电极旋转电化学放电加工间隙内介质输送分析

摘要：微小孔是一类重要的结构，在航空工业、航天工业、微电子、汽车及医疗等行业有着广泛的应用。工具电极高速旋转电化学放电加工是根据电化学放电加工基本原理，应用高速旋转的工具电极在工件上进行电化学放电加工的方法。针对制造行业中广泛应用的金属微小孔结构，通过对螺旋工具电极高速旋转微小孔电化学放电加工间隙工作介质流场仿真，解释了螺旋工具电极高速旋转微小孔电化学放电加工间隙内工作介质输送机理。

关键词：电化学放电加工；微小孔；螺旋工具电极

中图分类号：TG66 文献标志码：A[WT]文章编号：1672-1098（2014）02-0066-05

电化学放电加工（Electrochemical Discharge Machining， ECDM）为近年来较受关注的非传统制造技术之一[1]，既可以加工非金属材料，也可以加工金属材料[2]，其材料去除机理为利用电化学反应过程中电极尖端产生放电火花的热量熔蚀工件并加速电化学反应的速度[3]。电化学放电加工应用的文献有很多[4-7]，也被广泛应用于微小孔加工方面。微小孔电化学放电加工中，加工间隙中的工作介质流场态直接决定着加工能否顺利进行，从而对加工过程产生极大的影响，尤其是在深径比较大的微小孔加工中，其影响更明显。微小孔电化学放电加工间隙很小，介于几微米和几十微米之间，由于加工工件和工具电极不透明，无法直接使用测量仪器对加工间隙内的流体运动状态进行直接测量；另外，由于电化学放电加工机理尚未完全明确，是多种力场综合作用的结果，无法实现用解析的方法获得加工间隙流场的精确解，在这种情况下只能使用计算流体力学软件对加工间隙内的流场进行仿真数值模拟，应用仿真分析结果定性的对加工间隙内工作介质运动状态进行分析研究。本文利用螺旋工具电极高速旋转，从其对加工间隙内气液两相流的影响方面研究螺旋工具电极高速旋转电化学放电加工间隙内工作介质的输送机理，并将分析结果应用于直径为0.4 mm的微小孔电化学放电加工。

1 加工间隙内气液两相流模型的建立

1.1理论模型

电化学放电加工微小孔时输入能量小，加工间隙也小，加工间隙的数值一般在数微米到十几微米之间。加工时，工作介质在工具电极和微孔内壁之间形成的加工间隙内流动，加工间隙中的工作介质是非定常流动。对于电化学放电加工间隙内的流体，由于电化学反应和放电火花对材料的蚀除作用，加工间隙内工作介质包含有气态的气泡、液态的工作液、及固态的金属析出物，构成复杂的三相共存流场状态。为简化分析过程，忽略加工产物中固体颗粒的影响，只考虑气体和液体充满整个加工间隙，简化后的加工间隙内工作介质流场为气液两相流场。工作液为自来水，为不可压缩流体，加工间隙内的液相为不可压缩相，计算是在不可压缩粘性流动情况下进行。同时忽略温度的变化对加工间隙气液两相流场的影响。描述加工间隙中工作介质流体运动的基本方程主要有质量方程和动量方程。

1.2 加工间隙流场几何模型应用FULENT软件模拟加工过程中加工间隙内流场状态首先要建立其模型，如图1所示为工具电极旋转电化学放电加工过程示意图。本文选择的工具电极为直径0.4 mm的螺旋工具电极，工作液为自来水。在实际加工时，工作液与加工过程中产生的气体形成的气液两相流充满加工间隙，同时工作液的液面高于工件。由于流体粘性作用，工具电极旋转时，工作液也跟随工具电极一起旋转。尽管电化学放电加工过程中有一定热量产生，但是由于工具电极高速旋转作用，可以不考虑加工过程中温度的变化的影响。在进行工具电极旋转加工间隙内流场仿真分析时，计算所采用的三维加工间隙流场边界条件示意图如图2所示。由于加工过程中工具电极高速旋转，因此与工具电极外表面相接表面设置为与工具电极具有相同的旋转速度；气体与工件相接表面（上表面、微孔内表面及微孔底面）设置为墙（WALL）；与空气相接触的自由表面，设置为对称边界条件（SYMMETRY）。选择GAMBIT软件对流场模型进行前处理网格划分。划分网格时，以四面体单元为主，合理的选用结构化六面体单元、楔体单元或者锥体单元对计算域进行划分。为考虑工具电极旋转，对微孔内壁圆柱面设置膨胀层，进行网格细分。

