電化學放電加工高速旋轉電極的流固耦合分析

李　君，黃紹服，孫倫業(yè)，劉　勇

(1. 安徽理工大學機械工程學院，安徽　淮南　232001；2. 山東大學力學與機電裝備聯(lián)合工程技術研究中心，山東　威?！?64209)

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電化學放電加工高速旋轉電極的流固耦合分析

李君1，黃紹服1，孫倫業(yè)1，劉勇2

(1. 安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001；2. 山東大學力學與機電裝備聯(lián)合工程技術研究中心，山東威海264209)

電化學放電加工(Electrochemical Discharge Machining, ECDM)為近年來較受關注的非傳統(tǒng)制造技術之一，既可以加工非金屬材料，也可以加工金屬材料。以有限元軟件對工具電極高速旋轉電化學放電加工加工狀態(tài)進行了仿真分析，研究了工具電極旋轉速度及工具電極與微小孔之間的偏心程度對工具電極變形及工具電極應力的影響。計算結果表明，隨著工具電極旋轉速度增加，工具電極最大變形及工具電極最大應力增加；隨著工具電極與微小孔偏心量的增加，工具電極最大變形及工具電極最大應力增加。

液固耦合；工具電極高速旋轉；電化學放電加工

電化學放電加工(Electrochemical Discharge Machining, ECDM)為近年來較受關注的非傳統(tǒng)制造技術之一[1]，既可以加工非金屬材料，也可以加工金屬材料[2]。使用高速旋轉的工具電極進行電化學放電微孔加工，有利于加工產物從微小的加工間隙內排出[3]。在工具電極高速旋轉進行電化學放電加工微小孔的過程中，工具電極由于復雜的受力狀況，可以視為一個極其復雜的動力學系統(tǒng)。由于工具電極的旋轉作用，加工微小孔時，微小孔內充滿了具有一定粘度的工作介質，旋轉向下運動的工具電極使微小孔內的工作介質受到動壓力，并反作用于高速旋轉的工件電極上，從而影響工具電極的運動狀態(tài)。同時，在微小孔加工過程中，工具電極可能處于偏心工作狀態(tài)，此時，微小孔內的工作介質對工具電極的作用力大小和方向都會發(fā)生改變，工具電極的工作狀態(tài)反過來又會影響加工間隙內的流場狀態(tài)，從而對加工過程產生影響。由于微小孔電化學放電加工的特殊性，無法直接使用各種測量設備對加工間隙內的狀況進行測量；另外，由于電化學放電加工機理的復雜性，無法求得加工過的解析解，目前的情況下，只能使用模擬仿真的方法，定性的進行分析。

以前受到條件的限制，一般只進行基于單獨的流場分析或者是基于結構進行分析，這樣的分析過程不能反應多物理場綜合作用的效果，以及各物理場之間的相互影響狀況，仿真分析的結果具有一定的局限性。隨著計算機軟硬件技術的發(fā)展，多物理場耦合計算理論的進一步完善，針對多物理場耦合問題的計算成為可能。流固耦合分析在其他工程問題有不少的研究成果，但在微細電化學放電高速旋轉工具電極應用方面卻鮮有文獻報道。本文對高速旋轉的工具電極流固耦合系統(tǒng)的動力特性進行數(shù)值分析，分析工具電極旋轉速度、工具電極偏心度及微孔深度對加工過程的影響。

1　計算模型

1.1幾何模型及網(wǎng)格劃分

因為實際的加工過程很復雜，難以用理論方法進行全面分析，因此對加工過程進行合理的模型簡化是非常必要的。通過簡化分析，定性的認識工具電極旋轉時微小孔內流固耦合特性。本文的幾何模型包含微小孔和工具電極兩部分，工具電極直徑為400 μm，當工具電極與微小孔同心時，取微小孔直徑為450 μm，側壁加工間隙20 μm，端面加工間隙25 μm，孔深度為2 000 μm；當工具電極與微小孔偏心時，偏心距e取值為10微米和40微米進行計算，最小側壁間隙為20μm，端面加工件25 μm，微小孔深度為2 000 μm，如圖1所示。圖2a所示為加工的幾何模型；圖2b 為工具電極網(wǎng)格；圖2c為流體域網(wǎng)格劃分；圖2d為流體域網(wǎng)格局部放大圖。流體域網(wǎng)格以四面體單元為主，合理的選用結構化六面體單元、楔體單元或者錐體單元，對微孔內壁圓柱面設置膨脹層，進行網(wǎng)格細分。

a. 工具電極與微小孔同心 b. 工具電極與微小孔偏心圖1　工具電極與微小孔位置關系

a. 加工幾何模型 b. 工具電極網(wǎng)格

c. 流體域網(wǎng)格 d. 流體域網(wǎng)格局部放大圖圖2　加工模型

1.2計算方法

單向流固耦合分析是指耦合交界面處的數(shù)據(jù)傳遞是單向的， 一般是把CFD分析計算的記過(如力、 溫度和對流載荷)傳遞給固體結構進行分析， 但沒有把固體結構分析結果傳遞給流體分析過程，只有流體分析對固體結構分析有影響，而結構分析的變形等結果非常小， 以至于對流體分析的影響可以忽略不計[4]本文分析的高速旋轉的工具電極在工作中受到流體介質和離心力的影響，會導致工具電極發(fā)生變形， 未考慮變形的工具電極反過來影響加工間隙中的流場， 因此選用單向流固耦合分析。

