交叉孔電化學去除毛刺電場仿真分析

郭英杰,劉嘉航,李杰,王麗媛，董華軍1，

(1.國家電網 天津平高智能電氣有限公司，天津 300300； 2.大連交通大學 機械工程學院，遼寧 大連 116028)

0 引言

毛刺作為機械零件在制造加工過程中產生的不必要產物使整個產品的性能大打折扣且縮短其機械使用壽命.目前去毛刺有熱能、高壓水射、磨料流、電火花和電化學等加工方式[1]，電化學去毛刺屬于非接觸式加工，相比于傳統機械去毛刺，可有效提高兩孔相交處邊緣的精度和加工效率.

毛刺直接影響零件的質量和精度，德國埃瑪克針對復雜內腔結構的毛刺配備柔性去毛刺系統FDS[2].徐正揚[3]等人對航天發動機的針對整體葉盤設計了一種陰極進給方向優化方案.余自遠[4]等針對鋁板上的微小孔毛刺的去除，基于有限元分析建立了數學模型從理論上和分析去毛刺效果的影響因素[5].電化學加工過程中，電場的分布主要取決于工件和陰極的集合形狀及相互位置.隨著加工的進行，陽極開始發生腐蝕反應，電力線隨著陽極形狀改變而改變.在加工過程中，電場分布情況是決定加工效果的關鍵因素.

本文通過建立反應過程中電場的數學模型，分析了影響電場分布的因素，通過計算機模擬技術對比分析不同的數學模型得到影響電場分布和電流密度的因素.得到球形電極提高加工精度，圓柱電極提高加工效率的結論，及優化了陰極絕緣層位置的設計，即低于毛刺根部水平位置.通過仿真計算可面對不同的工件加工要求，確定較優電極形狀和加工電壓，省去通過多次實驗確定加工參數的步驟.

1 電化學加工間隙電場分布

在電化學加工進行中，工具陰極與被加工件之間間隙處充滿高速流動的電解液.加工間隙中的電場分布直接影響著電化學加工的效率和精度.電化學加工外用電源分別與陰極和工件相連接，形成連續不斷的電流.假設電化學加工進入平衡狀態，即電場參數不隨時間變化，屬于穩恒電流場.假設電解液滿足各向同性[5]，則電場分布符合拉普拉斯方程，即：

▽2φ=0

(1)

(2)

φb=0

(3)

φa=U

(4)

其中,φ為電場中各個電位;U為金屬陽極的電位值;φa和φb分別為陰極與陽極電位.

電場中各點的電場強度和電流密度分別為：

(5)

i=κE

(6)

綜合上述公式得到：

(7)

圖1為加工間隙中電場分布情況.

圖1 電化學加工間隙的電場分布

2 加工間隙模型建立和參數選擇

本文采用沿根部去除毛刺，由加工方案可得出電化學去毛刺電場仿真的二維幾何模型，如圖2所示.加工孔直徑為5 mm，電極直徑4 mm，毛刺高度和厚度分別為0.6和0.2 mm.在電場仿真設置中，絕緣邊界用線替代.

圖2 去毛刺二維加工示意圖

工件電解過程的瞬態仿真通過耦合模型中電流和形變幾何來實現的.通過法拉第定律可得知金屬的溶解量取決于參加電化學反應的電荷量Q.因為加工電極為固定電極，即進給速度為0，金屬的去除體積可通過以下公式計算[6].

(8)

式中，M為摩爾質量;ρ為密度;z為金屬的化合價;F是法拉第常數;η為電流效率.

金屬工件在法向的溶解速度vn與法向的電流密度Jn成正比.

(9)

當加工件為35#不銹鋼，電解液為20%的NaNO3溶液時，Jmin取10 A/cm2[6].

其他仿真參數選擇如表1所示.

表1 仿真參數

3 仿真結果分析

3.1 電極形狀對加工型面的影響

電化學加工電場分析最重要的仿真結果就是反映蝕除速度的電流密度分布[7].分別對圓柱型陰極、球狀和倒角陰極兩種加工電極形狀進行電場分析.得到的電流密度分布如圖3所示.

圖3中，電流密度最大區域位于工件毛刺尖端和電極絕緣層邊緣.圓柱電極加工時毛刺上電流密度范圍為:18.54

圖3 三種電極形狀電流密度分布圖

圖4為圓柱型電極、球形電極和倒角電極在20 V電壓下加工15 s后的加工面型面仿真.

圖4 加工15 s后型面仿真

從表2和圖4中可看出，經過倒圓和倒角處理后，加工表面處電流密度都有所下降.其中毛刺尖端電流密度大幅度下降.從高效率加工角度考慮，應選擇圓柱電極.當對加工孔精度要求高時應選擇對電極進行倒圓處理.