1.3 计算方法

本文模拟基于欧拉――欧拉模型和单重参考系法处理气液两相流场及工具电极旋转问题，对加工间隙内的气液流场、含气率、运动状态等进行模拟。对设置好边界条件的模型应用FLUENT软件求解，选择分离求解器；VOF流体模型：第一相为水，第二相为气体，根据文献[8]，初始加工间隙内含气率设置为0.7；考虑重力影响，方向为负Z方向，大小等于9.81 m/s2；定义大气压力作用在模型的上表面；标准k-ε模型；一阶迎风离散格式下计算；初始间隙根据试验加工结果与工具电极差值的平均值进行确定，本文确定侧面加工间隙和底面加工间隙均为20 μm；其他参数根据试验中相应参数进行设定。

2结果分析

图3所示为螺旋工具电极高速旋转电化学放电加工间隙内工作介质速度矢量图，图3a为加工间隙内工作介质速度矢量图；图3b为孔出口处速度矢量放大图；图3c为端面处速度矢量放大图。模拟的工况为工具电极直径为0.4 mm、旋转速度42 000（r・min-1）、侧壁间隙及端面间隙为20 μm、微孔深度L与工具电极直径d比值为L/d=5。螺旋工具电极由于螺旋槽的存在，与相同直径圆柱电极相比较，在加工间隙内，工作介质输送空间增加。但螺旋工具电极特殊的几何结构，高速旋转时对加工间隙内流场会产生很大的影响。从图3可以看出，螺旋工具电极高速旋转时，加工间隙内的工作介质除了具有围绕工具电极旋转的切向速度之外，还有沿着螺旋槽的轴向速度，加工间隙内工作介质的流动是由围绕工具电极的圆周运动和沿工具电极的轴向运动复合而成的合成运动。从图3b及图3c可以看出，沿着微孔内壁，工作介质沿着向下运动的速度方向进入到端面加工间隙内。

应用FLUENT后处理软件绘制电化学放电加工微孔加工间隙流场流线，如图4所示。从图4可以看出，使用螺旋工具电极时，无论在孔出口还是端面加工间隙流线，都有沿着螺旋工具电极螺旋槽向上运动的流线，说明螺旋工具电极强化了加工间隙中的工作介质及加工产物向上输送的能力，有利于加工产物及时的排出到加工区域之外。

从各截面放大图可以看出，在螺旋工具电极紧贴螺旋槽内壁处，有沿着螺旋槽向上的速度矢量，说明加工间隙中工作介质沿着螺旋槽内壁向上运动；在螺旋槽与微孔内壁交接处，存在向下运动速度矢量，说明有工作介质沿着螺旋槽与微孔内壁交界面进行输送。综合图6～图11，可以得到，加工间隙内的产物及工作介质沿着工具电极螺旋槽内壁向上运动，直到排出到微孔出口以外；微孔出口上部的工作液沿着工具电极螺旋槽与微孔内壁交界面向下运动，形成工作液的更新。

3 结论

1） 使用螺旋工具电极高速旋转电化学放电加工微小孔时，加工间隙内工作介质的流动是由围绕工具电极的圆周运动和沿工具电极的轴向运动复合而成的合成运动。

2） 加工间隙内工作介质沿着工具电极螺旋槽内壁向上运动，直到排出到微孔出口以外；微孔出口上部的工作液沿着工具电极螺旋槽与微孔内壁交界面向下运动，形成工作液的更新。3） 螺旋工具电极的螺旋槽几何结构，增加了加工间隙容积，强化了加工间隙内工作介质的输送能力，有利于微小孔电化学放电加工的进行。

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