膛線電解加工仿生陰極工作齒設計與研究

李博，李清良，楊海娟

(1.西安工程大學工程訓練中心，陜西西安 710600；2.西安昆侖工業(yè)(集團)有限責任公司，陜西西安 710043；3.西安汽車職業(yè)大學，陜西西安 710600)

0 前言

與機械切削加工使用刀具完成工件的成型一樣，電解加工成型也需要刀具，稱為工具陰極。電解加工工具陰極的設計是一項復雜的工作，陰極設計包括結(jié)構(gòu)設計和型面設計。而陰極型面的設計問題從電解加工誕生到現(xiàn)在一直困擾著電解加工工藝的發(fā)展，是影響零件的尺寸精度和形狀精度的極其關鍵因素。目前國內(nèi)外學者創(chuàng)造性地提出了混合膛線新結(jié)構(gòu)的設計，實踐上采用帶修正齒的陰極，即在陰極工作齒的后端增設修正圈，利用其突出的尖角部位對膛線根部圓弧加工，從而使根部圓弧進一步減小，其效果比較顯著。但是，陰極突出的尖部長度、寬度如處理不當，將造成電解液流場絮亂，導致膛線局部的深切或接刀不圓滑，因此新的膛線結(jié)構(gòu)對陰極的設計要求越來越高[1]。

20世紀，美國國家航天局模仿生物鯊魚表皮，把航空航天飛行器的表面設計成了一定尺寸參數(shù)的形狀，進而改善湍流邊界層的流場，降低摩擦阻力[2-4]。德國柏林的BELCHER等對V形、U形、L形、Space-V形4種不同形狀的生物仿生形狀結(jié)構(gòu)進行了分析與測試，通過一系列的試驗驗證，結(jié)果表明：V形生物仿生形狀結(jié)構(gòu)的減阻效果最好，最高減阻效果達10%[5]。國內(nèi)朱狄、唐霖等人通過研究發(fā)現(xiàn)，當電解加工陰極與工件之間加工間隙的電解液處于湍流狀態(tài)時，加工質(zhì)量得到保證[6-9]。本文作者通過對陰極型面仿生設計，采用生物仿生減阻技術改善陰極與陽極之間近壁區(qū)流場，從而減小壁面摩擦阻力，有效穩(wěn)定加工間隙流場。同時，采用仿生結(jié)構(gòu)陰極進行電解加工試驗，對加工成型后膛線切片進行測量分析，結(jié)果表明：仿生結(jié)構(gòu)陰極滿足設計要求，工件加工精度得到保證。

1 仿生陰極整體設計

圖1所示仿生陰極的整體結(jié)構(gòu)，局部放大圖為工作齒。整個陰極在電機的驅(qū)動下，每個輪盤的工作銅齒按照數(shù)控加工程序的指令作軸向和縱向進給運動，每個工作銅齒的加工方向和膛線螺旋角的變化始終一致，理論上滿足加工工藝的要求。

圖1 整體仿生陰極結(jié)構(gòu)與工作齒

2 仿生工作齒型面設計

2.1 仿生減阻機制及工作齒型面設計

仿生結(jié)構(gòu)減阻機制如圖2所示，加工間隙電解液流速較高，當電解液湍流經(jīng)過陰極尖角部位時，電解液與尖角相互作用，在尖角附近會產(chǎn)生二次旋渦將流向渦與凹槽底部隔離開來。如圖3所示，在黏性作用影響下，底部流場速度小，頂部流場速度大，使得黏性底層的厚度增加，流體在運動過程中不直接與固體表面接觸，而是從近壁區(qū)低速流帶(黏性底層低速流帶)上經(jīng)過，降低了能量損失，減小了流體和壁面的接觸面積，進而減小了邊界層內(nèi)流動的剪切應力，導致表面摩擦阻力減小，從而實現(xiàn)陰極仿生結(jié)構(gòu)減阻的作用[10-13]。

圖2 減阻機制

圖3 二次渦立體圖(a)和二次渦平面圖(b)

