氣膜屏蔽射流電解加工動態成型及實驗研究

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(浙江工業大學 機械工程學院, 浙江 杭州 310014)

仿生學[1-2]研究表明：具有一定非光滑形態的微結構具有更好的耐磨性及承載能力，可大幅提高產品性能。因此，針對微結構的加工制造成為了當今的熱點研究課題，研究人員提出了不同的加工方法，其中電解加工被證明是有效的微結構加工方法之一[3]。電解加工中工具電極不受外力作用，加工表面質量好，無應力變形，可用于高精度難加工合金的加工[4]，但電解加工仍存在工件表面成型尺寸較難控制、加工效率較低以及電解產物不易排出等問題[5]。基于電解加工中工件表面成形尺寸較難控制的問題，通過計算機軟件模擬與加工試驗相結合的方法，可有效減少電解加工實驗次數[6]。Smets[7]針對脈沖電解加工進行材料去除過程的物理模擬；Wu[8]分析建立多物理場的微細電解工藝模型，提出了改進間隙流場穩定性的方法；Deconinck[9]通過模擬電解加工陰極工具動態過程，研究出溫度對去除率均勻性的影響；Hackert-Osch?tzchen[10]利用Comsol研究了2 s工況下射流電解加工多物理場對材料去除率的影響等。

筆者基于氣膜屏蔽射流電解加工方法，對加工間隙內多場耦合作用機理進行了理論研究，并基于Fluent和Comsol軟件模擬分析加工間隙內氣液分布、電場、流場和溫度場等規律，得出工件表面動態成型演變規律并搭建實驗設備進行實驗驗證。

1 間隙多物理場耦合模型的建立

氣膜屏蔽射流電解加工是在射流電解加工[11]基礎上利用氣液兩相噴嘴(圖1)控制電解液從中心進液口進入，壓縮空氣通過氣體入口包覆于電解液外部進入加工區域，電解液在高壓氣體屏蔽作用下被聚焦于工具電極正對工件的區域內，而非加工區域則由于壓縮空氣的作用，形成氣液混合流場。該區域電導率較低，電流密度較小，材料蝕除少，從而達到減少雜散腐蝕，提高加工定域性的目的。間隙內存在流場、電場和溫度場等多物理場并相互影響。

圖1 氣膜屏蔽微細電解加工間隙流場圖Fig.1 Distribution of gap flow field for AS-EMM

1.1 加工間隙內多相流流場理論模型

1.1.1 多相流場分析

氣膜屏蔽射流電解加工的加工間隙內存在液體、氣體及加工產物三相物質，加工產物的體積比例較小，在研究中忽略其影響。氣液兩相物質流動存在脈動，收斂性較為復雜，采取間接法針對湍流工況下氣膜屏蔽射流電解加工進行研究。首先基于Fluent軟件得出間隙內氣、液兩相介質分布規律，然后將流場氣體體積分數定義到Comsol multiphysics中，選用Mixture模型進行多物理場耦合分析，間隙流體滿足連續性方程、動量方程及能量方程[12]為

(1)

ρ[1-β(T-Tmelt)]g+FDarcy+Fs

(2)

[I(r)-Lvm+σsε(T4-T04)]δ(φ)

(3)

式中：T為溫度；T0為室溫；ρ為密度；Lv為蒸發潛熱；μ為動力黏度；p為壓力；β為熱膨脹率；Tmelt為熔化溫度；g為重力加速度；Fs為剪切力；FDarcy為達西摩擦力；ρ[1-β(T-Tmelt)]g為由重力和溫度差引起的浮力。

此外對于氣、液柔性相間作用，選用Manninen-etal方式[13]計算滑移速度。

1.2 加工間隙內的電場

電解加工間隙電場滿足電流守恒方程為

(4)

J=κ′E+Je

(5)

(6)

式中：E為電場強度；U為電勢差；Je為交換電流密度；J為電流密度；κ′為電導率。電導率滿足電熱相關性方程[14]為

κ′=κ[1+γ(T-Tref)]

(7)

式中：κ為熱傳導系數；γ為電導常數；Tref為初始溫度。

1.3 加工間隙溫度場

電解加工間隙溫度場滿足對流—擴散方程為

(8)

