薄壁材料厘米級陣列結構電解加工的數值模擬與實驗驗證*

韓金臻 柳 斌

(浙江工業職業技術學院，浙江 紹興 312000)

隨著科技的不斷發展，產品尤其是精密產品逐漸趨向于微型化和輕量化，而這些要求勢必導致產品結構的薄壁化。目前，針對金屬零件表面結構的加工方法主要以傳統機械加工和特種加工方法為主，但傳統機械加工存在殘余應力、變質層和微裂紋等缺陷，對其加工技術的應用受到了一定的限制和阻礙，尤其對于薄壁結構的加工，加工變形缺陷嚴重影響了其在薄壁金屬結構方面的推廣應用。針對這些缺陷，電解加工是一種有希望且理想的加工技術，其主要加工原理是建立于電化學基礎之上對陽極金屬材料以離子態進行蝕除。由于具有無接觸應力、無加工變質層和無微裂紋等特點，在難加工金屬材料薄壁結構、深孔和異型結構的加工上具有獨特優勢和應用前景[1-3]。目前，陣列結構的研究主要集中于微細電解加工，針對薄壁結構厘米級陣列結構的研究論文依然很少[4-7]。

為了研究薄壁金屬材料厘米級陣列結構的可加工性，本文以薄壁陣列結構為研究對象，利用掩模電解加工為原型在陽極表面或陰極表面增加了非金屬材料以此抑制非加工區域的電化學腐蝕；同時，借助計算機對電解加工的流場和電場進行了數值模擬以此節約加工成本，避免陰極結構的再設計和再實驗。另外，通過對陽極表面的流場和電場進行分析來確定合理的電解加工方案。

1 實驗裝置

薄壁材料厘米級陣列結構電解加工實驗平臺是五軸聯動電解加工機床(如圖1)，對應的軟件控制界面如圖2所示。在此基礎上，搭建了適合加工對象的實驗裝置，其加工原理如圖3所示，其中電解液采用側向供液，同時在電解液池中設計了四級過濾裝置，主要用于不同程度的過濾。電源采用穩壓脈沖電源，在加工前將電源的正極與被加工對象相連，電源的負極與陰極工具相連，在水泵的作用下陰極和陽極之間充滿了電解液。當電源導通時，整個系統會形成一個閉合的回路，此時電解加工將得以實現。

2 方案設計

本文針對厘米級陣列孔的加工擬提出兩種方案對其進行研究，方案一(如圖4)和方案二(如圖5)均由絕緣層、陰極和陽極組成，不同的是：方案一絕緣層粘接于板式陰極表面，而方案二粘接于柱形式陣列陰極表面。為了方便研究，陰極結構尺寸均為8.5 cm×8.5 cm×1 cm，陽極或陰極上圓柱或圓柱孔的直徑和高度均為0.5 cm，絕緣層尺寸為8.5 cm×8.5 cm×0.5 cm。其中，陰極擬采用黃銅，陽極采用不銹鋼304，絕緣層采用尼龍或塑料等非金屬材料，在實際加工中，絕緣層與陰極或陽極采用膠結方式進行連接。

3 仿真分析

3.1 物理模型

方案一的絕緣層設計于陽極表面或陰極表面，對流體結構沒有影響，但對陽極表面的流場特性有著重要的影響，通過對陽極、陰極以及絕緣材料進行封裝后，方案一和方案二具體的流體模型如圖6所示。

3.2 數學模型

本文電解液采用側向供液方式，由于在加工過程中電解液處于紊流狀態。因此，流場模型選擇k-ε湍流模型，則建立的流場模型如下[8]：

(1)

式中：i=1,2,3；j=1,2,3；ρ為流體密度，g/cm3；μ為動力粘度，Pa·S；ε為湍動耗散率。

為方便建立電場的數學模型，對電解過程作出如下假設：(1)歐姆效應決定了陽極工件表面電流密度的分布。(2)溶液各處的導電率是均勻的。(3)電極表面設定為等電位面。

根據電場理論，電位的分布由拉普拉斯等式(Laplace equation)給出：

?2φ=0

(2)

其中：φ表示電解質或任意點的電勢，?2為拉普拉斯算子。

電極表面為等勢面，當電壓為15 V時，陽極表面的電勢為φa=15;陰極表面的電勢為φC=0。

根據歐姆定律，電流密度J和電勢φ有如下關系：

(3)

其中，絕緣層無電流通過，則有：

n·j=?φ/?n=0

(4)

3.3 仿真結果

圖7和圖8分別為絕緣層粘接于陰極表面時速度場和電流密度的分布圖，由圖7c可知：陽極表面的速度場在流場方向上呈現遞減趨勢，尤其在靠近入口位置陽極表面的速度值為0.9 m/s,約為其余陽極表面流場的2倍，而且孔中心位置對應陽極表面的流速遠高于孔周附近的流速，另外孔周附近流速接近0，整個加工間隙的流速較低，這將使電解液更新速度較低；由圖8c可知：陽極表面的電流密度在4.55 A/m2和4.95 A/m2范圍內變化，每個孔中心位置對應陽極表面的電流密度值最小，約為4.55 A/m2，孔周圍對應的電流密度約為4.95 A/m2，電流密度基本呈現均勻分布，但過低的流速會極大降低陽極工件的蝕除速度。

圖9和圖10分別為絕緣層粘接于陽極表面時速度場和電流密度的分布圖，由圖9c可知：在流場方向上，陽極表面的流速先增大后減小再增大的規律分布，速度值在3.8～4.2 m/s變化，整個極間間隙各處陽極表面的流速差異性較小；由圖10c可知：陽極孔對應的陽極表面的電流密度值在0.3～0.82 A/m2變化，整個陽極表面的電流密度很小，很難實現陽極材料的蝕除。

圖11為方案二流場和電場耦合時的仿真結果，從圖11f可知：陽極表面的流速在3.4～3.8 m/s變化，壓力在4.8×105～4.86×105Pa變化，流場基本呈現均勻性分布；另外，從圖11g、11h和11i可知：電場分布差異性較小，而且隨著電壓的增大，孔對應的陽極表面的電流密度也在逐漸增大，因此，與方案一相比，方案二更適合用于薄壁件厘米級陣列結構的電解加工。

4 實驗驗證

通過對流場和電場進行分析后可確定：初始加工間隙為0.5 cm，電解液壓力為0.5 MPa，加工電壓為25 V，其他的實驗參數見表1。加工結果如圖12所示，無雜散腐蝕且加工的成形質量較好，孔徑略大于0.5 cm。研究表明：方案二可以實現薄壁材料厘米級陣列孔的加工，有助于推動其在工程領域的應用和發展。

表1 電解加工實驗參數

5 結語

為探究薄壁金屬材料厘米級陣列結構電解加工的可行性，本文通過多物理場仿真軟件COMSOL對電解加工進行了仿真分析；另外，電解加工實驗驗證了其可加工性，由此獲得的結論如下：

(1)以掩模電解加工為原型，借助計算機對薄壁金屬材料厘米級陣列結構電解加工的流場特性和電場特性進行了耦合分析，確定了在非電化學腐蝕區進行絕緣保護的加工方案是可行的。

(2)當電解液壓力為0.5 MPa，初始加工間隙為0.5 cm，電壓達到25 V時，可以實現金屬材料的去除，由此驗證了實驗與仿真的一致性。

(3)通過對薄壁金屬材料厘米級陣列結構電解加工的研究，有助于擴大并推動電解加工技術在工程領域的應用。