基于COMSOL的微小孔毛刺去除仿真分析與實(shí)驗(yàn)*

張明文,丁慶田

(安徽理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

金屬切削加工過程中產(chǎn)生毛刺是很難避免的,尤其是在鉆削加工微小孔的情況下。加工時(shí)產(chǎn)生的毛刺不僅會(huì)影響產(chǎn)品的外在形貌,還會(huì)造成產(chǎn)品的裝配質(zhì)量下降,影響零件的使用壽命。隨著微小孔的使用越來越廣泛,如光纖連接器[1]、噴油嘴[2]、航空發(fā)動(dòng)機(jī)工作葉片[3]及表面織構(gòu)減摩[4]等,微小孔孔口毛刺的去除也變得越來越重要。而傳統(tǒng)的手工去除毛刺工藝早已滿足不了如今的加工精度要求,因此電化學(xué)去毛刺技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

徐文驥等[5]采用電化學(xué)方法對管內(nèi)壁相貫處毛刺進(jìn)行去除實(shí)驗(yàn)研究,研究得出在優(yōu)選的加工工藝參數(shù)條件下,毛刺得到有效去除;He T等[6]采用電化學(xué)方法對微孔毛刺進(jìn)行去除,并分析了電解過程中加工區(qū)域電流密度的分布和動(dòng)態(tài)變化;朱肖飛等[7]改變了陰極形狀,通過電化學(xué)光整加工技術(shù)去除了工件邊緣兩側(cè)方向的毛刺,提高零件表面的完整性;郭英杰等[8]采用計(jì)算機(jī)仿真軟件建立了電化學(xué)加工過程中的二維電場模型,研究了不同電極及絕緣層的位置對提高加工表面質(zhì)量的影響;Zhu D等[9]采用磨削和電化學(xué)加工混合的工藝加工微小孔,實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了工藝參數(shù)對孔表面質(zhì)量和尺寸精度的影響作用,并已生產(chǎn)出直徑小至0.6 mm的精密孔。目前,電化學(xué)去毛刺研究多以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證為主,材料費(fèi)用花費(fèi)高;同時(shí),現(xiàn)有有限元仿真多為二維平面,難以準(zhǔn)確觀察毛刺去除全貌,使后續(xù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置存在較大誤差。

筆者采用COMSOL有限元軟件對微小孔毛刺去除過程進(jìn)行三維仿真分析,探究不同加工電壓、不同NaNO3電解質(zhì)溶液濃度對毛刺去除的影響,并且通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了仿真的準(zhǔn)確性。

1 毛刺去除機(jī)理分析

電化學(xué)去毛刺原理是金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致的陽極溶解[5]。與一般電解加工不同,電化學(xué)去毛刺加工過程中,毛刺部位的加工間隙顯著小于其他部位的加工間隙,使得電流密度集中于毛刺周圍,并在相對比較短的時(shí)間內(nèi)完成對毛刺的溶解。根據(jù)法拉第第一定律,陽極表面溶解的體積V可表示為:

V=ωItη

(1)

式中:ω為體積電化學(xué)當(dāng)量;I為電流密度;η為電流效率;t為加工時(shí)間。

加工原理如圖1所示,毛刺部分連接電源正極,稱為工件陽極;螺旋鉆頭連接電源負(fù)極,稱為工具陰極。加工時(shí),工具陰極位于微小孔孔內(nèi),并保持一定的加工間隙作為放電通道,保持電解液完全覆蓋加工區(qū)域。由于電場的作用,電解液中的氫氧根離子向工件陽極運(yùn)動(dòng),失去電子發(fā)生氧化反應(yīng),表達(dá)式如式(2)所示;氫離子向工具陰極運(yùn)動(dòng),得到電子發(fā)生還原反應(yīng),表達(dá)式如式(3)所示,形成了由工件陽極開始向工具陰極流動(dòng)的正向電流。當(dāng)導(dǎo)電回路形成后,工件陽極表面的金屬材料以“離子”的形式被蝕除。同時(shí)在電化學(xué)反應(yīng)過程中,工具陰極表面生成氣泡,產(chǎn)生氣泡層。

