李博，李清良，楊海娟

(1.西安工程大學(xué)工程訓(xùn)練中心，陜西西安 710600；2.西安昆侖工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，陜西西安 710043；3.西安汽車(chē)職業(yè)大學(xué)，陜西西安 710600)

0 前言

與機(jī)械切削加工使用刀具完成工件的成型一樣，電解加工成型也需要刀具，稱(chēng)為工具陰極。電解加工工具陰極的設(shè)計(jì)是一項(xiàng)復(fù)雜的工作，陰極設(shè)計(jì)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和型面設(shè)計(jì)。而陰極型面的設(shè)計(jì)問(wèn)題從電解加工誕生到現(xiàn)在一直困擾著電解加工工藝的發(fā)展，是影響零件的尺寸精度和形狀精度的極其關(guān)鍵因素。目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者創(chuàng)造性地提出了混合膛線(xiàn)新結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，實(shí)踐上采用帶修正齒的陰極，即在陰極工作齒的后端增設(shè)修正圈，利用其突出的尖角部位對(duì)膛線(xiàn)根部圓弧加工，從而使根部圓弧進(jìn)一步減小，其效果比較顯著。但是，陰極突出的尖部長(zhǎng)度、寬度如處理不當(dāng)，將造成電解液流場(chǎng)絮亂，導(dǎo)致膛線(xiàn)局部的深切或接刀不圓滑，因此新的膛線(xiàn)結(jié)構(gòu)對(duì)陰極的設(shè)計(jì)要求越來(lái)越高[1]。

20世紀(jì)，美國(guó)國(guó)家航天局模仿生物鯊魚(yú)表皮，把航空航天飛行器的表面設(shè)計(jì)成了一定尺寸參數(shù)的形狀，進(jìn)而改善湍流邊界層的流場(chǎng)，降低摩擦阻力[2-4]。德國(guó)柏林的BELCHER等對(duì)V形、U形、L形、Space-V形4種不同形狀的生物仿生形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析與測(cè)試，通過(guò)一系列的試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：V形生物仿生形狀結(jié)構(gòu)的減阻效果最好，最高減阻效果達(dá)10%[5]。國(guó)內(nèi)朱狄、唐霖等人通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電解加工陰極與工件之間加工間隙的電解液處于湍流狀態(tài)時(shí)，加工質(zhì)量得到保證[6-9]。本文作者通過(guò)對(duì)陰極型面仿生設(shè)計(jì)，采用生物仿生減阻技術(shù)改善陰極與陽(yáng)極之間近壁區(qū)流場(chǎng)，從而減小壁面摩擦阻力，有效穩(wěn)定加工間隙流場(chǎng)。同時(shí)，采用仿生結(jié)構(gòu)陰極進(jìn)行電解加工試驗(yàn)，對(duì)加工成型后膛線(xiàn)切片進(jìn)行測(cè)量分析，結(jié)果表明：仿生結(jié)構(gòu)陰極滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，工件加工精度得到保證。

1 仿生陰極整體設(shè)計(jì)

圖1所示仿生陰極的整體結(jié)構(gòu)，局部放大圖為工作齒。整個(gè)陰極在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下，每個(gè)輪盤(pán)的工作銅齒按照數(shù)控加工程序的指令作軸向和縱向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，每個(gè)工作銅齒的加工方向和膛線(xiàn)螺旋角的變化始終一致，理論上滿(mǎn)足加工工藝的要求。

圖1 整體仿生陰極結(jié)構(gòu)與工作齒

2 仿生工作齒型面設(shè)計(jì)

2.1 仿生減阻機(jī)制及工作齒型面設(shè)計(jì)

仿生結(jié)構(gòu)減阻機(jī)制如圖2所示，加工間隙電解液流速較高，當(dāng)電解液湍流經(jīng)過(guò)陰極尖角部位時(shí)，電解液與尖角相互作用，在尖角附近會(huì)產(chǎn)生二次旋渦將流向渦與凹槽底部隔離開(kāi)來(lái)。如圖3所示，在黏性作用影響下，底部流場(chǎng)速度小，頂部流場(chǎng)速度大，使得黏性底層的厚度增加，流體在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中不直接與固體表面接觸，而是從近壁區(qū)低速流帶(黏性底層低速流帶)上經(jīng)過(guò)，降低了能量損失，減小了流體和壁面的接觸面積，進(jìn)而減小了邊界層內(nèi)流動(dòng)的剪切應(yīng)力，導(dǎo)致表面摩擦阻力減小，從而實(shí)現(xiàn)陰極仿生結(jié)構(gòu)減阻的作用[10-13]。

