閉式整體構(gòu)件渦道電解加工流場設(shè)計(jì)與分析

康保印，范植堅(jiān)，唐霖

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021）

閉式整體構(gòu)件渦道電解加工流場設(shè)計(jì)與分析

康保印，范植堅(jiān)，唐霖

（西安工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710021）

閉式整體構(gòu)件渦道的電解加工是型孔成型與型面拷貝的串聯(lián)，流場設(shè)計(jì)是陰極工裝研制的重要一環(huán)。在三維參數(shù)化軟件UG平臺(tái)上分別建立進(jìn)液面積均為出液面積2倍的正流式與反流式加工兩種裝置模型，基于多物理場建模與仿真軟件COMSOL Multiphysics對(duì)正、反流供液的間隙流場進(jìn)行仿真。在相同電解液壓力條件下，從流線圖、速度云圖、壓力云圖分析不同供液方式形成的不同間隙流場的區(qū)別。分析結(jié)果表明：反向供液端面和側(cè)面間隙的流速均高于正向供液，反向供液流場更均勻、飽滿。采用反向供液設(shè)計(jì)的工裝進(jìn)行工藝試驗(yàn)，加工過程平穩(wěn)，無火花、短路發(fā)生，該套工裝現(xiàn)已投入應(yīng)用。

機(jī)械制造工藝與設(shè)備；閉式整體構(gòu)件；電解加工；流場；工裝

0　引言

閉式整體構(gòu)件材料強(qiáng)度高，形狀復(fù)雜，渦道加工不具備刀具的可達(dá)性，在機(jī)械制造工藝與設(shè)備學(xué)中是一個(gè)加工難題，采用數(shù)控電解/電火花組合加工技術(shù)是一條有效途徑［1］。在電解加工中，流場設(shè)計(jì)是非常重要的環(huán)節(jié)，國內(nèi)外學(xué)者為改善電解加工流場開展了一系列研究［2］。李清良等［3］對(duì)閉式整體構(gòu)件流道電解加工流場進(jìn)行了仿真，LI等［4］研究了流場對(duì)電解加工陰極設(shè)計(jì)的影響，徐正揚(yáng)等［5］采用“雙向進(jìn)液”的供液方式，吳建民等［6］進(jìn)行了數(shù)控電解加工流場數(shù)值模擬。上述研究多為側(cè)向供液，這種流動(dòng)形式流場均勻，電解液流動(dòng)的截面積沿流程變化不大，在有條件采用該種形式的情況下是最理想的，但是閉式整體構(gòu)件渦道的成型是型孔與型面拷貝的串聯(lián)，并且當(dāng)加工到渦道排氣邊進(jìn)入型面拷貝階段，型孔加工仍須繼續(xù)推進(jìn)（繼續(xù)挖盲槽），只能采用正流式或反流式加工。這種在幾何位置上串聯(lián)，在時(shí)間上并行進(jìn)行的流場設(shè)計(jì)和加工間隙流場分布的詳盡探討尚不多見［7］。反流式加工原來主要用于模具型腔電解加工，在零件毛坯或夾具平面上直接壓緊即可實(shí)現(xiàn)密封，而本文待加工工件渦道的進(jìn)氣口和排氣邊分布在內(nèi)、外環(huán)形溝里，不具備類似模具型腔可供密封的零件毛坯或夾具平面，很難同時(shí)密封弧面和上下兩個(gè)壁面，要實(shí)現(xiàn)開槽、拷形一步電解成形，必須解決好密封問題，在流場設(shè)計(jì)上進(jìn)行創(chuàng)新。

本文在三維參數(shù)化軟件UG平臺(tái)上建立了正、反供液兩種裝置模型，基于多物理場COMSOL仿真軟件平臺(tái)［8］，從流線、速度、壓力分布等方面比較了正、反流兩種流場，根據(jù)比較結(jié)果，取優(yōu)者進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。

1　間隙流場模型

1.1集加工盲孔和拷形為一體的集成陰極

加工對(duì)象如圖1所示。渦道深、窄、彎曲，從進(jìn)氣口至喉部截面由大變小，從喉部至排氣邊截面由小變大，電解加工以喉部為界，分內(nèi)、外兩段加工。本文討論從排氣邊至渦道喉部的電解加工間隙流場。