式中：Cp為比熱容；κ為熱傳導系數；u為流體速度；E為電場強度。ρCpu·▽T為強制熱對流項；PJ為電解區域內的焦耳熱，可由焦耳定律得到：

(9)

電解加工過程中，熱量主要通過熱對流和熱傳導兩種方式排除，而熱傳導對于整個排熱過程影響不大(<0.1%)[9]。其中熱邊界條件轉移滿足

H′=H[1+β(T-Tref)]

(10)

根據法拉第第一定律陽極上氧化物質溶解的量與所通過的電流強度和通電時間成正比，可以推測出金屬陽極的法向溶解速度為

(11)

式中：η為電流效率，η=0.8[15]；M為摩爾質量；zA為物質的化合價；F為法拉第常數；n為法向單元矢量；Jn為電流密度。工件表面電流密度決定工件陽極法向去除速度，電流密度主要受電解液中電導率的影響。由電熱相關性方程式(7)可知：電導率與熱傳導系數成線性關系，進而影響模型加工間隙溫度場的分布。溫度場又通過對流—擴散方程式(8)對流項來耦合流場的影響，通過熱源項PJ來耦合電場的影響，整個系統形成多物理場耦合。

2 物理模型描述

考慮實際加工所采用氣液噴嘴結構(圖2)，選擇二維軸對稱模型建立流場幾何模型，如圖3所示。圖3(a)是模型的計算域，域9，11是噴嘴，域1～8，10是流體，在tecm=0 s，電解液在域4～5，7，8中，而在區域1～3，6，10充滿空氣。圖3(b)是分析模型邊界設置，其中邊界1，3，5，7，9是噴嘴中心軸線，邊界2為工件表面，邊界11，19為電解液入口，邊界36為壓縮空氣入口，邊界33，35，37，39，40是可滲透液體的模型邊界，模型邊界設置為參數化的模型，模型尺寸單位為mm。

圖2 氣液兩相噴嘴圖Fig.2 Gas liquid two phase nozzle

圖3 模型描述Fig.3 Model description

為了使流場均勻并消除濃差極化，間隙內電解液應處于湍流狀態[16]，流速需滿足雷諾方程為

(12)

式中：ρ為流體密度；d為管道直徑；μ為動力黏性系數；u為臨界速度。由表1計算得層流、湍流的臨界速度分別為u水>3.29 m/s，u空氣>34.55 m/s。對于理想流體，滿足伯努利方程[12]為

(13)

式中：P為壓力；C為常數，經實驗測量C水=21 412，C空氣=40 709。則湍流狀況下壓力P水>0.016 MPa，P空氣>0.04 MPa。針對湍流工況，定義液體入口0.1 MPa，壓縮空氣入口0.25 MPa。分析域內物質特性、模型邊界條件[10]如表1，2所示。

表1 20 ℃下電解液和空氣的物質屬性Table 1 Material properties of electrolyte and air at 20 ℃

表2 模型邊界條件設置Table 2 Computational boundary conditions of model

3 計算結果與分析

3.1 多相流場特性分析

基于2.2流場理論及物理模型，利用FLUENT有限元軟件對射流電解加工和氣膜屏蔽射流電解加工間隙氣液分布規律進行分析。圖4為間隙內氣體體積分數仿真云圖，淺黑色代表氣體，深黑色代表液體，處于深黑與淺黑之間的亮色表示不同的氣液體積分數。從圖4可以看出：氣膜屏蔽后，由于壓縮空氣的注入，氣膜屏蔽之后的液束得到較大的收縮，工具電極周圍流場為氣液混合流場。

圖4 兩種工況下氣液體積分數云圖對比Fig.4 Comparison of gas-liquid volume fractionnephogram under the two conditions

