基于FLUENT流場分析的數控電解銑削用陰極設計及試驗研究

徐 波,干為民,褚輝生

(常州工學院江蘇省數字化電化學加工重點建設實驗室,江蘇常州213002)

數控電解復合銑削加工是一種基于電化學陽極溶解原理和數控技術,利用簡單標準陰極銑削金屬材料的技術。加工過程中,工件接電源正極,工具陰極接電源負極,數控系統控制陰極的行走軌跡和速度,電解液從復合刀柄和標準陰極內部噴入加工區域,陰極進給方向上的金屬則被電化學陽極溶解從而被加工,其原理見圖1。圖2是銑削直紋面整體葉輪葉片的加工狀態圖,該技術結合數控加工和電解加工的優勢,可銑削任意形狀、不同硬度和材質的金屬,且陰極無損耗。

圖1 數控電解銑削加工原理圖

數控電解銑削加工過程中,流場分布是否合理是影響一次加工深度和最大進給速度的關鍵因素之一。與反銬式傳統電解加工不同,數控電解銑削加工使用的是棒狀標準陰極,電解液一般采用內噴為主、外噴為輔的方式,即在切入、切出工件時內噴和外噴同時進行,此時流場容易保證。而陰極切入工件后,工件和陰極之間的間隙很小,外噴失去作用,則主要依靠內噴。內噴時,若能保證加工間隙中有均勻壓力和流速的電解液,則工件表面質量、加工效率和精度均可得以保證。因此,數控電解銑削用陰極的流場形式決定了該加工工藝的優劣性。

圖2 數控電解銑削加工過程圖

針對如圖2所示的高度為65 mm大扭曲葉片的開粗加工,設計了 3種不同類型的陰極,通過FLUENT軟件對其流場模擬分析并比較、修正,最后通過實驗驗證理論分析的正確性,從而極大地縮短了數控電解銑削用陰極的標準化設計周期,降低了成本。

1 陰極設計及實驗驗證

數控電解銑削加工理念是基于數控技術、用簡單的棒狀陰極電解加工金屬材料,電解液流場的分布決定了陰極銑削的深度和效率,而流場的分布又受限于進液壓力、陰極內孔直徑和出液口形狀等。根據經驗所得,出液口長的圓柱形陰極卸壓快,下部流體壓力和流速充足,而上部流量很小,壓力不足,不能滿足加工要求,所以為了最大程度地去除葉片余量和保證陰極內流體壓力,本文設計了同一錐度的陰極,研究其出液口形狀與流場之間的關系。

1.1 單直線噴縫型陰極設計

1.1.1 單直線噴縫陰極物理模型

利用數控電解銑削技術加工直紋面整體葉輪型面時,采用內噴式錐形陰極,陰極通過圓柱裝夾面被夾持在主軸上,加工時陰極隨主軸旋轉和進給,具有一定壓力的電解液從入口流進后,從陰極錐面上的出液口噴入加工間隙。圖3a是陰極結構示意圖,圖3b是數值模擬電解液流道的數值模型,包括入口、流道和出液口。

1.1.2 數值模擬結果分析及實驗驗證

陰極的出液口為65 mm×0.6 mm的矩形(圖3a中 a、b處),入口流速為2 m/s,經FLUENT分析后,壓力和流速的數值模擬矢量圖見圖4和圖5。

數值求解陰極模型的目標是在出液口形成流速和壓力均勻的流場。由圖4可看出,在長窄型噴口的下部壓力最大,壓力能保證加工要求;而中上部壓力低,甚至出現負壓,在實際加工時,外部空氣被吸入,出現氣液混合情況。由圖5可看出,最下部的流速方向幾乎與陰極面垂直,而噴口中上部的流速方向向下傾斜的角度逐漸減少,因此,分到垂直于陰極表面的速度矢量從下到上逐漸減少。由以上分析可知,陰極下部流液充足,而中上部卸壓厲害,流場無法保證,加工中陰極中上部易出現短路,整個加工難以持續。

為驗證數值模擬結果,以下列條件做一銑削不銹鋼試驗,加工參數為:電壓22 V,電解液濃度20%,壓力1.5 MPa,主軸轉速1 500 r/min,溫度35℃。圖6是單直線噴縫型陰極加工實物圖。當陰極切入工件時,由于有外噴協助,流場易保證,切入時很順利;當陰極切入工件后(陰極整個進入工件),外噴失去作用,此時占主導地位的內噴卻無法保證流場,發生了短路。從圖6可看出,被加工槽的中上部燒傷厲害,反映出陰極中上部流場不好,驗證了FLUENT模擬結果,說明此類型陰極設計得不合理。