目前渦道電解加工均采用先開槽、后拷形的方法，兩個(gè)陰極，分兩步完成。由于先開通孔，后續(xù)電解拷形實(shí)質(zhì)是側(cè)向供液，流場條件較好。流場設(shè)計(jì)的核心在于陰極設(shè)計(jì)，本文為提高加工效率，設(shè)計(jì)了在盲孔中開槽、拷形一步完成的集成陰極。

圖1　加工對(duì)象Fig.1 Processed object

陰極如圖2所示：端面及拋光圈起開槽作用，端面開有1.5 mm寬的十字槽，大部分流量從十字槽流過，是主流道，面積S1=39.5 mm2；腰部型面（下文簡稱腰面）開有2條0.5 mm寬的斜槽，為輔流道，在型面拷貝過程中起補(bǔ)充流量的作用，面積S2= 2×10×0.5=10 mm2，總的過液面積S0=S1+S2= 49.5 mm2.陰極的端面，拋光圈和腰面為加工面，非加工面用環(huán)氧樹脂絕緣。

圖2　陰極Fig.2 Cathode

1.2兩種供液方案的工裝

針對(duì)加工對(duì)象渦道處于環(huán)形溝內(nèi)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了對(duì)工件整體密封，渦道口采用導(dǎo)套實(shí)現(xiàn)陰極移動(dòng)密封的工裝，正流加背壓與反流式加工兩種方案的出、入口面積分別相等，為保證腔體內(nèi)流體充足和形成背壓，根據(jù)前人的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，進(jìn)液面積取為出液面積的2倍，其工裝結(jié)構(gòu)如圖3所示。正流式加工裝置入口為一個(gè)直徑φ17 mm的孔，出口為兩個(gè)直徑φ8.5 mm的孔；反流式加工裝置入口為兩個(gè)直徑φ12 mm的孔，出口為一個(gè)直徑φ12 mm的孔，兩模型進(jìn)液面積均為226 mm2，出液面積均為113 mm2.

圖3　供液裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Liquid feeding device structure

1.3間隙流場幾何模型

間隙流場模型為加工時(shí)陰極和工件以及夾具中填充電解液的部分，如圖4所示。

1.4間隙流場數(shù)學(xué)模型

流體的流動(dòng)形態(tài)有層流和湍流，判定準(zhǔn)則為雷諾數(shù)Re：Re＜2 300為層流；Re＞2 300為湍流。雷諾數(shù)，u為電解液流速，Dh為水力直徑，ν為電解液運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)。

仿真采用進(jìn)口流速u=15 m/s，進(jìn)口壓力0.6 MPa，出口壓力為大氣壓101 325 Pa，根據(jù)加工條件，取電解液溫度t=35℃，密度ρ=1 100 kg/m3，動(dòng)力粘度μ=7.193 148×10-4kg/（m·s），運(yùn)動(dòng)粘性系數(shù)ν=為入口水力直徑，A為入口過水面積，L為過水截面濕邊周長。

圖4　間隙流場幾何模型Fig.4 Geometric model of gap flow field

帶入雷諾數(shù)中，均得Re＞2 300，故流動(dòng)形態(tài)均為湍流。

間隙內(nèi)的介質(zhì)看作不可壓縮粘性流體，根據(jù)Navier-Stokes方程［9］：

式中：ρ為流體密度；u為流體速度矢量在x方向（加工進(jìn)給方向，如圖3所示）的分量；p為流體微元體上的壓力；g為重力加速度。

對(duì)不可壓縮流體的湍流穩(wěn)態(tài)模型，不考慮重力影響，本文使用基于Boussinesq假設(shè)的標(biāo)準(zhǔn)k-ε兩方程模型［3，9］進(jìn)行求解。

式中：k、ε分別為湍動(dòng)能和湍動(dòng)能耗散率；μt為湍動(dòng)黏度；pk為平均速度梯度引起的湍動(dòng)能產(chǎn)生項(xiàng)；Cc1、Cc2、Cμ、σk、σε為模型常數(shù)，根據(jù)Launder等的推薦值及試驗(yàn)驗(yàn)證，其取值［6，9］見表1.

