鄭雄偉,范植堅,范慶明,賈建利,余　涵

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021)

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異形渦道電解加工間隙旋轉(zhuǎn)流場數(shù)值模擬及分析*

鄭雄偉,范植堅,范慶明,賈建利,余涵

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,西安 710021)

針對閉式整體構(gòu)件變截面異形渦道電解加工時加工間隙流場不均勻、易短路及燒傷等問題,提出了兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角分別為135°和90°,兩進(jìn)液口斜相錯90°等四種供液方式,給出了使加工間隙形成旋轉(zhuǎn)流場的電解加工裝置.基于多物理場仿真軟件COMSOL對電解加工間隙旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行仿真,對不同供液方式形成的間隙旋轉(zhuǎn)流場的速度、壓力分布進(jìn)行數(shù)值模擬分析.結(jié)果表明:兩進(jìn)液口斜相錯90°供液方式優(yōu)于其他三種供液方式.兩進(jìn)液口為斜相錯90°時,流場腹部速度大小未發(fā)生顯著改變,但低速區(qū)域的面積明顯減小,中高速區(qū)域面積明顯增加；流場頂部最高流速略微降低,流場頂部邊緣區(qū)域流速顯著上升,流場頂部中高速區(qū)域面積顯著增加；流場頂部最高壓力較直進(jìn)液方式下降了1/4,流場頂部區(qū)域壓力更為均勻；流場腹部的最高壓力較直進(jìn)液方式下降了1/3,流場腹部區(qū)域壓力更為均勻.

旋轉(zhuǎn)流場；電解加工；閉式整體構(gòu)件；加工間隙

閉式整體構(gòu)件的渦道彎曲、狹窄,電解加工渦道的間隙電解液流動很容易出現(xiàn)渦流、空穴及流場狀況惡劣.電解加工的表面質(zhì)量乃至能否順利進(jìn)行加工在很大程度上取決于流場設(shè)計,國內(nèi)外學(xué)者為改善電解加工流場開展了一系列研究[1].文獻(xiàn)[2]通過改變陰極結(jié)構(gòu)、回液孔分布及供液方式的設(shè)計,基于多物理場仿真軟件COMSOL對上述不同陰極進(jìn)行電解加工間隙流場的仿真和比較,改善了間隙流場分布.分析表明,當(dāng)進(jìn)口壓力為0.8 MPa,十字交叉槽槽寬為1.5 mm,錐頭回液孔數(shù)量為12個,三排錯開排放,間隙流場較均勻.文獻(xiàn)[3]研究了流場對電解加工陰極設(shè)計的影響,比較了各方案流場的速度場以及壓力場的分布,綜合對各方案時均阻力系數(shù)的計算結(jié)果,確定出了最佳方案.文獻(xiàn)[4]采用“雙向進(jìn)液”的供液方式,結(jié)果表明采用從工具電極兩側(cè)進(jìn)入的雙向進(jìn)液方式可以保證流場的均勻穩(wěn)定.文獻(xiàn)[5]進(jìn)行了數(shù)控電解加工流場數(shù)值模擬,表明采用流體動力學(xué)方法對電解加工中陰極流場進(jìn)行設(shè)計理論上是可行的.以上研究均涉及了流場仿真,提出了一些供液方案,但對旋轉(zhuǎn)流場的研究尚不夠充分,特別是對旋轉(zhuǎn)流場的供液方式未見報道.

本文通過UG軟件平臺建立閉式整體構(gòu)件的渦道電解加工間隙旋轉(zhuǎn)流場模型,通過改變兩供液口的相對位置,提出不同的供液方式,基于COMSOL仿真軟件平臺,從速度、壓力及流線分布等方面比較了不同供液方式下的流場分布情況,以期得到流場的變化規(guī)律.

1　間隙旋轉(zhuǎn)流場模型建立

為了使流場飽滿,采取反流式供液；為了使加工間隙的電解液形成旋轉(zhuǎn)流動,在電解加工裝置不同方位上開兩個進(jìn)液孔,使電解液通過兩個進(jìn)液口流經(jīng)加工間隙,底面加工間隙最后經(jīng)由陰極頂部和腹部上的小孔進(jìn)入陰極內(nèi),沿出液孔排出,如圖1所示.圖1(a)為間隙旋轉(zhuǎn)流場三維模型， 圖1(b)為間隙旋轉(zhuǎn)流場剖面圖.