V形仿生結(jié)構(gòu)摩擦阻力小，減阻效果最好。如圖4所示，當電解液流經(jīng)工作齒表面時，借助三維COMSOL軟件優(yōu)化仿生工作齒的根部，研究在電解液速度一致時的工作齒表面的摩擦阻力及減阻效果。

圖4 仿生表面示意

從目前研究成果來看，V形仿生結(jié)構(gòu)有以下4種，s/h=1、s/h=2、s∶h∶a=1、s/h=4。采用COMSOL對以上4種仿生結(jié)構(gòu)進行了計算[14-15]。圖5給出了4種不同仿生尺寸形狀結(jié)構(gòu)圖，取基本尺寸為s=h=0.1 mm，a=0 mm；s=0.1 mm，h=0.05 mm，a=0 mm；s=0.2 mm，h=0.05 mm，a=0 mm和s=h=a=0.05 mm。

圖5 不同尺寸形狀結(jié)構(gòu)

2.2 仿生結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

擬通過減阻量計算對圖5設計的4種不同尺寸形狀結(jié)構(gòu)進行比較。減阻量計算公式如下：

τ=μγ

(1)

式中：τ為剪切應力；μ為動力黏度，Pa·s；γ為剪切速率。

比較4種不同尺寸仿生結(jié)構(gòu)形狀不同參數(shù)的摩擦力和減阻效果，需要對電解加工間隙電解液的流場參數(shù)進行對比分析。采用COMSOL軟件對加工間隙流場進行模擬仿真，比較其速度、湍流參數(shù)、剪切速率的分布云圖及分布曲線。

2.2.1 仿生表面速度的計算機仿真

(1)加工間隙模型

在電解加工過程中，提高電解液流動的速度，使電解液能迅速帶走蝕出產(chǎn)物。當電解液湍流狀態(tài)，電解液濃差極化被消除，故采用RNGκ-ε模型：

(2)

(2)邊界條件

根據(jù)質(zhì)量守恒的定義公式：

<1)，且各件產(chǎn)品是否為不合格品相互獨立．

ρ1u1A1=ρ2u2A2

(3)

對勻質(zhì)、不可壓縮流體，公式(3)變?yōu)?/p>

u1A1=u2A2

(4)

式中：u1為進口速度15 m/s；u2為出口速度；A1、A2分別為進出口處加工間隙面積。利用UG軟件測出A1=0.852 415 459 mm2，A2=1.777 412 143 mm2，故：

邊界條件u2出口速度為7.193 73 m/s。在COMSOL理想環(huán)境中，在進行網(wǎng)格劃分時還要對工作齒型面尖角作細化處理，效果如圖6所示。

圖6 網(wǎng)格剖分

圖7為4種尺寸仿生表面速度分布，可以看出：仿生表面的存在改變了加工間隙的流場特性。4種形狀尺寸仿生結(jié)構(gòu)均改善了加工間隙流暢的分布，4種形狀尺寸速度分布云圖基本一致，不管哪一種形狀尺寸，靠近仿生結(jié)構(gòu)附近的電解液流動速度穩(wěn)定、流速較慢，這也恰好證明了黏性底層低流速條帶的存在。圖7(a)速度最高達89.36 m/s，圖7(b)速度最高達94.485 m/s；圖7(c)的最高速度89.338 m/s為最低，圖7(d)速度最高達92.489 m/s。綜合比較來看，圖7(c)速度最高值最低，相應的速度分布最為均勻，流場也相對穩(wěn)定。

圖7 仿生結(jié)構(gòu)速度場分布

如圖8所示，為弄清楚4種仿生結(jié)構(gòu)在不同參數(shù)下加工間隙的流場分布情況，順著y方向某個位置x方向選擇一段[15]，得到4種速度分布曲線。