表1　常數(shù)項(xiàng)取值Tab.1 Values of constant terms

2　基于COMSOL的流場仿真分析

對(duì)上述模型進(jìn)行數(shù)值求解，結(jié)果用速度等值線云圖、壓力等值線云圖以及流線圖表示，如圖5～圖8所示。

2.1型孔底部的端面間隙流場

加工時(shí)，陰極端面是進(jìn)行型孔開槽的前沿，其與工件之間的間隙是型孔加工的底部間隙，也可稱為陰極端面間隙。陰極端面十字槽中部是低流速區(qū)，由圖5可觀察正、反流式該低流速區(qū)域流場的區(qū)別：圖5（a），正向供液藍(lán)色區(qū)域面積大；圖5（b），反向供液中部低流速區(qū)相對(duì)較小，流速最高區(qū)處于十字槽的4個(gè)端部。

圖5 陰極端面間隙流速等值線云圖Fig.5 Flow velocity isoline nephograms of end gap

圖6陰極端面間隙電解液壓力等值線云圖表明，反向供液時(shí)底部間隙邊角棱線處電解液壓力高，而正向供液時(shí)，電解液的高壓區(qū)集中在中部，加工過程中邊角棱線處最容易短路，仿真表明，反向供液的底部間隙流場對(duì)避免邊角棱線處短路是有利的。

圖6　底部間隙電解液壓力等值線云圖Fig.6 Electrolyte pressure isogrames of end gap

圖7　縱向剖切面流線圖Fig.7 Longitudinal section streamline

2.2型孔和渦道排氣邊型面縱向剖切面流線

圖7是沿電解液流動(dòng)方向剖切陰極得到的縱向剖切面流場流線分布，圖7（a）所示正向供液陰極腔體內(nèi)部主流道部位可觀察到渦流現(xiàn)象，流線稀少，正向供液的電解液流向是從陰極內(nèi)流向加工間隙，陰極腔體內(nèi)部是高壓區(qū)，出現(xiàn)渦流將直接影響型孔加工的間隙流場，不利于加工；圖7（b）反向供液陰極腔體內(nèi)部主流道流線分布較為飽滿，雖然腰部斜槽附近也出現(xiàn)了少量渦流，因?yàn)槭禽o流道，反向供液的電解液是從加工間隙流回陰極腔體，處于流場的低壓區(qū)，對(duì)加工間隙電解液的流動(dòng)影響較小。這正是圖5正、反向供液端面間隙電解液低流速區(qū)域分布不同的原因。

2.3側(cè)面間隙流場—渦道排氣邊型面的間隙流場

渦道排氣邊型面對(duì)應(yīng)陰極的“腰面”（見圖2），向“腰面”方向投影，得到自型孔段側(cè)面間隙至渦道排氣邊型面的法向間隙流場流速分布圖，由圖8可見，反向供液拋光圈側(cè)的最高流速達(dá)74.508 m/s，高于正向供液的66.829 m/s，反向供液渦道型面加工處（流速等值線云圖的中后部）流速分布相比正向供液相對(duì)均勻一些。

圖8　側(cè)面間隙流速等值線云圖Fig.8 Flow velocity isoline nephograms of side gap

因此，無論從底部間隙流場、側(cè)面間隙流場以及縱向剖切面流場流線分布來看，反流式均優(yōu)于正流式。

3　工藝試驗(yàn)

試驗(yàn)在DJK-160五軸四聯(lián)動(dòng)數(shù)控電解加工機(jī)床上進(jìn)行，3 000 A可調(diào)頻脈沖電源。本試驗(yàn)采用矩形脈沖電壓，頻率500 Hz，占空比90%，平均電壓為15.5 V，進(jìn)給速度0.7 mm/min，采用復(fù)合電解液10%NaCl+16%NaNO3+2%NaClO3，電解液壓力0.6 MPa，用反流式工裝，加工過程平穩(wěn)，無火花、短路發(fā)生，如圖9所示。

圖9　工藝試驗(yàn)Fig.9 Process test

4　結(jié)論

1）基于COMSOL的正流式、反流式流場分析表明，在進(jìn)液面積均為出液面積2倍，電解液壓力相同情況條件下，從底部間隙流場、側(cè)面間隙流場以及縱向剖切面流場流線分布來看，反流式均優(yōu)于正流式。

2）采用反流式設(shè)計(jì)的工裝進(jìn)行工藝試驗(yàn)，加工過程平穩(wěn)。

3）采用脈沖電源和復(fù)合電解液可以提高電解加工的加工精度。

（

）

［1］徐家文，趙建社.航空發(fā)動(dòng)機(jī)整體構(gòu)件特種加工新技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2011：111-217. XU Jia-wen，ZHAO Jian-she.New nontraditional machining tech-niques of integral components in aircraft engine［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2011：111-217.（in Chinese）