圖5是射流電解加工和氣膜屏蔽射流電解加工流場速度云圖。提取距工件表面0.1 mm處間隙內氣體體積分數和速度，如圖6，7所示。從圖6可以看出：氣膜屏蔽前，中心區域氣體體積分數為0%，沿軸向向上至1 mm處，氣體體積分數達到0.6%；氣膜屏蔽后，中心區域氣體體積分數為7.4%，沿軸向向上至1 mm處，氣體體積分數可達到34%左右。由圖7可以看出：氣膜屏蔽前，中心流場速度最低，可達1.02 m/s，沿軸向向上至1 mm處，速度為10.87 m/s；氣膜屏蔽后，中心流場速度2.73 m/s，沿軸向向上至1 mm處，速度為10.64 m/s。由圖6，7可以看出：一方面，氣膜屏蔽射流電解加工中由于壓縮氣體的注入，導致液體極大的收縮，并且部分氣體溶解到液體的內部，形成了氣液混合流場，尤其是工具電極正對工件加工區域周圍，氣體體積分數劇增，抑制了此處工件表面材料的蝕除；另一方面，加工區域由于壓縮氣體的注入，附近電解液流速增加，避免了死水區的產生，有助于電解腐蝕雜質的排出和加工熱量的擴散，從而提高定域性和加工質量。

圖5 兩種工況下速度云圖對比Fig.5 Comparison of velocity nephogram under two conditions

圖6 氣體體積分數變化圖Fig.6 Variation of air volume fraction

圖7 流場速度變化圖Fig.7 Variation of flow field velocity

3.2 電場特性分析

圖8是氣膜屏蔽射流電解加工電勢間隙分布云圖。從圖8可以看出：工件表面電勢為10 V，電極和液體入口電勢最低為0 V，電極軸心處電位差最大，工件材料在軸心處蝕除最深。

圖8 氣膜屏蔽射流電解加工電勢分布Fig.8 AS-EMM potential distribution

為進一步了解加工區域附近的電場特性，對射流電解加工和氣膜屏蔽射流電解加工工況下的電勢、電流密度進行仿真，并提取距離工件表面0.1 mm位置處的電導率數值(圖9)、電流密度數值(圖10)。從圖9，10可以看出：氣膜屏蔽前，電極軸心處電流密度最高為699 608 A/m2，電導率維持在7.9 S/m不變；氣膜屏蔽后，電極軸心處電流密度最高為658 781 A/m2，中心電極處電導率為7.5 S/m，沿軸線至1 mm遞減降至4.3 S/m；相較于射流電解加工，氣體的電導率遠遠小于液體的電導率，由于壓縮氣體的注入，混合流場的電導率降低，致使電流密度的降低，與加工原理相符。

圖9 電導率變化圖Fig.9 Variation of electrical conductivity

圖10 電流密度變化圖Fig.10 Variation of the current density

3.3 溫度場特性分析

圖11是氣膜屏蔽射流電解加工溫度分布云圖。從圖11可以看出：溫度主要集中于加工區域，電極軸心處溫度最高，最高溫度可達至46.4 ℃。

圖11 氣膜屏蔽射流電解加工溫度分布Fig.11 AS-EMM temperature distribution

為進一步了解加工區域附近的溫度場特性，對射流電解加工和氣膜屏蔽射流電解加工工況下的溫度場進行仿真比較，并提取加工10 s后工件表面的溫度數值(圖12)。從圖12可以看出：氣膜屏蔽前，電極軸心處溫度最高為43.66 ℃，沿軸線逐漸降至室溫；氣膜屏蔽后，電極軸心處溫度最高為40.29 ℃，沿軸線逐漸降至室溫；相較于射流電解加工，一方面，由于壓縮氣體的注入，混合流場的電導率降低，由式(7)可知：電導率與熱傳導系數成線性關系，即電導率降低，溫度降低；另一方面，電解液流速越大，間隙流場熱量移除越多[9]。因此，氣膜屏蔽后，電解液流速增加，間隙流場內熱量降低，致使溫度降低，與加工原理相符。

圖12 間隙流場溫度分布Fig.12 Variation of temperature distribution

4 實驗研究

4.1 實驗平臺

實驗系統包括高壓氣體壓縮機、機床及控制系統、電解液循環系統、加工電源和時間控制繼電器等。由控制系統控制工作平臺xyz方向的移動；電解液循環系統將電解液輸送到加工區；高壓氣體壓縮機將壓縮空氣供給到氣液兩相噴嘴；加工電源提供加工所需直流及脈沖電流；通過電流傳感器觀測加工時電流變化情況，如圖13所示。加工后采用Bruker探針式輪廓儀(DektakXT)測量其輪廓尺寸，采用SEM測量表面形貌。