圖8 速度分布曲線

結(jié)果表明：4種仿生參數(shù)工作齒表面的速度分布趨勢一致；4種仿生參數(shù)的速度曲線中都有一段呈拋物線型的二次分布，這是反向渦速度分布曲線，反向渦流使加工間隙電解液的速度梯度減小，減小摩擦阻力；在曲線后半段有類似于對數(shù)線型分布的曲線，說明仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部對流場的影響比較大。當s=h=a=0.05 mm時，二次分布值最為明顯，漩渦的速度最大。

2.2.2 湍流參數(shù)分析

(1)表面湍動能

圖9為湍動能分布曲線，可以看出：s=0.2 mm、h=0.05 mm的仿生表面湍動能的變化比較平緩，減弱了邊界層內(nèi)湍流脈動，降低了湍流猝發(fā)強度，使得邊界層內(nèi)流場較為平穩(wěn)，從而達到減阻的目的。

圖9 湍動能變化規(guī)律

(2)湍流動能耗散率

圖10為湍流耗散速率分布曲線，可以看出，在仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面近壁區(qū)，仿生結(jié)構(gòu)內(nèi)部的低速二次渦對湍流有著明顯的抑制作用，s=0.2 mm、h=0.05 mm的仿生表面湍流耗散速率在近壁區(qū)增長比較緩慢，邊界層的能量轉(zhuǎn)換不劇烈，使得邊界層流場較為平穩(wěn)。

圖10 耗散速率曲線

2.2.3 剪切速率

圖11給出了仿生表面剪切速率的對比云圖，可知：當s=0.1 mm、h=0.05 mm時，剪切速率最大；當s=0.2 mm、h=0.05 mm時，剪切速率最小。圖12中有一段曲線變化較為平緩，這是因為電解液在拐角地方，加工間隙由于截面變化不明顯，剪切速率變化不明顯。越靠近待加工零件的壁面，剪切速率越來越小，電解液與壁面的摩擦帶走了一部分能量，使剪切應力迅速變小，速度梯度變化較大，曲線也陡然下降。當s=0.2 mm、h=0.05 mm時，在大部分位置，它的剪切力最小，說明它的減阻效果最好。

圖12 剪切速率分布曲線

3 試驗驗證

如圖13所示，參照一般電解加工工藝參數(shù)，在大型臥式電解機床上進行仿生陰極試驗，電解加工參數(shù)設置如下：加工電壓10～13 V，進給速度12～16 mm/min，電解液壓力2 MPa，電解液溫度35 ℃。通過工藝試驗，驗證仿生陰極工作齒方案s=0.2 mm、h=0.05 mm時設計結(jié)構(gòu)是否合理。

圖13 仿生陰極(a)及加工現(xiàn)場(b)

如圖14所示，為仿生陰極加工出的膛線實物及切片，整個電解加工過程十分穩(wěn)定。對加工任意切片進行測量，其表面粗糙度Ra達1.6 μm，滿足零件圖紙的要求。

4 結(jié)論

根據(jù)仿生減阻機制，提出4種不同尺寸形狀的仿生結(jié)構(gòu)的設計。通過仿真，對該4種不同尺寸形狀仿生結(jié)構(gòu)對間隙電解液流場影響進行分析，通過試驗進行驗證，結(jié)論如下：

(1)在仿生表面近壁區(qū)存在著低速流帶，該低速流帶被黏性所阻滯，抑制了流動的不穩(wěn)定性，增加了黏性底層的厚度，從而減小了壁面剪切力，使摩擦阻力減小，仿生表面速度分析很好地證明了這一點。

(2)通過對湍流參數(shù)的對比、分析，當工作齒表面仿生尺寸為s=0.2 mm、h=0.05 mm時減阻效果最佳，不僅可以有效降低仿生表面所受到的剪切應力，同時保證底部受到很小的切應力，穩(wěn)定流場減小了整個系統(tǒng)的摩擦阻力，提高了加工效率。

(3)通過工藝試驗，對仿真結(jié)果進行驗證，通過對切片的測量及分析，零件表面粗糙度Ra達1.6 μm，試驗結(jié)果表明仿生陰極工作齒在電解加工過程中，加工間隙流場均勻穩(wěn)定，滿足實際工藝要求。