［2］范植堅(jiān)，李新忠，王天誠.電解加工與復(fù)合電解加工［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2008：205-248. FAN Zhi-jian，LI Xin-zhong，WANG Tian-cheng.Electrochemical machining and composite electrochemical machining［M］.Beijing：National Defense Industry Press，2008：205-248.（in Chinese）

［3］李清良，范植堅(jiān)，穆倩.基于COMSOL閉式整體構(gòu)件流道電解加工流場的仿真［J］.電加工與模具，2014（1）：28-31. LI Qing-liang，F(xiàn)AN Zhi-jian，MU Qian.Emulation for flow field in electrochemical machining of closed integral structure based on COMSOL［J］.Electromachining&Mould，2014（1）：28-31.（in Chinese）

［4］LI Dan-dan，F(xiàn)AN Zhi-jian.Design for electrolyte sedimentation basin based on COMSOL［J］.Advanced Materials Research，2011，411：299-302.

［5］陳修文，徐正揚(yáng)，朱荻，等.葉盤曲面電解加工流場仿真計(jì)算及試驗(yàn)研究［J］.信息技術(shù)，2013，42（5）：108-111. CHEN Xiu-wen，XU Zheng-yang，ZHU Di，et al.Simulation and experimentalinvestigationonflowfieldinECMof blisk［J］.Information Technology，2013，42（5）：108-111.（in Chinese）

［6］吳建民，徐家文.基于CFD技術(shù)的數(shù)控電解加工流場數(shù)值模擬［J］.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2009，21（1）：73-75. WU Jian-min，XU Jia-wen.Numerical simulation of flow field of NC-electrochemical contour evolution machining based on CFD technology［J］.Journal of System Simulation，2009，21（1）：73-75.（in Chinese）

［7］Kang M，F(xiàn)u X Q，Yang Y.Research on flow field characteristics and experiments of numerical control electrochemical machining［J］. Research Article，2011，4（6/7）：1933-1938.

［8］王剛，安琳.COMSOL Multiphysics工程實(shí)踐與理論仿真：多物理場數(shù)值分析技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012：47-80. WANG Gang，AN Lin.COMSOL multiphysics engineering practice and theoretical simulation：multi-physical field numerical analysis technology［M］.Beijing：Publishing House of Electronics Industry，2012：47-80.（in Chinese）

［9］范植堅(jiān)，穆倩，李清良，等.變截面異型螺旋型腔電解加工流場分析［J］.西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2014，34（2）：103-108. FAN Zhi-jian，MU Qian，LI Qing-liang，et al.Simulation of flow field in electrochemical machining of helix cavity with variable cross-section［J］.Journal of Xi'an Technological University，2014，34（2）：103-108.（in Chinese）

Design and Analysis of Flow Field in Electrochemical Machining of Cochlear Channel of Closed Integral Structure

KANG Bao-yin，F(xiàn)AN Zhi-jian，TANG Lin
（Key Laboratory of Non-Traditional Machining，School of Mechatronics Engineering，Xi'an Technological University，Xi'an 710021，Shaanxi，China）

The design of flow field is an important part of preparing the cathode and device in the electrochemical machining of cochlear channel of closed integral structure.The models of the forward feed device and reverse feed device are established based on UG，of which inlet area is about twice as much as outlet area，respectively，and their gap flow fields are simulated based on COMSOL Multiphysics.The difference between these gap flow fields formed by the forward feed and reverse feed at the same electrolyte inlet pressure is analyzed from its streamline pattern，velocity and pressure nephograms.The results show that the flow velocity of the end gap and the side gap in the reverse feed is higher than that in the forward feed，and the flow field of the reverse feed is more uniform.The reverse feed devices are used in the experiment，the machining process is smooth without spark and short circuit.

manufacturing processes and equipment；closed integral structure；electrochemical machining；flow field；device

TG662

A

1000-1093（2015）01-0151-06

10.3969/j.issn.1000-1093.2015.01.022

2014-04-18

陜西省教育廳自然科學(xué)基金專項(xiàng)基金項(xiàng)目（2013JK1014）；陜西省特種加工重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金項(xiàng)目（ST-11001）

康保?。?988—），男，碩士研究生。E-mail：baoyinkang@163.com；范植堅(jiān)（1943—），女，教授，博士生導(dǎo)師。E-mail：zhijian_fan@163.com