2　計算結果與分析

2.1工具電極旋轉速度與工具電極最大變形的關系

由圖3～圖5可知，工具電極最大變形發(fā)生在電極端部，夾持部分變形最小。從圖6可知，當工具電極旋轉速度增加時，工具電極最大變形量增加；隨著工具電極與微小孔之間的偏心量增加，工具電極的最大變形量增加；當工具電極與微小孔之間同心時，工具電極的最大變形量非常小，接近于零；當工具電極與微小孔之間偏心量較小而且工具旋轉速度相對較低時，工具電極的最大變形量也相對非常小，但旋轉速度較大時，工具電極最大變形量增加。

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm圖3　工具電極與微小孔同心

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm圖4　工具電極與微小孔偏心10 μm

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm圖5　工具電極與微小孔偏心40 μm

工具電極旋轉速度/rpm1. 偏心40 μm；2. 偏心10 μm；3. 同心 圖6　工具電極旋轉速度與工具電極最大變形的關系

2.2旋轉速度與工具電極應力的關系

由圖7～圖9可知，工具電極最大應力發(fā)生在電極夾持部分，電極端部應力形最小。從圖10可知，當工具電極旋轉速度增加時，工具電極最大應力增加；隨著工具電極與微小孔之間的偏心量增加，工具電極的最大應力增加；當工具電極與微小孔之間同心時，工具電極受到的最大應力非常小，接近于零；當工具電極與微小孔之間偏心量較小時，工具電極的最大變形量也非常小，但總體呈現(xiàn)隨著工具電極旋轉速度的增加而增加。

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm圖7　工具電極與微小孔同心

a. 24000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm圖8　工具電極與微小孔偏心10 μm

a. 24000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm圖9　工具電極與微小孔偏心40 μm

工具電極旋轉速度/rpm1. 偏心40 μm；2. 偏心10 μm；3. 同心 圖10　工具電極旋轉速度與工具電極最大應力的關系

2.3結果分析

進行電化學放電加工微小孔時，由于工具電極旋轉作用，加工間隙內的工作液也隨著工具電極旋轉而旋轉，由于離心力的作用被甩向微小孔內壁的四周，可以認為是隨工具電極一起旋轉的近似圓柱式的液體層，該液體層對微小孔內壁產生一定的作用力，對工具電極的受力狀況及運動形式會產生影響。電化學放電過程中，工具電極可能會處于偏心狀態(tài)下工作，隨著偏心量的增加，作用在工具電極上的彎曲力會增加，因此導致工具電極最大變形和最大應力的增加。

3　結論

1)由液固耦合計算可知，隨著工具電極旋轉速度增加，工具電極的最大變形量和最大應力增加。

2)隨著工具電極與微小孔之間的偏心量增加，工具電極的最大變形量和最大應力增加。

3)工具電極最大變形出現(xiàn)在電極端部；最大應力發(fā)生在電極夾持部位。

[1]WüTHRICH R, FASCIO V. Machining of non-conducting materials using electrochemical discharge phenomenon - an overview [J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005, 45(9): 1 095-1 108.

[2]HUANG S F, ZHU D, ZENG Y B,et al. Micro-Hole Machined by Electrochemical Discharge Machining (ECDM) with High Speed Rotating Cathode [J]. Advanced Materials Research, 2011, 295：1 794-1 799.

[3]黃紹服,劉勇,李君,等. 電極旋轉電化學放電加工間隙內介質輸送分析[J]. 安徽理工大學學報(自然科學版)，2014,34 (2): 66-70.

[4]宋學官，蔡林，張華.ANSYS流固耦合分析與工程實例[M]. 北京：水利水電出版社，2012：1-49.

(責任編輯：李麗，范君)

Numerical SimulationLiquid Solid Coupling Analysis of Micro-electrochemicalDischarge Machining with High Speed Rotating Tool Electrode

LI Jun1, HUANG Shao-fu1, SUN Lun-ye1, LIU Yong2

(1.School of Mechanical Engineering , Anhui University of Science and Technology,Huainan, Anhui232001, China；2. Mechanical and Electrical Equipment and Engineerigng Technology Research Center, Shandong University, Weihai, Shandong 264209, China)

This paper analyzed the numerical simulation liquid-solid coupling of the electrochemical discharge machining by using ANSYS. The influence of the deformation of tool electrode and the tool electrode stress based on the rotating speed of the tool electrode and the degree of eccentricity between the tool electrode and the micro-hole are calculated. The results show that the max deformation and the max stress of the tool electrode increase with the speed of tool electrode rotation and the degree of eccentricity between the tool electrode and the micro-hole increase.

the liquid-solid coupling； tool electrode high speed rotation； electrochemical discharge machining

2015-09-18

安徽省教育廳自然科學基金資項目(KJ2014A063)；安徽省自然科學基金資助項目(1608085ME89，1508085QE90)；國家自然科學基金青年基金資助項目(51505003，51305238)

李君(1973-)，女，安徽宿州人，副教授，碩士，研究方向：先進制造技術。

TG661

A

1672-1098(2016)03-0026-06