側(cè)壁開孔管電極加工時電極端部偏移量仿真研究*

黃紹服，李帥杰

(1.安徽理工大學 機械工程學院，安徽 淮南 232001； 2.江蘇省精密與微細制造技術(shù)重點實驗室，江蘇 南京 210016)

0 引 言

彎曲孔結(jié)構(gòu)在航空航天、精密儀器及模具制造領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，例如在注塑模具及壓鑄模具的冷卻系統(tǒng)設(shè)計過程中，若冷卻液通道可以根據(jù)模具型腔隨形分布，使其可以快速充分冷卻，從而保證腔體和芯體內(nèi)部的溫度均勻，在注塑和壓鑄過程中可以更有效地進行模具的溫度控制，并有效提高產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率；另外，在渦輪增壓器中，流道轉(zhuǎn)彎處的設(shè)計及加工質(zhì)量直接影響到高速轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)的速率及熱能動力轉(zhuǎn)化的效率[1]。

伴隨著難加工材料及復(fù)雜型面加工而逐步發(fā)展成熟起來的電火花加工技術(shù)(EDM)，已經(jīng)成為制造技術(shù)中不可缺少的加工手段之一[2]。日本東京大學的Fukui等人[3]于1989年開發(fā)出了一種外拉線式曲線孔電火花加工方法。2000年，賈寶賢等人[4]以形狀記憶合金彈簧為原材料，模仿蚯蚓的蠕動和變形的原理，開發(fā)出了利用電火花加工彎曲孔的加工裝置。2004年，Uchiyama等人[5]使用球形電極采用兩種方法進行彎孔加工，其中的一種方法是將球形電極分成若干部分，通過控制不同部分通電或斷電來選擇不同的加工位置，從而實現(xiàn)孔中心線的彎曲；另一種方法是通過旋轉(zhuǎn)球形電極來實現(xiàn)所加工孔的彎曲轉(zhuǎn)向，以實現(xiàn)彎孔的加工。

筆者通過建立側(cè)壁開孔管電極內(nèi)沖液物理模型及流固耦合數(shù)值仿真模型，綜合考慮工作液進口壓力、電極懸長及側(cè)壁開孔直徑等參數(shù)，采用正交試驗和極差分析方法，研究各參數(shù)對電極端部偏移量影響程度規(guī)律。

1 彎曲孔管電極電火花加工方法及仿真建模

1.1 彎曲孔管電極電火花加工方法

加工時，將側(cè)壁開孔管電極夾持端夾持在相應(yīng)的電加工設(shè)備上，帶有一定壓力的工作液從側(cè)壁開孔管電極夾持端進口流入，再從加工端孔口噴出，同時加工端側(cè)壁上的孔也將有部分工作液噴出，根據(jù)流體力學原理，管電極相應(yīng)部位將會受到一個反作用力，使管電極端部發(fā)生偏移產(chǎn)生彎曲變形，從而實現(xiàn)彎曲孔電加工，側(cè)壁開孔管電極加工彎曲孔示意圖如圖1所示，電極懸長L、側(cè)孔直徑D、端部偏移量d。

圖1 側(cè)壁開孔管電極加工彎曲孔示意圖

1.2 仿真建模

根據(jù)流體動力學原理，側(cè)壁開孔管電極與工作液流體兩者間存在復(fù)雜的耦合作用。鑒于單向流固耦合中的弱耦合方式更易于收斂并且滿足物理模型仿真的要求，故采用單向流固耦合求解方式，依次進行流場計算和結(jié)構(gòu)力學計算[6]。

劃分網(wǎng)格時，嚴格使用四邊形網(wǎng)格控制，運用高級曲率函數(shù)求解，并采用整體劃分、分離求解的方法使流場計算與結(jié)構(gòu)力學計算網(wǎng)格交互面節(jié)點100%重合，實現(xiàn)流固耦合面數(shù)據(jù)完全傳遞。側(cè)壁開孔管電極固體模型及局部網(wǎng)格劃分如圖2所示。工作液流體域模型及局部網(wǎng)格截面如圖3所示。

圖2 側(cè)壁開孔管電極模型及局部網(wǎng)格

1.3 仿真模型邊界條件及仿真參數(shù)設(shè)定

側(cè)壁開孔管電極電火花加工過程中工作液的各個邊界與工件接觸的形式如圖4所示。與工件相接觸的表面(包括孔內(nèi)表面和孔底面)設(shè)定其邊界條件為墻(wall)；與側(cè)壁開孔管電極相接觸的表面(包括管電極內(nèi)表面、側(cè)壁孔內(nèi)表面和浸入工作液的部分側(cè)壁開孔管電極外表面)設(shè)定其邊界條件為流固耦合交界面；定義大氣壓力作用在放電間隙出口。

圖4 側(cè)壁開孔管電極邊界條件示意圖

模型相關(guān)參數(shù)為：工作液為自來水、側(cè)壁開孔管電極材料為黃銅、電極內(nèi)徑為φ0.35 mm、電極外徑為φ1.0 mm，管電極材料物理參數(shù)如表1所列，加工間隙與側(cè)面間隙均設(shè)置為0.04 mm。

表1 固體域幾何模型參數(shù)設(shè)置

2 正交試驗與結(jié)果分析

2.1 正交試驗

本文考察3種參數(shù)對指標的影響，故有3種因子，其因子水平數(shù)3，選用L9(33)正交表，正交試驗因素、水平及結(jié)果如表2、3所列。

表2 正交試驗因素與水平

表3 正交實驗表及考察指標

根據(jù)正交試驗表，建立了九種不同參數(shù)的側(cè)壁開孔管電極模型，并分別對其進行了單向流固耦合仿真試驗，九組試驗分別對應(yīng)的側(cè)壁開孔管電極形變圖如圖5所示。

圖5 側(cè)壁開孔管電極形變圖

2.2 結(jié)果分析

根據(jù)上述正交試驗得出的結(jié)果，采用極差分析法對其進行分析，從而得出各參數(shù)對考察指標影響程度的排序、最優(yōu)試驗條件等信息。各參數(shù)對側(cè)壁開孔管電極端部偏移量影響的極差計算結(jié)果如表4所列。

表4 各因素對電極端部偏移量的極差計算表

3 結(jié) 論

采用正交試驗分析方法，對各模型進行了流固耦合仿真研究，并采用極差分析方法對仿真試驗結(jié)果進行分析，為后續(xù)采用側(cè)壁開孔管電極電火花加工彎曲孔試驗提供了理論依據(jù)，得出結(jié)論如下：

(1) 在流體作用下，端部側(cè)壁開孔管電極會發(fā)生端部偏移。

(2) 隨側(cè)壁開孔管電極進口壓力增大、電極懸長增大及側(cè)壁開孔直徑增大，電極端部偏移出現(xiàn)不同程度的增大。

(3) 在一定參數(shù)范圍內(nèi)，各參數(shù)對側(cè)壁開孔管電極的端部偏移影響程度排序如下：電極懸長>側(cè)孔直徑>進口壓力。