短电弧-电解复合加工深小孔间隙流固耦合特性研究.pdf
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1、短电弧-电解复合加工深小孔间隙流固耦合特性研究*马昕旸陈小康王恪典周建平(新疆大学机械工程学院,新疆 乌鲁木齐 830017;西安交通大学机械工程学院,陕西 西安 710000)摘要:针对深小孔结构加工存在的质量要求高、孔径小、数量多、加工难度大等问题,提出了短电弧-电解复合加工深小孔的方法。短电弧-电解复合加工具有不受材料影响、加工效率高以及表面质量好等优点,但由于深小孔加工阴极柔性大,加工易震颤且电弧放电能量大会引起排屑不畅、短路、二次放电问题。针对上述问题,对短电弧-电解复合加工深小孔间隙流固耦合特性展开研究。从间隙流场角度出发,研究了不同进给速度以及不同加工深度下间隙流场的运动特性,并
2、设计实验验证仿真结果。结果表明:在一定范围内,短电弧-电解复合加工进给速度越快,极间介质平均运动速度越快,颗粒分布越均匀,排屑效果越好,因此通过增加进给速度可以促进排屑,提高短电弧-电解复合加工的稳定性。关键词:深小孔加工;短电弧-电解复合加工;流固耦合特性;间隙流场;排屑中图分类号:TG661文献标识码:ADOI:10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.08.020Research on flow-solid coupling characteristics of deep small hole gaps byshort electric arc-electrolysi
3、s composite machiningMA Xinyang,CHEN Xiaokang,WANG Kedian,ZHOU Jianping(School of Mechanical Engineering,Xinjiang University,Urumqi 830017,CHN;School of MechanicalEngineering,Xian Jiaotong University,Xian 710000,CHN)Abstract:In view of the problems of high quality requirements,small hole diameter,la
4、rge number of holes anddifficult processing,this paper proposes a short electric arc-electrolysis compound machining methodfor deep and small holes.Short electric arc-electrolysis machining has the advantages of material-independent,high processing efficiency and good surface quality,but due to the
5、large flexibility of thecathode for deep and small hole machining,the processing is easy to shake and the arc discharge energycan cause poor chip discharge,short circuit and secondary discharge problems.In view of the aboveproblems,this paper investigates the flow-solid coupling characteristics of d
6、eep and small holes byshort electric arc-electrolysis compound machining.From the perspective of the gap flow field,themotion characteristics of the gap flow field under different feed rates and different machining depths arestudied,and experiments are designed to verify the simulation results.The r
7、esults show that in a certainrange,the faster the feeding speed of short electric arc-electrolysis composite machining,the faster theaverage motion speed of interpolar medium,the more uniform the particle distribution,and the betterthe chip removal effect,therefore,by increasing the feeding speed ca