圖1 電化學(xué)去毛刺原理

陽極氧化反應(yīng):

4OH--4e-=O2↑+2H2O

(2)

陰極還原反應(yīng):

2H++2e-=H2↑

(3)

2 仿真模型的建立

2.1 三維模型建立

根據(jù)電化學(xué)去毛刺原理和毛刺行態(tài),毛刺去除過程中工件陽極、工件陰極間的電流密度和毛刺去除狀態(tài)分布,在COMSOL仿真軟件中建立三維幾何模型,如圖2所示。

圖2 電化學(xué)仿真模型

圖中A為NaNO3電解液;B為工具陽極;C為工具陰極;b1為微小孔毛刺;r1為工具陰極的半徑;r2為微小孔半徑。

2.2 仿真參數(shù)設(shè)置

在進(jìn)行電化學(xué)仿真模擬時(shí),選擇三維模型,添加物理場接口,設(shè)置材料參數(shù),選擇不銹鋼為工件陽極,電導(dǎo)率為4.032×106S/m,密度為 7.850 g/cm3;陰極為螺旋鉆頭,材料為鎢鋼,電導(dǎo)率為 5.998×107S/m,密度為 19.3 g/cm3;電解液選擇NaNO3溶液,電導(dǎo)率為 7.5 S/m。

進(jìn)行模型邊界條件設(shè)定,工件陽極上施加加工電壓,工具陰極接地,加工間隙中電解液周圍設(shè)置為電絕緣。其余參數(shù)設(shè)置如表1所列。

表1 仿真參數(shù)

毛刺區(qū)域?yàn)橹饕^察對象,使用COMSOL Multiphysics仿真軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分,如圖3所示。從收斂性和計(jì)算成本考慮,對工件陽極其他區(qū)域采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分,工具陰極和電解池區(qū)域分別進(jìn)行網(wǎng)格粗化和較粗化處理。

圖3 網(wǎng)格劃分

3 仿真結(jié)果

3.1 加工電壓對毛刺去除影響

設(shè)置不同加工電壓以觀察電流密度對毛刺去除的影響規(guī)律。結(jié)果如圖4所示。由圖4可知,隨著加工電壓的不斷增大,微小孔電流密度增加,毛刺的去除速度加快,微小孔毛刺的去除速率與其鄰近區(qū)域電流密度值正相關(guān)。與公式(1)的結(jié)果相吻合,說明電流密度值體現(xiàn)了電化學(xué)加工對毛刺去除能力的大小[6]。加工電壓為4.5 V時(shí),毛刺去除完成時(shí),微小孔孔徑為853 μm,未出現(xiàn)嚴(yán)重的過度腐蝕;當(dāng)加工電壓為6.5 V,毛刺完全去除,微小孔孔徑為926 μm,孔口過度腐蝕嚴(yán)重,導(dǎo)致微小孔孔徑變大,影響表面加工質(zhì)量和裝配。為了保證微小孔孔口表面的加工質(zhì)量和裝配,仿真條件下電壓選擇4.5 V最佳。觀察毛刺腐蝕形貌發(fā)現(xiàn)其與螺旋電極形狀相似,并且距離螺紋槽近的電流密度大,遠(yuǎn)的電流密度小,毛刺腐蝕形狀和螺旋鉆頭形狀有關(guān)。