圖13 實驗工作平臺Fig.13 Experimental system of AS-EMM

4.2 實驗條件

實驗材料選用SS304不銹鋼，電解加工前拋光去除表面氧化膜，電極材料選用鎢，加工條件如表3所示。

表3 加工工藝參數Table 3 Processing parameters

4.3 實驗結果與模擬分析

為驗證模擬分析的有效性與正確性，采用與模擬分析相同的工藝參數分別進行射流電解加工和氣膜屏蔽射流電解加工凹坑實驗。圖14(a，b)分別是兩種加工方式下不同加工時間的實驗與仿真凹坑截面輪廓對比圖。可以看出：無論從仿真結果還是實驗結果，凹坑腐蝕尺寸均呈現出了相同的規律，即隨著加工時間的延長，深度和寬度逐漸增加，但增加速度逐漸減小；同時氣膜屏蔽后凹坑寬度、深度都具有明顯的收縮，且寬度收縮得更明顯，證明了氣膜屏蔽工況下加工定域性更優。這是由于氣膜屏蔽下，一方面由于壓縮氣體的注入形成混合流場，導致電導率降低，電導率降低的同時相對應影響電流密度的降低，最終致使其寬度、深度減小；另一方面，從圖6可知：壓縮氣體在中心的體積分數最低，沿軸向分布，氣體的體積分數逐漸上升，即凹坑邊緣附近的電導率要比射流電解加工小，寬度收縮更明顯。另外，隨著時間的增長，電極不做進給運動，加工間隙變大，導致電流密度減小，材料去除率減少，深度蝕除速率降低。

射流電解加工工況下，加工時間10 s后仿真結果寬度為910 μm，深度為64 μm；實際加工實驗測得輪廓寬度為1 013 μm，深度為54 μm；寬度誤差為11.3%，深度誤差為15.6%。氣膜屏蔽射流電解加工工況下，加工時間10 s后仿真結果寬度為692 μm，深度為57 μm；實際加工實驗測得輪廓寬度為803 μm，深度為47 μm；寬度誤差為14.9%，深度誤差為17.6%。由此可見實驗與模擬較為吻合。

將10 s后加工工件通過掃描電子顯微鏡放大50倍后觀察其表面微觀形貌，如圖15所示。

圖15 電鏡掃描輪廓圖Fig.15 Contour of electron microscope

圖16是不同時刻下凹坑的深徑比對比，由圖16可見：與射流電解加工相比，氣膜屏蔽射流電解加工2.5 s時加工凹坑深徑比由0.021 3提高到0.027 8；5 s時加工凹坑深徑比由0.031 8提高到0.039 7；7.5 s時加工凹坑深徑比由0.043 5提高到0.052 1；10 s時加工凹坑深徑比由0.050 5提高到0.062 4；可見氣膜屏蔽后，凹坑深徑比提高明顯，其加工定域性更好。

圖16 不同時刻下的深徑比Fig.16 Depth diameter ratio at different time

5 結 論

針對湍流工況下的射流電解加工和氣膜屏蔽射流電解加工進行模擬仿真研究，并通過工藝實驗進行驗證，得出結論：

1) 采用間接法將Fluent軟件中分析得到的氣液分布規律施加至Comsol Multiphysics中進行多物理場耦合的方法是可行的，模擬結果呈現出與實際實驗相同的材料去除規律，模擬誤差控制在17%左右。

2) 氣膜屏蔽后，由于壓縮氣體的注入，導致液體極大的收縮，并且部分氣體溶解到液體的內部，形成了氣液混合流場，尤其是工具電極正對工件加工區域周圍，氣體體積分數劇增，抑制了此處工件表面材料的蝕除；加工區域由于壓縮氣體的注入，附近電解液流速增加，避免了死水區的產生，有助于電解腐蝕雜質的排出和加工熱量的擴散，加工區域溫度降低，從而提高定域性和加工質量。

3) 與傳統射流電解加工相比，氣膜屏蔽射流電解加工凹坑寬度及深度減小，定域性增強，深徑比提高。