沖電源負(fù)極；工件為板狀結(jié)構(gòu)，厚度約為12mm，材料為金屬材料，連接脈沖電源正極；陰極為中空結(jié)構(gòu)，電解液經(jīng)過(guò)水泵抽取后流經(jīng)陰極內(nèi)部到達(dá)加工區(qū)域，之后流至電解液回收槽經(jīng)過(guò)三級(jí)過(guò)濾單元完成過(guò)濾循環(huán)流動(dòng)，實(shí)際加工時(shí)通過(guò)數(shù)控面板實(shí)現(xiàn)主軸對(duì)刀，達(dá)到所需的加工間隙后保持陰極相對(duì)位置，工件陽(yáng)極特定區(qū)域內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)溶解。

圖1 圓柱形陰極電解加工原理示意圖

電解加工成形過(guò)程如圖2所示，陰極和陽(yáng)極之間的初始加工間隙為δ，陰極連接在主軸上，加工時(shí)陰極保持不動(dòng)，加工開(kāi)始后陽(yáng)極工件表面發(fā)生溶解，加工過(guò)程中陽(yáng)極產(chǎn)生的金屬離子沉淀物會(huì)隨著電解液流動(dòng)沖刷至電解液槽中沉淀，此時(shí)陽(yáng)極表面會(huì)隨著反應(yīng)形成圓形盲槽，圖2中dy為即一段時(shí)間的加工深度，該加工深度會(huì)隨時(shí)間呈線性變化趨勢(shì)，并且加工至某個(gè)時(shí)間后陽(yáng)極不再發(fā)生溶解反應(yīng)，盲槽加工完成。

圖2 電解加工過(guò)程

2 有限元模型建立

為便于計(jì)算，建立幾何模型如圖3（a）所示，其中陰極邊界包括Γ1，Γ2，Γ3；陽(yáng)極邊界為Γ4；電解液邊界為Γ5，Γ6。仿真時(shí)，陰極材料為黃銅，陽(yáng)極材料為不銹鋼，電解液為5% NaCl+15%NaNO3+2%Na2SO4，這是因?yàn)镹aCl和NaNO3混合后，通過(guò)電解液中鈍性和活性陰離子相互補(bǔ)償作用，易于達(dá)到均勻活化溶解或均勻超鈍化溶解的目的，Na2SO4可以有效的提升加工速率。

對(duì)電解加工成形過(guò)程實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬，在模型中添加變形幾何與電流物理場(chǎng)進(jìn)行耦合求解分析。對(duì)所建模型選擇三角形網(wǎng)格劃分，選擇超細(xì)化劃分指令，構(gòu)建的網(wǎng)格局部圖如圖3（b）所示，其中最大單元大小為0.12mm，最小單元大小為5.25×10-4mm，最大單元增長(zhǎng)率為1.2，曲率因子為0.25，狹窄區(qū)域分辨率為1，縮放幾何比例為1，控制實(shí)體選擇“跨移除的控制實(shí)體進(jìn)行平滑”。

圖3 幾何模型及其網(wǎng)格構(gòu)建

選擇瞬態(tài)求解器，并且在電流模塊和變形幾何模塊添加的條件為：

電流模塊：Γ4選擇電勢(shì)12V；Γ1，Γ2，Γ3選擇接地；Γ5，Γ6選擇電絕緣處理；材料類型選擇“來(lái)自材料”；傳導(dǎo)模型選擇“電導(dǎo)率”；電導(dǎo)率根據(jù)工件材料計(jì)算得出為7.6S/m，并選擇“各向同性”；電介質(zhì)模型選擇“相對(duì)介電常數(shù)”，設(shè)置數(shù)值為1.1，并選擇“各向同性”。

變形幾何模塊：Γ2選擇設(shè)置Y方向速度；Γ1，Γ3選擇設(shè)置X方向位移；Γ4選擇指向法向網(wǎng)格速度，Vn=-K（ec.nJ）/（m/s）；其余邊界選擇“指定網(wǎng)格位移”和“自由變形”。

添加瞬態(tài)研究，時(shí)間步選擇每5s為一個(gè)時(shí)間，總共仿真60s的時(shí)間，因變量值設(shè)置為“物理場(chǎng)控制”，適應(yīng)選擇“自適應(yīng)網(wǎng)格細(xì)化”，研究拓展選擇“輔助掃描”和“自動(dòng)重新劃分網(wǎng)格”。最后后處理時(shí)選擇加工15s、30s、45s、60s四個(gè)時(shí)刻的對(duì)應(yīng)物理場(chǎng)分布繪制電流密度二維分布圖，選擇Γ2繪制電流密度數(shù)值一維線圖和陽(yáng)極去除量一維線圖，最后導(dǎo)出線圖數(shù)據(jù)和二維分布圖數(shù)據(jù)，將電流密度一維線圖數(shù)據(jù)進(jìn)行求平均處理，得出加工區(qū)域的平均電流密度，同時(shí)將陽(yáng)極去除量一維線圖數(shù)據(jù)使用繪圖軟件進(jìn)行點(diǎn)線圖繪制。

