黃紹服，張 強，李紅艷

（安徽理工大學機械工程學院，安徽淮南232001）

在電加工過程中，工具電極的高速旋轉(zhuǎn)有利于加工過程的穩(wěn)定進行[1]，但由于工具電極高速旋轉(zhuǎn)，對其進行引電非常困難，研究人員就此提出了各種解決方法。Yahagi、馮光磊等在研究微細電火花加工時，提出了非接觸給電式高轉(zhuǎn)速下的微細電火花加工方法，將脈沖電源與給電電極、工具電極和工件進行串聯(lián)連接，給電電極和非接觸測量電極采用與電極保持器相對套接的金屬圓筒，通過電容耦合實現(xiàn)對工具電極的非接觸給電，以及對極間電壓信號的非接觸測量，解決了工具電極引電問題；該方法通過改變相關(guān)參數(shù)調(diào)節(jié)每次放電能量，也能對非接觸給電的微細電火花加工進行伺服控制，其不足之處在于需準確測量多個極間電壓來間接得出加工間隙電壓，測量要求較嚴格[2-3]。黃紹服在研究工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學放電加工時，設(shè)計了基于引電軸承的引電裝置，將引電軸承與電主軸伸出端過盈配合，把絕緣電刷套在引電軸承上，通過調(diào)節(jié)引電螺釘施加在外套上的力，使?jié)L動體和內(nèi)外圈保持接觸，以保證電主軸既能高速旋轉(zhuǎn)又能導電，從而實現(xiàn)加工；該裝置結(jié)構(gòu)簡單，但在滿足電加工條件的同時，也會因引電軸承內(nèi)部滾珠的高速滾動造成嚴重磨損，使其使用壽命不理想[1]。徐惠宇在研究微細電解加工系統(tǒng)時，提出采用對稱布置的低損耗碳刷對高速旋轉(zhuǎn)軸引電的方法，用彈簧維持碳刷和轉(zhuǎn)軸的可靠接觸，能保證可靠引電，但仍存在高轉(zhuǎn)速時碳刷磨損的問題[4]。何定華提出一種新型水銀導電結(jié)構(gòu)，解決了電鍍行業(yè)旋轉(zhuǎn)設(shè)備的導電問題，且該結(jié)構(gòu)簡單便于維護；但由于水銀易揮發(fā)，對環(huán)境和操作人員安全會造成威脅，且該方法對裝置的密封要求極高[5]。本文基于迷宮密封原理，提出了一種新型工具電極高速旋轉(zhuǎn)電加工引電裝置，并對其導電性能進行了驗證研究。

1 引電裝置

1.1 工作原理

實驗設(shè)計了引電裝置，其工作原理見圖1，實物見圖2，內(nèi)部結(jié)構(gòu)見圖3。該裝置內(nèi)裝有適量導電液，旋轉(zhuǎn)副為導電材料，固定副和上端蓋為非導電材料。在電加工時，電主軸帶動工具電極高速旋轉(zhuǎn)，同時，電主軸帶動旋轉(zhuǎn)副高速旋轉(zhuǎn)，并通過導線連接電源負極和引電螺釘，從而構(gòu)成閉合回路，實現(xiàn)對工具電極的引電。回路的順序依次為：電源負極、引電螺釘、導電液、旋轉(zhuǎn)副、電主軸轉(zhuǎn)軸、電極夾具、工具電極、工作液、工件、電源正極。

圖1 電加工原理示意圖

圖2 引電裝置實物圖

圖3 引電裝置內(nèi)部結(jié)構(gòu)

1.2 內(nèi)部流場仿真分析

在導電液為水及室溫條件下，建立引電裝置內(nèi)部流場模型，利用CFX軟件對主軸轉(zhuǎn)速分別為18 000、24 000、30 000、36 000 r/min 時的引電裝置內(nèi)部流場情況進行仿真分析。

1.2.1 電主軸轉(zhuǎn)速與裝置內(nèi)導電液分布的關(guān)系

圖4～圖6是裝置內(nèi)導電液在不同電主軸轉(zhuǎn)速時的分布情況。由圖6所示的裝置下半部分可見，隨著轉(zhuǎn)速提高，固定副下端的導電液越來越少，大部分液體隨著壁面運動集中于上端蓋斜面內(nèi)表面處。在重力作用下，導電液又下落至底端，之后在離心力的作用下再次向上運動，并重復上述運動。在實際應用過程中，液體沿上端蓋有溢出情況，與仿真結(jié)果一致，處理方式是將上端蓋出口密封。引電螺釘安裝在底部位置，保證其在實驗過程中能一直與導電液接觸，從而保證實驗電路處于閉合狀態(tài)。

圖4 不同電主軸轉(zhuǎn)速時的裝置內(nèi)導電液分布情況

1.2.2 電主軸轉(zhuǎn)速與液體速度分布的關(guān)系

由圖7可看出，裝置內(nèi)的液體速度方向均是遠離轉(zhuǎn)軸軸心處的方向，這與圖6所示的固定副底部液體僅存在于離轉(zhuǎn)軸最遠處的底部位置是一致的，說明液體不會向轉(zhuǎn)軸軸心處運動，即迷宮密封結(jié)構(gòu)是有益的，可滿足使用要求，且在實際加工過程中沒有發(fā)生液體從內(nèi)測滲漏的現(xiàn)象。