8、n promote chip removal andimprove the stability of short electric arc-electrolysis composite machining.Keywords:deep small hole machining;short electric arc-electrolysis compound machining;fluid-solid couplingcharacteristics;interstitial flow field;chip removal *航空薄壁零件低压微弧铣削加工放电通道演化规律与变形抑制方法研究(52265
9、061)2023年第8期_Technology and Manufacture 工艺与制造 141 小孔一般是指直径小于 1 mm 的孔,其中,直径为 0.31.0 mm 的孔称为小孔,直径小于 0.3 mm的孔称为微孔,而深孔是指孔深与孔径之比大于 5的孔。深孔又分为一般深孔(L/d520)、中等深孔(L/d2030)和超深孔(L/d30100)三类。因此定义深径比为 520、直径为 0.31.0 mm的孔总称为深小孔。深小孔结构目前频繁在制造行业中用到,如车辆工程、精密制造等行业,相关零部件物理、化学以及力学性能都受该结构性能影响 1。深小孔结构多采用难加工金属材料,如镍基高温合金、钛合金
10、等,且该结构尺寸要求高、基数大、加工复杂以及精度要求严格,所以深小孔加工成为零部件制造领域的一大障碍23。随着制造技术的发展,现在深小孔的加工方法有多种,如机械加工、激光加工、电化学打孔和电火花打孔等4。但是上述方法都存在一些缺点,如电火花加工由于孔壁往往存在重铸层、热影响区等56。电解加工后孔壁无重铸层但加工效率较低7。因此需要一种加工方法将电火花打孔时的高效率与电解加工后优良的表面质量相结合,现在国内外已经有很多关于电火花-电解复合加工的研究,且技术相对成熟,复合形式多样,一种是依靠两种加工方式发生顺序的前后不同将二者复合,以达到电解加工改善表面质量的效果;另一种是将电火花加工和电解加工组
11、合起来同时进行,通过控制电介质以及其他变量的变化来选择以何种加工方式为主导进行加工的加工方法8。徐正扬等9 提出了微小孔电火花-电解同步复合加工方法,通过电火花加工和电化学溶解同步进行,实现小孔的高效无重铸层制造;Zhang Y 等10提出使用管状电极高速电化学放电钻孔(TSECDD)的方法,可以在难加工高温合金中制造薄膜冷却孔,研究在钻孔中使用低导电率盐溶液,就会发生电化学反应,材料也可以通过放电加工(EDM)的方式高速去除;张亚雄等11采用中性盐溶液代替酸性溶液作为电解液,以孔径为 0.7 mm 的 60电火花成形斜孔样板作为研究对象进行了电化学倒圆实验,发现电极裸露长度和电极下降位置的差
12、值为 3.84.2 mm 时可实现稳定倒圆角。短电弧-电解复合加工作为一种新兴的复合加工方法,还是存在加工精度不理想的情况,需要不断优化改善其加工质量。因此,本文提出通过仿真结合实验的方法对深小孔加工极间流场进行研究,并通过分析对比在不同进给速度、不同加工深度下的排屑效果以及工件表面质量,找到提升加工效果和改善表面质量的方法。1短电弧-电解复合加工流场模拟分析 1.1理论分析短电弧-电解复合加工间隙的碎屑颗粒受极间介质影响流动,所以需要利用流体动力学方程和粒子运动方程求解碎屑颗粒的分布状态12。由于冲液采用气、液混合介质,且通过计算得到流体雷诺数远大于 4 000,因此选用 Comsol 中自
13、带的 Euler-Euler湍流模型,为便于计算,对模型进行以下假设:计算中不考虑流体流动中的热量损耗;流体介质为不可压缩流体。流体密度为常数时的连续性方程:kt+(kuk)=0(1)流体运动遵循动量守恒定律,动量守恒方程(计算粘性、动力):kukt+(kukuk)=(PkI)+Tk+kgk(2)k式中:k 代表相的角码(在这里 k=g 代表气相,k=l代表液相);为各相密度;uk为各相速度向量;Pk为各相压力标量;I 为单位张量;Tk为剪应力张量;gk为重力加速度向量;为矢量微分算子。由于碎屑颗粒运动速度遵循牛顿第二定律,且数值取决于流场速度大小,因此颗粒运动方程13为dupdt=FD(uu
14、p)+g(p)p(3)FD=1pmpM(uup)(4)式中:u、up分别为流体和颗粒的速度;、p分别为流体和颗粒的密度;g 为重力加速度;FD为颗粒间曳力,符合斯托克斯曳力定律14。1.2极间流场建模短电弧-电解复合加工是指在一定比例的气液混合介质中,通过电极和工件之间产生的受激发短电弧放电群组将快速材料熔化或汽化,被熔化的材料在介质的作用下快速排出放电间隙,从而达到材料去除的目的15。图 1 所示为根据短电弧-电解复合加工原理建立的三维极间流场模型,研究基于Comsol 进行流场模拟仿真,调用 Euler-Euler 模型湍流模块与流体流动颗粒追踪模块,Euler-Euler 模型用于两相模
15、拟,而两种液体被视为相互渗透的连续2023年第8期工艺与制造 Technology and Manufacture_ 142 体,模型模拟完全相互穿插且不可压缩的两个连续相的流动,因此是对本文间隙气液混合介质这类两相流模拟计算最适合的方法,湍流模块中设置壁面无滑移,流体流动受重力影响,重力加速度设置为 9.8 m/s2。入口条件为速度场入口,速度场连续相与分散相比值为 u2 u,按照单位时间内测得的流量计算所得的速度 u 为 3.15 m/s,出口条件为无粘性应力边界条件,流动颗粒受到的曳力满足斯托克斯定律。速度入口压力出口105 mm0图图1短电弧短电弧-电解复合加工孔流场几何模型电解复合加
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