圖4 加工電壓對毛刺去除的影響

3.2 電解液濃度對毛刺去除影響

設(shè)置不同電解液濃度以分析其對毛刺去除的影響,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知,隨著電解液濃度增加,微小孔的過度腐蝕加劇,微小孔孔徑過度擴(kuò)張。原因是增加電解液濃度,溶液中的電導(dǎo)率提高,加快了腐蝕反應(yīng)效率?？梢?隨著電解液濃度增加,毛刺的去除速度加快,且同時(shí)擴(kuò)大了微小孔的孔徑。t=2 s時(shí),13 %和15 %電解液濃度下微小孔孔口毛刺還有殘留,微小孔孔口腐蝕情況相對較好。當(dāng)電解液濃度取17 %時(shí),毛刺雖去除多,但微小孔孔徑擴(kuò)張至861 μm,孔口腐蝕較嚴(yán)重,影響零件表面質(zhì)量。因此,仿真條件下電解液濃度選擇13 %最佳。

圖5 電解液濃度對毛刺去除的影響

4 電化學(xué)去毛刺實(shí)驗(yàn)研究

4.1 試驗(yàn)裝置

針對仿真結(jié)果展開試驗(yàn)研究,在電解加工平臺(tái)(如圖6)上進(jìn)行電化學(xué)微小孔毛刺去除加工實(shí)驗(yàn),同時(shí)采用高速攝像機(jī)對毛刺去除過程進(jìn)行記錄。

圖6 電解加工平臺(tái)

微小孔毛刺由半徑0.4 mm螺旋鉆頭鉆削產(chǎn)生,工具陰極采用半徑0.35 mm螺旋鉆頭,工件陽極采用厚度為0.35 mm不銹鋼鋼板,電解液選擇NaNO3溶液。

4.2 加工電壓、電解液濃度對比試驗(yàn)結(jié)果

取電解液濃度C=13 %、電極半徑r1=0.35 mm、孔半徑r2=0.4 mm,加工電壓分別為4.5 V、5.5 V、6.5 V,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 不同電壓毛刺去除試驗(yàn)

由圖7可知,隨著加工電壓增加,毛刺去除完成后,微小孔孔徑逐漸被擴(kuò)大。U=4.5 V時(shí),微小孔毛刺完全去除后孔徑800 μm擴(kuò)大至826 μm。U=6.5 V時(shí),微小孔毛刺完全去除后,微小孔過度腐蝕明顯,孔徑由800 μm擴(kuò)大至935 μm。將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)合對比發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)與仿真的趨勢變化基本一致。

取加工電壓U=4.5 V、工具電極半徑r1=0.35 mm、微小孔半徑r2=0.4 mm,電解液濃度為13%、15%、17%,試驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

圖8 不同電解液濃度毛刺去除試驗(yàn)

由圖8可知,隨著電解液濃度增加,微小孔的孔徑增大,C=13%時(shí),微小孔毛刺去除孔徑800 μm擴(kuò)大至823 μm,C=17%時(shí),微小孔過度腐蝕明顯,孔徑由由800 μm擴(kuò)大至842 μm。和仿真結(jié)果對比,試驗(yàn)與仿真的趨勢變化基本相同,但存在一定的誤差,原因是仿真過程中電解液濃度設(shè)置為恒定不變,而加工試驗(yàn)過程中,加工間隙內(nèi)產(chǎn)生氣泡,降低了溶液電導(dǎo)率,影響了試驗(yàn)結(jié)果。

5 結(jié) 論

針對微小孔孔口產(chǎn)生的毛刺,采用電化學(xué)加工去除方法,建立以螺旋鉆頭為陰極的三維仿真模型,探究了不同大小加工電壓、電解液濃度對微小孔孔口毛刺去除的影響規(guī)律,結(jié)果如下。

(1) 毛刺尖端得到的電流密度大,優(yōu)先發(fā)生電解反應(yīng),微小孔毛刺周圍電流密度小,反應(yīng)甚微。

(2) 采用螺旋鉆頭作為工具陰極,加工間隙小的電流密度大,加工間隙大的電流密度小,毛刺腐蝕形狀和螺旋鉆頭形狀有關(guān)。

(3) 增大加工電壓、電解液濃度,毛刺周圍的電流密度增大,毛刺的去除速率增加,微小孔的孔徑擴(kuò)大。對仿真結(jié)果進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),試驗(yàn)與仿真的趨勢變化相同。