基于CFX的旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工三維流場仿真模型

吳 萍，劉澤祥

（泰州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇 泰州 225300）

電解加工是基于陽極電化學(xué)溶解原理來去除材料的，電化學(xué)溶解與材料的硬度、韌性無關(guān)，因而電解加工通常應(yīng)用于加工難加工金屬材料，由于電解加工無毛刺、無應(yīng)力，而且工具使用壽命長，加工表面無破壞、材料去除率高，加工表面質(zhì)量好，可加工復(fù)雜型面型腔，在航空航天、汽車、電子、醫(yī)療器械、農(nóng)業(yè)等都有廣泛的應(yīng)用[1-2]。但在電解加工過程中，加工間隙內(nèi)流場的復(fù)雜性和隨機性導(dǎo)致了加工尺寸可控性和加工穩(wěn)定性差，加工間隙內(nèi)電解液的氣體、電解產(chǎn)物難以及時排出，將導(dǎo)致電解加工過程中工件的非正常溶解，甚至產(chǎn)生火花，采用脈沖電源電解加工、工具振動電解加工、超聲輔助電解加工可有效改善電解加工的精度和穩(wěn)定性，同時工具振動產(chǎn)生的壓力波有利于破壞鈍化層，工具相對工件的運動，有利于加工間隙內(nèi)電解液循環(huán)，使加工精度得到提高，也為大電流密度加工提供條件[3-4]。同時超聲高頻振動有利于電解液的更新和電解產(chǎn)物的排出，直接影響到加工速率和加工精度[5]。

現(xiàn)階段孔加工，特別是難加工材料的小孔加工，一直處于技術(shù)瓶頸[6]。激光、電火花等特種加工方法雖然能實現(xiàn)小孔加工，但同時加工表面留有再鑄層，影響零件性能和使用壽命，電解加工的零件表面無應(yīng)力、無再鑄層影響，但因電解加工的可控性和穩(wěn)定性差以及電解液難以進入加工區(qū)，電解產(chǎn)物難以排出，常發(fā)生短路等現(xiàn)象，限制了電解加工在小孔加工中的應(yīng)用[7]。為解決電解加工小孔這一技術(shù)難題，本課題組開展了旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工技術(shù)研究，并基于有限元ANSYS CFX，開展了陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動下加工間隙內(nèi)的流場仿真分析，為旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工機理的研究提供了基礎(chǔ)。

1 數(shù)值模型基本假設(shè)

電解加工過程中，陰極析出氫氣，陽極發(fā)生電化學(xué)溶解，有時還有氧氣、氯氣或二氧化氮氣體析出，因而，加工間隙內(nèi)流場實際為氣、液、固三相流。為了考察陰極旋轉(zhuǎn)和陰極振動對流場參數(shù)以及氣體體積分布的影響，同時考慮電解產(chǎn)物所占的體積比較小，將加工間隙內(nèi)流場簡化為氣、液兩相流。CFX流場分析中，采用氣穴模型（Cavitations Model），將電解液定義為純電解液和水蒸汽所組成的混合物，定性分析陰極旋轉(zhuǎn)、陰極超聲高頻振動對流場和電場的影響，其中，電解液定義為連續(xù)流體、氣體為離散流體，氣穴模型中飽和壓力為3574Pa[8]，并做如下假設(shè)[9]：

1）氣泡在液相中分布均勻，各項同性，且氣相、液相為不可壓縮，氣相為理想氣體。

2）加工平衡狀態(tài)下電解液與陰陽極間的交換熱也處于平衡狀態(tài)，并忽略陰極運動對電解液熱能的影響。

3）仿真中不考慮重力、浮力的影響。電解液與水蒸氣的混合物滿足以下方程：

式中，αe為純電解液體積分?jǐn)?shù)，αg為水蒸汽體積分?jǐn)?shù)，ρm為混合電解液密度（kg/m3），ρe為純電解液密度（kg/m3），ρg為飽和蒸汽密度（kg/m3），μm為混合電解液動力粘度（Pa· s），μe為純電解液動力粘度（Pa·s），μg為水蒸汽動力粘度（Pa·s），仿真過程是等溫過程，認(rèn)為純電解液、水蒸汽的動力粘度為一常數(shù)。

2 前處理

2.1 幾何模型

管電極電解加工小孔分為三個階段進行仿真，即電極裸露部分未完全進入加工區(qū)、完全進入加工區(qū)以及離開加工區(qū)。加工時間主要在第二階段，因而以第二階段加工狀態(tài)建立流場仿真模型。小孔加工所采用的陰極尺寸：外徑為Φ1.8mm，內(nèi)徑為Φ 1.4mm，陰極裸露長度2mm，建立1/4幾何模型，并在出口處建立1.5mm×1.5mm的流體區(qū)域。如圖1所示，陰極進行了絕緣處理，端面間隙取0.2mm，側(cè)面間隙取0.6mm。?