圖6 單直線噴縫型陰極加工對象圖

1.2 多線段噴縫型陰極設計

為改善單直線噴縫陰極出液口卸壓嚴重的問題,根據流體力學動量守恒原理,設計多段短直線噴縫型陰極,并對其進行數值模擬和實驗驗證。

1.2.1 多線段噴縫陰極模型

根據銑削深度65 mm,將陰極的出液口分成3段,每段長約21.5 mm,在圓周上的分布為圓周相間120°(圖7)。圖8是該陰極的數值模擬模型。

1.2.2 數值模擬結果分析及實驗驗證

從圖9的出口壓力數值模擬圖可看出,從上到下3個出液口的壓力雖然逐漸增大,單個出液口壓力也是從上到下逐漸增大,但壓差并不大。第2和第3個出液口壓力完全滿足加工要求,壓差分布不均的第1個出液口中間出現負壓,實際加工中可能出現氣液混合現象,對最大加工速度有一定影響。從圖10的出口速度數值模擬圖可看出,3個出液口速度較均勻,滿足電解加工對流場的要求。

在同上試驗條件下,做一銑削304不銹鋼的實驗,驗證此種陰極設計方案的可行性。結果顯示,切深65 mm時的最大進給速度可達0.9 mm/min,加工過程順利,未出現短路火花。但從加工實物圖可看出,由于各出液口間壓力不連續,每個出液口相接處的流量分布不均勻,出現明顯的接痕(圖11)。因此,此種陰極只可用在精度要求較低的一些開粗加工中,其優勢是流場易保證,銑削難加工材料時速度較快。

圖11 多線段噴縫陰極數控電解加工結果圖

1.3 螺旋噴縫型陰極設計

1.3.1 螺旋噴縫型陰極結構圖

為解決多線段噴縫型陰極加工有接痕的問題,同時防止出液口面積過大、卸壓過快,設計了單螺旋噴縫型陰極。螺旋型噴縫陰極的結構見圖12,出液口為螺距65 mm的單程螺旋線,該結構陰極能有效降低陰極變形(直縫型陰極加工后由于內應力釋放,放置一段時間后會有少許變形而影響加工精度)。圖13是數值模擬模型,出液口為寬度很小的螺旋線。

1.3.2 數值模擬結果分析及實驗驗證

從圖14可看出,陰極出液口壓力從上到下也是逐漸增大,根部由于結構原因出現死水區,與上部壓差稍大。從圖15可看出,出液口流速方向與陰極圓錐面法線方向的夾角從上到下逐漸減小,即分到錐面法線方向的速度矢量逐漸變大。由此可見,流場的最關鍵部位還在上部,上部流場的好壞決定了該陰極的最大加工速度和加工間隙。由分析結果可判斷,螺旋噴縫型陰極上部流場不及多段直線噴縫型陰極,即螺旋噴縫型陰極的最大加工速度會稍慢,加工效率較低。

以同樣的實驗條件,驗證螺旋噴縫型陰極應用于實際加工的優劣性。圖16是螺旋噴縫型陰極銑削加工出的整體葉輪的葉片,加工最大速度為0.7 mm/min,加工過程穩定,短路火花次數很少。該陰極共加工出6個葉片,一致性很好。由此可見,該陰極可應用于精度要求較高的難加工材料整體葉輪的數控電解開粗加工中。

圖16 螺旋噴縫型陰極銑削加工的大扭曲直紋面葉片

2 總結

數控電解加工的優點是加工難加工材料的效率較電火花加工高,而數控電解加工的效率很大程度上決定于流場,流場的好壞不但決定了其一次銑削加工的深度,還決定了最大加工速度和加工精度。本文基于FLUENT流體分析軟件,設計了3種不同類型出液口的陰極,分析了各個陰極流場的優良,并通過實驗進行了驗證。結果顯示,單直線噴縫型陰極由于卸壓快,上部流場不能適應加工要求;多線段噴縫型陰極流場充足,加工速度快,但相鄰出液口有較大壓差,加工工件有明顯接痕,此陰極可用于精度要求較低的開粗加工中;螺旋噴縫型陰極抗變形能力好,流場壓力和速度變化均勻,加工出的工件表面質量好,且效率是電火花加工的5倍多,此陰極可用于精度要求較高的難加工材料,如:整體葉輪等工件的粗加工。

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