圖5 不同電主軸轉(zhuǎn)速時的裝置中剖面處導電液分布情況

圖6 不同電主軸轉(zhuǎn)速時的裝置底部導電液分布情況

圖7 不同電主軸轉(zhuǎn)速時的中剖面處導電液速度分布情況

2 導電能力驗證

為了驗證引電裝置的導電能力，設(shè)計了不同轉(zhuǎn)速下工具電極高速旋轉(zhuǎn)電解加工的對比實驗，基本參數(shù)見表1。實驗采用不同濃度的氯化鈉溶液作為導電液，對比在不同濃度的導電液條件下工作回路中的電流大小，將實驗電流信號進行去干擾處理后得到的電流波形見圖8～圖11。從微觀角度對其解釋如下：在進行電極高速旋轉(zhuǎn)電解水時，工具電極表面生成氫氣，由于水的密度遠大于氫氣，在離心力作用下，氫氣更易向電極表面運動，從而附著在電極表面并形成氣膜，使極間阻值增大，故回路電流變小，在加工波形圖上表現(xiàn)為電流數(shù)值較小。隨著電解加工持續(xù)進行，生成的氫氣越來越多，在電極表面附著的氫氣泡融合成更大的氣泡，當氣泡大到一定程度后，大氣泡在離心力的作用下脫離工具電極表面，極間阻值瞬間降低、回路電流瞬間變大，此時加工電流數(shù)值發(fā)生跳躍，產(chǎn)生了峰值點，但這一時間極其短暫，緊接著電解產(chǎn)生的氫氣氣泡再次附著于電極表面，并重復上述過程。

表1 實驗參數(shù)

圖12是引電裝置的導電能力趨勢圖。可見，隨著電主軸轉(zhuǎn)速提高，引電裝置的導電能力呈下降趨勢，這是因為此時導電液離心力逐漸增大，更多的導電液沿著固定副內(nèi)壁向上運動，導致下端導電液較少、底部氣體含量增多，進而使極間阻值增大，電加工回路電流變小。但隨著鹽溶液濃度提高，引電裝置的導電能力又逐漸增強，這是因為溶液中的帶電離子濃度增大，有利于導電。通過比較可知：電主軸轉(zhuǎn)速的變化比鹽溶液濃度的變化對引電裝置導電性的影響更大。雖然鹽溶液濃度對導電性的增強有所幫助，但在加工過程中，引電裝置內(nèi)同時進行著電解水的化學作用，使鹽溶液的離子不斷析出，溶液的離子濃度不斷降低，其導電性反而變化不大，故濃度的變化并不能顯著提高導電能力。但在實際加工中，提高鹽溶液濃度可作為轉(zhuǎn)速提高時導電性降低的一種補償方式。另外，由于鹽溶液的離子不斷析出，故應及時更新導電液，本實驗在連續(xù)加工20 min后更換一次導電液。

圖8 導電液濃度為0 g/10 mL時的電流波形

圖9 導電液濃度1 g/10 mL時的電流波形

圖10 導電液濃度為2 g/10mL時的電流波形

圖11 導電液濃度為3 g/10 mL時的電流波形

圖12 引電裝置的導電能力趨勢圖

3 結(jié)束語

本文依照旋轉(zhuǎn)軸迷宮油封原理設(shè)計了工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學放電加工引電裝置，借助流場分析軟件，對引電裝置內(nèi)部流場運動情況進行了仿真分析，得出了電主軸轉(zhuǎn)速越大，引電裝置可靠性越好的結(jié)論。另外，對工具電極高速旋轉(zhuǎn)電加工時引電裝置的引電能力進行了實驗驗證，證實了該裝置可滿足工具電極高速旋轉(zhuǎn)電加工的引電要求。

[1] 黃紹服.工具電極高速旋轉(zhuǎn)電化學放電加工基礎(chǔ)研究[D].南京：南京航空航天大學，2013.

[2] YAHAGIY，KOYANO T，KUNIEDA M，et al.Micro drilling EDM with high rotation speed of tool electrode using the electrostatic induction feeding method[J].5th CIRP Conference on High Performance Cutting，2012：162-165.

[3] 馮光磊，楊曉冬.基于非接觸給電的高主軸轉(zhuǎn)速下微細電火花加工特性研究[C]//第16屆全國特種加工學術(shù)會議論文集（上）.廈門，2015：188-194.

[4] 徐惠宇.微細電解加工系統(tǒng)及其相關(guān)工藝的研究[D].南京：南京航空航天大學，2004.

[5] 何定華.一種新型水銀導電裝置：201620667539.7[P].2016-06-30.

[6] HIRANO T，GUO Zenglin，KIRK R G.Application of computational fluid dynamics analysis for rotating machinery-partⅡ:labyrinth seal analysis[J].Journal of Engineering for Gas Turbines&Power，2005，127 （4）：820-826.

[7] 姚斌，孫瑞晨，張緒坤，等.污泥過熱蒸汽攪拌干燥裝置設(shè)計及試驗[J].環(huán)境工程，2015（11）：120-125.

[8] 徐健，劉孝光，潘培道.機械攪拌通風發(fā)酵罐內(nèi)氣液兩相流的仿真模擬[J].包裝與食品機械，2006，24（6）：10-13.

[9] 湯赫男，魯潔，王世杰.齒形角對迷宮密封性能影響的流固耦合分析[J].潤滑與密封，2015，40（10）：36-40.

[10]魏巍.基于CFD的迷宮密封流場的樹枝模擬[D].大慶：東北石油大學，2013.