圖2 減阻機(jī)制

圖3 二次渦立體圖(a)和二次渦平面圖(b)

V形仿生結(jié)構(gòu)摩擦阻力小，減阻效果最好。如圖4所示，當(dāng)電解液流經(jīng)工作齒表面時(shí)，借助三維COMSOL軟件優(yōu)化仿生工作齒的根部，研究在電解液速度一致時(shí)的工作齒表面的摩擦阻力及減阻效果。

圖4 仿生表面示意

從目前研究成果來(lái)看，V形仿生結(jié)構(gòu)有以下4種，s/h=1、s/h=2、s∶h∶a=1、s/h=4。采用COMSOL對(duì)以上4種仿生結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算[14-15]。圖5給出了4種不同仿生尺寸形狀結(jié)構(gòu)圖，取基本尺寸為s=h=0.1 mm，a=0 mm；s=0.1 mm，h=0.05 mm，a=0 mm；s=0.2 mm，h=0.05 mm，a=0 mm和s=h=a=0.05 mm。

圖5 不同尺寸形狀結(jié)構(gòu)

2.2 仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

擬通過(guò)減阻量計(jì)算對(duì)圖5設(shè)計(jì)的4種不同尺寸形狀結(jié)構(gòu)進(jìn)行比較。減阻量計(jì)算公式如下：

τ=μγ

(1)

式中：τ為剪切應(yīng)力；μ為動(dòng)力黏度，Pa·s；γ為剪切速率。

比較4種不同尺寸仿生結(jié)構(gòu)形狀不同參數(shù)的摩擦力和減阻效果，需要對(duì)電解加工間隙電解液的流場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比分析。采用COMSOL軟件對(duì)加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行模擬仿真，比較其速度、湍流參數(shù)、剪切速率的分布云圖及分布曲線(xiàn)。

2.2.1 仿生表面速度的計(jì)算機(jī)仿真

(1)加工間隙模型

在電解加工過(guò)程中，提高電解液流動(dòng)的速度，使電解液能迅速帶走蝕出產(chǎn)物。當(dāng)電解液湍流狀態(tài)，電解液濃差極化被消除，故采用RNGκ-ε模型：

(2)

(2)邊界條件

根據(jù)質(zhì)量守恒的定義公式：

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨(dú)立．

ρ1u1A1=ρ2u2A2

(3)

對(duì)勻質(zhì)、不可壓縮流體，公式(3)變?yōu)?/p>

u1A1=u2A2

(4)

式中：u1為進(jìn)口速度15 m/s；u2為出口速度；A1、A2分別為進(jìn)出口處加工間隙面積。利用UG軟件測(cè)出A1=0.852 415 459 mm2，A2=1.777 412 143 mm2，故：

邊界條件u2出口速度為7.193 73 m/s。在COMSOL理想環(huán)境中，在進(jìn)行網(wǎng)格劃分時(shí)還要對(duì)工作齒型面尖角作細(xì)化處理，效果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格剖分

圖7為4種尺寸仿生表面速度分布，可以看出：仿生表面的存在改變了加工間隙的流場(chǎng)特性。4種形狀尺寸仿生結(jié)構(gòu)均改善了加工間隙流暢的分布，4種形狀尺寸速度分布云圖基本一致，不管哪一種形狀尺寸，靠近仿生結(jié)構(gòu)附近的電解液流動(dòng)速度穩(wěn)定、流速較慢，這也恰好證明了黏性底層低流速條帶的存在。圖7(a)速度最高達(dá)89.36 m/s，圖7(b)速度最高達(dá)94.485 m/s；圖7(c)的最高速度89.338 m/s為最低，圖7(d)速度最高達(dá)92.489 m/s。綜合比較來(lái)看，圖7(c)速度最高值最低，相應(yīng)的速度分布最為均勻，流場(chǎng)也相對(duì)穩(wěn)定。

圖7 仿生結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布

如圖8所示，為弄清楚4種仿生結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)下加工間隙的流場(chǎng)分布情況，順著y方向某個(gè)位置x方向選擇一段[15]，得到4種速度分布曲線(xiàn)。

圖8 速度分布曲線(xiàn)

結(jié)果表明：4種仿生參數(shù)工作齒表面的速度分布趨勢(shì)一致；4種仿生參數(shù)的速度曲線(xiàn)中都有一段呈拋物線(xiàn)型的二次分布，這是反向渦速度分布曲線(xiàn)，反向渦流使加工間隙電解液的速度梯度減小，減小摩擦阻力；在曲線(xiàn)后半段有類(lèi)似于對(duì)數(shù)線(xiàn)型分布的曲線(xiàn)，說(shuō)明仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部對(duì)流場(chǎng)的影響比較大。當(dāng)s=h=a=0.05 mm時(shí)，二次分布值最為明顯，漩渦的速度最大。