3.2 絕緣層位置對毛刺型面影響

在電極電流密度分布圖上可看到，電極表面電流密度最大位置為絕緣層與參與反應電極表面交界處，因此可得知陰極絕緣層布置位置與電化學去毛刺效果有一定影響.

在工作電壓20 V，非線性電解液的加工條件下，建立絕緣層不同位置的加工模型，分析去毛刺型面的影響.

從圖5中可看出，隨著絕緣層的向下延伸，孔壁內非加工面處電流密度減小，電流密度分布逐漸向毛刺尖端聚集，同時毛刺處電流密度在降低.如圖6所示，(a)、(b)、(c)分別為絕緣層上移、平齊和下移三種絕緣層位置對應的平均電流密度隨時間的變化曲線.

圖5絕緣層布置對電場分布影響

圖6 毛刺表面平均電流密度變化曲線

根據曲線數據可知，電流密度分別在12.5、13和16 s三時刻達到最大值，在此時刻孔口的毛刺完全去除.隨著絕緣層的下移，電解反應的效率逐漸降低，完全去除毛刺所需的時間加長.分別將電流密度最大值時的工件輪廓圖提取出來.方案(c)中去毛刺后得到的孔口非加工面受腐蝕最小.方案(a)則有著最高的去毛刺加工速度.

3.3 加工電壓對加工面的影響

加工電壓是決定電化學去毛刺中電流密度的關鍵參數，實際加工中是最容易調節的參數，對零件去毛刺加工時間和精度有著重要的影響[7].

圖7為使用NaNO3溶液作為電解液，使用圓柱形電極，在不同加工電壓下，毛刺表面平均電流密度隨時間變化曲線圖.

(a) 加工電壓為10 V

(b) 加工電壓15 V

圖7兩種加工電壓下毛刺電流密度曲線

隨著加工電壓的降低，電流密度達到峰值的時間明顯延后，當加工電壓為10、15 V時，完成去除毛刺所需要的時間分別為117、70 s.圖8所示為電壓為10、15和20 V下加工完成后工件去除毛刺表面輪廓圖.

圖8 不同加工電壓去除毛刺后工件型面仿真

當加工電壓為20 V時，加工孔在孔深方向上距離孔口1 mm處就受到腐蝕作用，加工后的工件邊緣輪廓粗糙.而當加工電壓降低至10 V后，沿孔深方向的腐蝕范圍明顯減小，降低到0.5 mm

左右，同時去毛刺后形成的邊界更為平滑，形成類似倒角的形狀.由此可見，隨著加工電壓的增加，在獲得較快加工速度的同時，電解反應的散雜腐蝕現象隨之加劇，加工面的表面質量也有一定程度降低.為了獲得較好的加工效果，得到倒角形狀的加工形狀，選擇合適的加工電壓至關重要.

綜上所述，選用20%濃度的NaNO3溶液作為電解液，選用圓柱形電極并加工面進行倒角，并且設計陰極絕緣層低于毛刺根部.當加工電壓為10 V時，去除毛刺后對孔邊緣的腐蝕程度最小，加工時間最長，在精度有較高要求時應選此參數.而本實驗中綜合考慮加工質量和加工效率的影響，擬定加工參數為15 V，加工時間為70 s.

4 結論

本應用仿真軟件對電化學去毛刺加工的加工間隙電場進行仿真分析，針對不同電極形狀、絕緣層位置和加工電壓等加工參數分別建立仿真模型.對比加工間隙電場分布，通過研究電流密度曲線及工件型面變化曲線，分析各參數對電化學去毛刺效果的影響，并得出電壓和電流密度與加工時間關系曲線.最終結合流場仿真結果選擇倒角形電極作為電化學去毛刺試驗的陰極工具，并且擬定優化加工參數.

[1]陳世平,羅輯,石軍.金屬切削加工中的毛刺問題[J].機械設計與制造,2004,41(1):99- 100.

[2]埃馬克.埃馬克電化學加工(ECM)技術—航空發動機創新技術不可或缺的一部分[J].航空制造技術,2014,56(11):106- 107.

[3]徐正揚.發動機葉片精密電解加工關鍵技術研究[D].南京：南京航空航天大學,2008.

[4]余自遠.微小孔電化學去毛刺技術研究[D].大連：大連理工大學,2012.

[5]徐文驥,余自遠,孫晶,等.微小孔電化學去毛刺試驗研究[J].航空制造技術,2011,53(19):62- 67.

[6]王建業.電解加工原理及應用[M]. 北京：國防工業出版社,2001.

[7]王建業,余艷青,韓冠軍.MOSFET高頻窄脈沖電解加工工程化電源研制[J].電加工與模具,2005,39(2):59- 63.