圖1　旋轉(zhuǎn)流場結(jié)構(gòu)圖

1.1間隙旋轉(zhuǎn)流場幾何模型

優(yōu)化電解液在加工間隙的分布,以避免在加工過程中因電解液的流速和壓力問題而造成的短路及陰極燒傷.為了探討設(shè)計的進(jìn)液口位置對間隙流場的影響,提出了兩進(jìn)液口的水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口的夾角分別為135°,90°以及兩進(jìn)液口斜相錯90°等四種供液方式,采用軟件UG建立不同供液方式的間隙旋轉(zhuǎn)流場三維模型,如圖2所示.通過電解液進(jìn)入間隙時流場仿真,對渦流及空穴進(jìn)行分析,以最大限度充滿間隙,消除流場中的渦流及空穴.

圖2　間隙旋轉(zhuǎn)流場三維模型圖

1.2間隙旋轉(zhuǎn)流場數(shù)學(xué)模型

為表征流體流動情況,以區(qū)分流體的流動是層流或湍流,引入雷諾數(shù)Re來衡量作用于流體上的慣性力與黏性力相對大小,有

Re=ρvLd/μ

(1)

式中：ρ為流體密度；vL為流場速度；d為管道當(dāng)量直徑；μ為流體的黏性系數(shù).

電解加工間隙進(jìn)口速度為15m·s-1,流體黏性系數(shù)μ為1.01×10-6kg·(m·s)-1,流體密度ρ為1 100kg·m-3,由式(1)確定出電解加工間隙液體的流動狀態(tài)為湍流.

不可壓縮流體Navier-Stokes矢量方程[6]為

(2)

(3)

式中：u,v,w為流體在t時刻,在點(diǎn)(x,y,z)處的速度分量；p為流體微元體上的壓力；g為重力加速度；為梯度算子；2為拉普拉斯算子；V為流體體積.

當(dāng)流體為不可壓時,標(biāo)準(zhǔn)湍動能-湍動耗散率(K-ε)模型[6-7]為

GK-ρε

(4)

(5)

(6)式中：μi為湍動黏度；K為湍動能；Gk為平均速度梯度引起的湍動能K的產(chǎn)生項；ui,uj均為速度；xi,xj均為梯度方向；ε為湍動耗散率;t為時刻；Cc1,Cc2,Cμ ,σk和σε為模型常數(shù),其常數(shù)項取值見表1. 表1　常數(shù)項取值Tab.1　The constant values

2　間隙旋轉(zhuǎn)流場仿真分析

將間隙旋轉(zhuǎn)流場模型導(dǎo)入多物理場仿真軟件COMSOL中進(jìn)行仿真分析,對間隙旋轉(zhuǎn)流場的腹部和頂部(如圖3所示)仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析.

2.1間隙旋轉(zhuǎn)流場速度仿真分析

圖4為電解加工間隙流場腹部速度云圖.由圖4可見,當(dāng)兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135°,90°時,間隙旋轉(zhuǎn)流場腹部的速度未發(fā)生顯著變化,低速區(qū)域和高速區(qū)域的面積未發(fā)生顯著變化.而當(dāng)進(jìn)液口為斜相錯90°時,流場腹部速度大小未發(fā)生顯著改變,但低速區(qū)域的面積明顯減小,中高速區(qū)域面積明顯增加.因此,兩進(jìn)液口斜相錯90°時,流場腹部電解液速度優(yōu)于水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135°及兩進(jìn)液口夾角為90°等供液方式.

圖3　間隙旋轉(zhuǎn)流場的腹部和頂部

圖4　電解加工間隙流場腹部速度云圖(m·s-1)

圖5為電解加工間隙流場頂部速度云圖.由圖5可見,當(dāng)兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135°,90° 時,間隙旋轉(zhuǎn)流場腹部的速度大小未發(fā)生改變,低速區(qū)域和高速區(qū)域的面積也未發(fā)生明顯改變.而當(dāng)兩進(jìn)液口為斜相錯開90° 時,流場頂部最高速度略微下降,流場頂部邊緣區(qū)域的速度明顯上升,中高速區(qū)域面積明顯增加.因此,兩進(jìn)液口斜相錯90° 時,流場頂部電解液速度上優(yōu)于水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135° 及兩進(jìn)液口夾角為90° 等供液方式.

圖5　電解加工間隙流場頂部速度云圖(m·s-1)

2.2間隙旋轉(zhuǎn)流場速度流線仿真分析

對間隙旋轉(zhuǎn)流場的縱向剖面(如圖6所示)速度流線仿真結(jié)果進(jìn)行對比分析,如圖7所示.由圖7可見,當(dāng)兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135°,90°,兩進(jìn)液口斜相錯90° 時,電解液在流場剖面上的速度分布均勻,沒有因進(jìn)液方式不同發(fā)生顯著變化,當(dāng)兩進(jìn)液口夾角為135° 時,發(fā)現(xiàn)導(dǎo)液管內(nèi)的電解液速度分布顯著紊亂.四種供液方式在輔流道處均出現(xiàn)輔流道渦流.因此,當(dāng)兩進(jìn)液口夾角為135° 時,流場剖面速度分布紊亂；兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為90° 及斜相錯90° 等三種供液方式的流場剖面速度分布一致.