2.2.2 湍流參數(shù)分析

(1)表面湍動(dòng)能

圖9為湍動(dòng)能分布曲線(xiàn)，可以看出：s=0.2 mm、h=0.05 mm的仿生表面湍動(dòng)能的變化比較平緩，減弱了邊界層內(nèi)湍流脈動(dòng)，降低了湍流猝發(fā)強(qiáng)度，使得邊界層內(nèi)流場(chǎng)較為平穩(wěn)，從而達(dá)到減阻的目的。

圖9 湍動(dòng)能變化規(guī)律

(2)湍流動(dòng)能耗散率

圖10為湍流耗散速率分布曲線(xiàn)，可以看出，在仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面近壁區(qū)，仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部的低速二次渦對(duì)湍流有著明顯的抑制作用，s=0.2 mm、h=0.05 mm的仿生表面湍流耗散速率在近壁區(qū)增長(zhǎng)比較緩慢，邊界層的能量轉(zhuǎn)換不劇烈，使得邊界層流場(chǎng)較為平穩(wěn)。

圖10 耗散速率曲線(xiàn)

2.2.3 剪切速率

圖11給出了仿生表面剪切速率的對(duì)比云圖，可知：當(dāng)s=0.1 mm、h=0.05 mm時(shí)，剪切速率最大；當(dāng)s=0.2 mm、h=0.05 mm時(shí)，剪切速率最小。圖12中有一段曲線(xiàn)變化較為平緩，這是因?yàn)殡娊庖涸诠战堑胤?，加工間隙由于截面變化不明顯，剪切速率變化不明顯。越靠近待加工零件的壁面，剪切速率越來(lái)越小，電解液與壁面的摩擦帶走了一部分能量，使剪切應(yīng)力迅速變小，速度梯度變化較大，曲線(xiàn)也陡然下降。當(dāng)s=0.2 mm、h=0.05 mm時(shí)，在大部分位置，它的剪切力最小，說(shuō)明它的減阻效果最好。

圖12 剪切速率分布曲線(xiàn)

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

如圖13所示，參照一般電解加工工藝參數(shù)，在大型臥式電解機(jī)床上進(jìn)行仿生陰極試驗(yàn)，電解加工參數(shù)設(shè)置如下：加工電壓10～13 V，進(jìn)給速度12～16 mm/min，電解液壓力2 MPa，電解液溫度35 ℃。通過(guò)工藝試驗(yàn)，驗(yàn)證仿生陰極工作齒方案s=0.2 mm、h=0.05 mm時(shí)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是否合理。

圖13 仿生陰極(a)及加工現(xiàn)場(chǎng)(b)

如圖14所示，為仿生陰極加工出的膛線(xiàn)實(shí)物及切片，整個(gè)電解加工過(guò)程十分穩(wěn)定。對(duì)加工任意切片進(jìn)行測(cè)量，其表面粗糙度Ra達(dá)1.6 μm，滿(mǎn)足零件圖紙的要求。

4 結(jié)論

根據(jù)仿生減阻機(jī)制，提出4種不同尺寸形狀的仿生結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。通過(guò)仿真，對(duì)該4種不同尺寸形狀仿生結(jié)構(gòu)對(duì)間隙電解液流場(chǎng)影響進(jìn)行分析，通過(guò)試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)論如下：

(1)在仿生表面近壁區(qū)存在著低速流帶，該低速流帶被黏性所阻滯，抑制了流動(dòng)的不穩(wěn)定性，增加了黏性底層的厚度，從而減小了壁面剪切力，使摩擦阻力減小，仿生表面速度分析很好地證明了這一點(diǎn)。

(2)通過(guò)對(duì)湍流參數(shù)的對(duì)比、分析，當(dāng)工作齒表面仿生尺寸為s=0.2 mm、h=0.05 mm時(shí)減阻效果最佳，不僅可以有效降低仿生表面所受到的剪切應(yīng)力，同時(shí)保證底部受到很小的切應(yīng)力，穩(wěn)定流場(chǎng)減小了整個(gè)系統(tǒng)的摩擦阻力，提高了加工效率。

(3)通過(guò)工藝試驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)對(duì)切片的測(cè)量及分析，零件表面粗糙度Ra達(dá)1.6 μm，試驗(yàn)結(jié)果表明仿生陰極工作齒在電解加工過(guò)程中，加工間隙流場(chǎng)均勻穩(wěn)定，滿(mǎn)足實(shí)際工藝要求。