基于COMSOL的微小孔毛刺去除仿真分析与实验.pdf
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1、:./.基于 的微小孔毛刺去除仿真分析与实验张明文丁庆田(安徽理工大学 机械工程学院安徽 淮南)摘 要:为解决微小孔钻削时产生的毛刺严重影响零件表面加工质量的问题该文针对微小孔毛刺去除展开研究采用 仿真软件建立三维去毛刺仿真模型并采用螺旋钻头作为工具阴极研究.、.、.加工电压、电解液浓度对毛刺去除效果的影响规律 仿真结果表明增大加工电压、加大电解液浓度会导致毛刺去除速率加快同时也会导致微小孔孔径的扩张最大扩张至 微小孔毛刺尖端获得电流密度大毛刺尖端优先被去除电流密度大小对应毛刺去除能力强弱加工间隙大小与电流密度大小成反比 最后对仿真结果进行试验验证试验与仿真的趋势变化基本相同关键词:毛刺微小孔
2、电化学三维仿真中图分类号:文献标识码:文章编号:()():.:引 言金属切削加工过程中产生毛刺是很难避免的尤其是在钻削加工微小孔的情况下 加工时产生的毛刺不仅会影响产品的外在形貌还会造成产品的装配质量下降影响零件的使用寿命 随着微小孔的使用越来越广泛如光纤连接器、喷油嘴、航空发动机工作叶片及表面织构减摩等微小孔孔口毛刺的去除也变得越来越重要 而传统的手工去除毛刺工艺早已满足不了如今的加工精度要求因此电化学去毛刺技术应运而生徐文骥等采用电化学方法对管内壁相贯处毛刺进行去除实验研究研究得出在优选的加工工艺参数条件下毛刺得到有效去除 等采用电化学方法对微孔毛刺进行去除并分析了电解过程中加工区域电流密
3、度的分布和动态变化朱肖飞等改变了阴极形状通过电化学光整加工技术去除了工件边缘两侧方向的毛刺提高零件表面的完整性郭英杰等采用计算机仿真软件建立了电化学加工过程中的二维电场模型研究了不同电极及绝缘层的位置对提高加工表面质量的影响 等采用磨削和电化学加工混合的工艺加工微小孔实验验证了工艺参数对孔表面质量和尺寸精度的影响作用并已生产出直径小至.的精密孔 目前电化学去毛刺研究多以实验验证为主材料费用花费高同时现有有限元仿真多为二维平面难以准确观察毛刺去除全貌使后续实验参数设置存在较大误差笔者采用 有限元软件对微小孔毛刺去除过程进行三维仿真分析探究不同加工电压、不同电解质溶液浓度对毛刺去除的影响并且通过实
4、验验证了仿真的准确性 毛刺去除机理分析电化学去毛刺原理是金属在电解液中发生电化学机械研究与应用 年第 期(第 卷总第 期)研究与试验收稿日期:作者简介:张明文()男安徽马鞍人硕士研究生研究方向:特种加工技术反应导致的阳极溶解 与一般电解加工不同电化学去毛刺加工过程中毛刺部位的加工间隙显著小于其他部位的加工间隙使得电流密度集中于毛刺周围并在相对比较短的时间内完成对毛刺的溶解 根据法拉第第一定律阳极表面溶解的体积 可表示为:()式中:为体积电化学当量 为电流密度 为电流效率 为加工时间加工原理如图 所示毛刺部分连接电源正极称为工件阳极螺旋钻头连接电源负极称为工具阴极 加工时工具阴极位于微小孔孔内并
5、保持一定的加工间隙作为放电通道保持电解液完全覆盖加工区域 由于电场的作用电解液中的氢氧根离子向工件阳极运动失去电子发生氧化反应表达式如式()所示氢离子向工具阴极运动得到电子发生还原反应表达式如式()所示形成了由工件阳极开始向工具阴极流动的正向电流 当导电回路形成后工件阳极表面的金属材料以“离子”的形式被蚀除同时在电化学反应过程中工具阴极表面生成气泡产生气泡层阳极氧化反应:()阴极还原反应:()图 电化学去毛刺原理 仿真模型的建立.三维模型建立根据电化学去毛刺原理和毛刺行态毛刺去除过程中工件阳极、工件阴极间的电流密度和毛刺去除状态分布在 仿真软件中建立三维几何模型如图 所示图 电化学仿真模型 图
6、中 为 电解液 为工具阳极 为工具阴极为微小孔毛刺为工具阴极的半径为微小孔半径.仿真参数设置在进行电化学仿真模拟时选择三维模型添加物理场接口设置材料参数选择不锈钢为工件阳极电导率为./密度为./阴极为螺旋钻头材料为钨钢电导率为./密度为./电解液选择 溶液电导率为./进行模型边界条件设定工件阳极上施加加工电压工具阴极接地加工间隙中电解液周围设置为电绝缘 其余参数设置如表 所列表 仿真参数参 数数 值电解液 浓度/、工具电极半径/电压值/.、.、.微小孔半径/.加工温度/.毛刺区域为主要观察对象使用 仿真软件进行网格划分如图 所示 从收敛性和计算成本考虑对工件阳极其他区域采用结构化网格划分工具阴
7、极和电解池区域分别进行网格粗化和较粗化处理图 网格划分 仿真结果.加工电压对毛刺去除影响设置不同加工电压以观察电流密度对毛刺去除的影响规律 结果如图 所示 由图 可知随着加工电压的不断增大微小孔电流密度增加毛刺的去除速度加快微小孔毛刺的去除速率与其邻近区域电流密度值正相关 与公式()的结果相吻合说明电流密度值体现了电化学加工对毛刺去除能力的大小 加工电压为.时毛刺去除完成时微小孔孔径为 未出现严重的过度腐蚀当加工电压为.毛刺完全去除微小孔孔径为 孔口过度腐蚀严重导致微小孔孔径变大影响表面加工质量和装配 为了保证微小孔孔口表面的加工质量和装配仿真条件下电压选择.最佳 观察毛刺研究与试验 年第 期
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