圖1 幾何模型

2.2 邊界條件設(shè)置

邊界條件主要包括電解液入口、出口電解液壓力、電解液電導(dǎo)率、電解液動力粘度、水蒸汽動力粘度等，而工具模型、工件模型得邊界條件主要有材料電導(dǎo)率、所施加的電壓、振動頻率以及陰極轉(zhuǎn)速等，邊界條件設(shè)置如表1所示[10]：

表1 初始邊界條件

電解加工過程中，電解液電導(dǎo)率與氣泡體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系為[2]：

式中，κ(x,y,z)為流場內(nèi)點(x,y,z)的電導(dǎo)率，κ0為初始電導(dǎo)率，β(x,y,z)為流場內(nèi)點(x,y,z)的氣體體積分?jǐn)?shù)，n為氣體體積分?jǐn)?shù)對電導(dǎo)率的影響指數(shù)，通常取n=1.5。仿真中以氣體體積分?jǐn)?shù)變化為對象，利用式（2）來表達(dá)電解液電導(dǎo)率的變化情況。

3 仿真結(jié)果

3.1 陰極轉(zhuǎn)速對流場的影響

對不同陰極轉(zhuǎn)速的仿真，主要考慮不同轉(zhuǎn)速下電解液速度、壓力的變化情況，其轉(zhuǎn)速分別設(shè)置為0 r/min、600 r/min、1200r/min 和1800 r/min，其仿真結(jié)果如圖所示。

圖2 孔截面電解液速度分布云圖

圖3 孔截面氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖2為電解液的速度分布云圖，隨著轉(zhuǎn)速的提高，側(cè)面流道的電解液流速增大，靠近孔的壁面電解液速度呈增大趨勢，其主要原因是陰極的旋轉(zhuǎn)攪拌作用，使得整個流場電解液流速的均勻性得到了改善。圖3為氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖，隨著轉(zhuǎn)速的增大，氣泡在側(cè)面間隙內(nèi)的分布更加均勻，小部分氣泡隨陰極旋轉(zhuǎn)排出加工區(qū)，大部分氣泡在陰極底部側(cè)面和端面聚集，使得該區(qū)域氣體體積分?jǐn)?shù)增大，說明陰極旋轉(zhuǎn)提高了電解液的流動速度，使小部分氣泡排出，但也使氣泡在孔的底部聚集，影響電解加工的溶解速度。從式（2）可知，氣泡率增加，電解液電導(dǎo)率下降，電解加工的溶解速度隨之下降。在加工間隙點（0.8mm,0mm,0mm）沿Z的正方向取一垂直線，與陰極端面相交于點（0.8mm,0mm,0.2mm），提取該直線上氣體體積分?jǐn)?shù)，如圖4所示，隨著轉(zhuǎn)速的增加，氣體體積分?jǐn)?shù)增大，更多地吸附在陰極表面，上述分析表明陰極轉(zhuǎn)速的提高，不利于氣泡的排出。

圖4 加工間隙內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)分布

3.2 陰極高頻振動對流場的影響

對不同陰極高頻振動振幅的仿真，主要考慮不同振幅下電解液速度、壓力的變化情況，其振幅分別設(shè)置為0μm、30μm、50μm和70μm，其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 孔截面電解液速度分布云圖

圖中可見，電解液經(jīng)超聲高頻振動后，電解液分布更加均勻，對比陰極旋轉(zhuǎn)對電解液速度的影響，其速度最大值由29.25m/s提高到32.09m/s，其均勻性提高，圖6為氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖，高頻振動使得電解液中氣體體積總數(shù)減少，但隨著振幅的增加，氣泡在孔的底部出現(xiàn)沉積，孔的端面和側(cè)面氣泡數(shù)目增多，降低了電解液電導(dǎo)率，減小了徑向溶解速度。在加工間隙點（0.8mm，0mm,0mm）沿Z的正方向取一垂直線，與陰極端面相交于點（0.8mm,0mm,0.2mm），提取該直線上氣體體積分?jǐn)?shù)，如圖7所示，隨著振幅的增加，氣體體積分?jǐn)?shù)也是增加的，但對比陰極旋轉(zhuǎn)時加工間隙內(nèi)的氣體體積分?jǐn)?shù)分布圖可以看出，端面間隙內(nèi)氣體體積分?jǐn)?shù)明顯減少，說明超聲振動使得電解液內(nèi)部氣泡減少。綜合上述分析結(jié)果，超聲振動有助于氣體的排出，但振幅不宜過大。

圖6 孔截面氣體體積分?jǐn)?shù)分布云圖

圖7 加工間隙氣體體積分?jǐn)?shù)分布

4 結(jié)論

本文基于ANSYS CFX，建立了旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工三維流場模型，進行了不同轉(zhuǎn)速的陰極旋轉(zhuǎn)和不同振幅的陰極高頻振動進行了仿真，分析陰極旋轉(zhuǎn)和陰極振動對流場的影響，并分別采用不同轉(zhuǎn)速與和振幅分別進行了對比，結(jié)果表明：

1）陰極的旋轉(zhuǎn)有利于電解液流動的排出，氣泡在側(cè)面間隙內(nèi)的分布更加均勻，但隨著轉(zhuǎn)速的增大，小部分氣泡隨陰極旋轉(zhuǎn)排出加工區(qū)，大部分氣泡在陰極底部側(cè)面和端面聚集，使得該區(qū)域氣體體積分?jǐn)?shù)增大，影響旋轉(zhuǎn)超聲電解復(fù)合加工的溶解速度，因此，陰極旋轉(zhuǎn)的速度不宜過大。

2）陰極高頻振動加速了電解液的流動，有利于氣泡的排出，但隨著振幅的增加，氣泡在孔的底部出現(xiàn)沉積，孔的端面和側(cè)面氣泡數(shù)目增多，降低了電解液電導(dǎo)率，減小了徑向溶解速度，因此，陰極高頻振動的振幅不宜過大。

3）通過陰極旋轉(zhuǎn)和陰極高頻振動對流場的影響的對比，陰極高頻振動能明顯提高電解液的流動速度，加速電解液內(nèi)氣泡的排出，改善加工區(qū)電解液速度的均勻性，有利于氣體以及加工產(chǎn)物的排除。