3 仿真分析

圖4 為分別動(dòng)態(tài)仿真加工15s、30s、45s、60s時(shí)的電流密度分布圖，圖中黑色直線為陰陽(yáng)兩極初始輪廓間隙位置，由局部放大圖可以看出陽(yáng)極材料被蝕除后的輪廓和每個(gè)時(shí)間段對(duì)應(yīng)的電流密度。其中15s時(shí)，加工區(qū)域平均電流密度為14.6A/cm2；30s時(shí)，加工區(qū)域平均電流密度為16.2A/cm2；45s時(shí)，加工區(qū)域平均電流密度為17.9A/cm2；60s時(shí)，加工區(qū)域平均電流密度為19.1A/cm2；同時(shí)，在陽(yáng)極表面的兩側(cè)處，電流密度較大，這是由尖端效應(yīng)引起的。由四張圖分析可知，隨著加工時(shí)間增長(zhǎng)，電流密度隨之增加，并且圓柱形陰極外側(cè)靠近陽(yáng)極型面端的電流密度分布不均現(xiàn)象有改善，整個(gè)陽(yáng)極型面電場(chǎng)分布會(huì)更加均勻，同時(shí)，可以預(yù)測(cè)加工至某一時(shí)刻后，加工間隙達(dá)到最大，此時(shí)陽(yáng)極工件已無(wú)法正常發(fā)生陽(yáng)極溶解反應(yīng)，此時(shí)陽(yáng)極表面電流密度分布達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，工件加工質(zhì)量最優(yōu)。

圖4 加工15s、30s、45s、60s時(shí)電流密度

圖5 為五個(gè)不同時(shí)間段對(duì)應(yīng)的陽(yáng)極面加工深度，初始加工時(shí)刻，陽(yáng)極和陰極未通電，陽(yáng)極表面不進(jìn)行溶解反應(yīng)，此時(shí)加工深度為0mm；15s時(shí)，陰極與陽(yáng)極間發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，此時(shí)陽(yáng)極表面開(kāi)始緩慢溶解，工件加工深度并不明顯；30s時(shí)，陽(yáng)極表面激烈反應(yīng)，加工區(qū)域電流密度呈現(xiàn)不均現(xiàn)象，陽(yáng)極表面加工深度呈現(xiàn)“兩邊少中間多”的現(xiàn)象；45s時(shí)，陰極兩側(cè)與陽(yáng)極表面之間電流密度分布情況改善明顯，并且陽(yáng)極被加工表面加工深度進(jìn)一步增加；60s時(shí)，陰極與陽(yáng)極之間的加工間隙增加較明顯，此時(shí)電解加工平衡間隙增大，陽(yáng)極電化學(xué)溶解速率明顯減緩，電解加工過(guò)程進(jìn)入末端，再經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，整個(gè)加工過(guò)程會(huì)停止。同時(shí)，可以得出陰極兩側(cè)因?yàn)殡娏髅芏却?，溶解速度快，加工深度大于其它區(qū)域。并且，通過(guò)五個(gè)時(shí)刻的陽(yáng)極表面材料加工深度與仿真時(shí)間關(guān)系得出，陽(yáng)極型面溶解速度與加工時(shí)間之間存在線性關(guān)系，即隨著加工時(shí)間增加，陽(yáng)極型面加工深度增加，并加工至某時(shí)刻，陽(yáng)極型面加工深度不再發(fā)生變化。

圖5 陽(yáng)極表面材料加工深度與仿真時(shí)間的關(guān)系

4 結(jié)論

本文提出了圓柱形陰極電解加工成形過(guò)程仿真思路，針對(duì)平板工件加工盲槽形狀建立了二維仿真模型，并仿真分析了四個(gè)不同時(shí)刻時(shí)陽(yáng)極表面的電流密度分布和陽(yáng)極去除量，得到了陽(yáng)極表面材料加工深度與仿真時(shí)間的關(guān)系，并且分析了圓柱形陰極加工時(shí)電場(chǎng)分布產(chǎn)生不均的原因，研究了陽(yáng)極工件的成形規(guī)律，為進(jìn)一步研究電解加工復(fù)雜曲面的過(guò)程控制、成形過(guò)程及陰極優(yōu)化等問(wèn)題提出了一種思路。