圖6　間隙旋轉(zhuǎn)流場縱向剖面圖

2.3間隙旋轉(zhuǎn)流場壓力仿真分析

圖8為加工間隙流場腹部壓力云圖.由圖8可見,當(dāng)兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135°,90° 時,流場腹部的壓力未發(fā)生顯著變化,低速區(qū)域面積和高速區(qū)域面積未發(fā)生顯著變化.當(dāng)進(jìn)液口為斜相錯90° 時,流場腹部的最高壓力下降約1/4,流場腹部整個區(qū)域的壓力更加趨于均勻.因此,當(dāng)進(jìn)液口為斜相錯90° 時,流場腹部電解液壓力分布優(yōu)于兩進(jìn)液口水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135° 及兩進(jìn)液口夾角為90° 等供液方式.

圖7　間隙旋轉(zhuǎn)流場縱向剖面流線圖

圖8　加工間隙流場腹部壓力云圖(Pa)

圖9為加工間隙流場頂部壓力云圖.由圖9可見,當(dāng)進(jìn)液口為水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135° 及兩進(jìn)液口夾角為90° 時,間隙旋轉(zhuǎn)流場頂部的最大壓力相互之間未發(fā)生顯著變化,低速區(qū)域面積和高速區(qū)域面積也未發(fā)生顯著變化,而當(dāng)進(jìn)液口為斜相錯90° 時,流場頂部的最高壓力越下降1/3,但流場頂部整個區(qū)域的壓力更加趨于均勻.因此,當(dāng)進(jìn)液口為斜相錯90° 時,相較進(jìn)液口為水平錯開0.3 mm,兩進(jìn)液口夾角為135° 時及兩進(jìn)液口夾角為90° 等供液方式有顯著優(yōu)勢.

圖9　加工間隙流場頂部壓力云圖(Pa)

3　結(jié) 論

在電解加工間隙進(jìn)液口面積為出液口面積兩倍,供液方式為反流式供液條件下,對頂部間隙旋轉(zhuǎn)流場和腹部間隙旋轉(zhuǎn)流場進(jìn)行分析,得到結(jié)論為

1) 兩進(jìn)液口為斜相錯90° 時,流場腹部流速大小未發(fā)生顯著改變,但低速區(qū)域的面積顯著減小,中高速區(qū)域面積顯著增加；流場頂部最高流速較其他方式略微降低,流場頂部邊緣區(qū)流速顯著上升,流場頂部中高速區(qū)域面積顯著增加.

2) 兩進(jìn)液口為斜相錯90° 時,流場頂部最高壓力較直進(jìn)液方式下降了1/4,流場頂部區(qū)域壓力較其他方式更為均勻；流場腹部最高壓力較直進(jìn)液方式下降了1/3,流場腹部區(qū)域的壓力更為均勻.

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(責(zé)任編輯、校對張立新)

Numerical Simulation and Analysis of Rotary Flow Field in Electrochemical Machining Gap of Irregular Vortexpath

ZHENGXiongwei,FANZhijian,FANQingming,JIAJianli,YUHan

(School of Mechatronic Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

In view of the fact that the flow field of ECM gap in the irregular vortexpath of the closed integral component is uneven,easy to short circuit and burn,an electrochemical machining device to revolve the flow field of gap is designed and four schemes of different liquid feeding are put forward.The emulation for the rotary flow field based on COMSOL is processed.The analysis and simulation for the velocity and pressure distribution in the rotary flow field of the four different liquid feeding schemes are accomplished.The results show:The liquid feeding of the oblique and cross way is superior to that of the straight way. While two liquid inlet mouths are slant of 90°,the velocity of lower part of flow field is without significant change,but the low-speed area is significantly reduced and the high-speed area is increased remarkly.The highest flow speed at the top of flow field is slightly lowered,the flow speed at the edge of the top of flow field is increased significantly and the medium-high-speed area at the top of the flow field is increased significantly.The highest pressure at the top of flow field is reduced by a quarter compared with that of liquid straight inlet,which is much more uniform.The maximum pressure at the top of flow field is reduced by one third compared with that of liquid straight inlet,which is much evener.

rotating flow field；electrochemical machining；closed integral component；machining gap

10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.08.007

2016-01-12

陜西省教育廳重點(diǎn)實驗室科研計劃項目(15JS042)

鄭雄偉(1990-),男,西安工業(yè)大學(xué)碩士研究生.

范植堅(1943-),女,西安工業(yè)大學(xué)教授,主要研究方向為電解加工.E-mail：zhijianfan@xatu.edu.cn.

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A

1673-9965(2016)08-0641-06