U71Mn拉伸件電解加工流場與成形過程仿真

武鴻力WU Hong-li；張長富ZHANG Chang-fu；段李鑫DUAN Li-xin

（西安工業(yè)大學(xué)機電工程學(xué)院，西安710021）

0 引言

難切削金屬材料拉伸狀零件加工已成為一個加工制造難題。經(jīng)過水韌處理的U71Mn（中錳鋼）組織為均勻的單相奧氏體組織，韌性約為45#鋼的8倍，因其在高強度沖擊載荷或強力擠壓作用下，表面奧氏體會轉(zhuǎn)變成高強度的馬氏體，發(fā)生加工硬化，硬度可以達到HB500以上，因此U71Mn中錳鋼不僅表面具有良好的耐磨性和抗沖擊性，又有柔韌的心部可以抵抗強烈的沖擊，其拉伸狀零件已在軌道交通等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[1-2]。然而，在高強度沖擊載荷或強力擠壓作用下，零件表面會出現(xiàn)輕微變形，影響使用效果，故需要對其表面進行整形。在采用機械加工對U71Mn拉伸狀零件表面進行整形時，由于材料在刀具擠壓的情況下，表面會發(fā)生嚴(yán)重的加工硬化現(xiàn)象，故存在加工效率低、刀具磨損嚴(yán)重、成本高等問題[3]。

電解加工技術(shù)以其獨到優(yōu)勢成為U71Mn拉伸狀零件一種理想加工方法。低電壓、大電流的加工特點，保證具有較高的加工效率；陽極工件與陰極工具無接觸式加工，保證沒有刀具磨損；陽極工件材料以離子形式去除，保證工件表面沒有殘留加工應(yīng)力[4]。

1 U71Mn拉伸件電解加工

電解加工應(yīng)用電化學(xué)原理，使陽極工件表面材料以離子方式在電解液中發(fā)生溶解。在電解加工時，工具陰極接負(fù)極，工件陽極接正極，位于陰、陽兩極中間的加工間隙中充滿高速流動的電解液，電流通過陽極-電解液-陰極形成回路。金屬材料的陰極和陽極、0.05-0.7mm寬的加工間隙內(nèi)電解液具有很高的導(dǎo)電率，所以在陽極施加10-30V電壓后，會有很大的電流產(chǎn)生，這些電流（A）除以陽極工件被加工面積（mm2）即為電流密度（A/mm2），使工件陽極表面材料以離子形式被去除。

如圖1所示，工件上表面為主要工作面，由三段分別為R13、R300、R13的相切圓弧構(gòu)成。在對U71Mn拉伸件進行電解整形時，為了使工作面一次成形，采用反銬法對工件進行加工；為了提高加工精度，選用側(cè)流式供液方式。陽極施加電壓20V，陰極工具材料選擇導(dǎo)電性好的黃銅，陽極工件材料為U71Mn，加工間隙選擇0.15mm，整形去除量0.2-0.3mm。

圖1 U71Mn拉伸件電解加工示意圖

2 電解加工流場與成形過程仿真

電解加工包括流場、電化學(xué)場、溫度場等多個物理場，其中流場和電化學(xué)場對電解加工的表面質(zhì)量與加工精度起著至關(guān)重要的作用[5]。本文通過對流場仿真確定加工區(qū)域流場是否均勻、穩(wěn)定，通過對成形過程的仿真確定合適的加工時間，對實際加工提供理論指導(dǎo)。

2.1 流場仿真與分析

在加工間隙內(nèi)高速流動的電解液可帶走固體顆粒、焦耳熱等加工產(chǎn)物，提高加工精度與加工穩(wěn)定性[6]。加工中，陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，生成的正價金屬離子與電解液中的OH-結(jié)合生成固體顆粒；陰極發(fā)生還原反應(yīng)，析出氣體。上述在加工過程中產(chǎn)生的固體顆粒、氣體等物質(zhì)統(tǒng)稱為“加工產(chǎn)物”?；诖?，采用高速流動的電解液可帶走加工間隙內(nèi)的加工產(chǎn)物，從而使加工更加穩(wěn)定。由于被加工件的工作面由三段相切圓弧組成，必須設(shè)計導(dǎo)流流場將機床出液圓管過液面逐漸過渡成為與加工區(qū)域電解液入口一致的過液面。在設(shè)計導(dǎo)流流場的基礎(chǔ)上，運用COMSOL Multiphysics 5.6數(shù)值模擬軟件中“湍流k-ε”模型的湍流流動對流場進行仿真計算，旨在優(yōu)化加工間隙內(nèi)的流場分布，避免出現(xiàn)流程分布不均勻和出現(xiàn)空穴等現(xiàn)象，保證整個加工區(qū)域流場的分布具有均勻性和一致性。

為了簡化計算，做如下假設(shè)：流場中的電解液為理想狀態(tài)下的不可壓縮液體。由于流道模型左右對稱，為了減少計算量，沿對稱面取流道模型一半進行網(wǎng)格劃分與計算，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖2（a）所示，設(shè)置入口壓力0.6 MPa，出口壓力0.1MPa。仿真結(jié)果如圖2（b）-（c）所示，其中，圖2（b）為速度流線，圖2（c）為速度矢量，圖2（d）為壓力云圖。

圖2 流場仿真

由圖2（a）可見，網(wǎng)格劃分質(zhì)量較好，在結(jié)果后處理時，由鏡像操作可得到完整流道模型；由圖2（b）所示流線圖可見，加工區(qū)域內(nèi)流線無纏繞、拐彎現(xiàn)象，表明加工區(qū)域內(nèi)無渦流產(chǎn)生，流場穩(wěn)定；由圖2（c）所示速度矢量可見，加工區(qū)域內(nèi)R13、R300、R13三段相切圓弧面的流速分布均勻，且電解液流速可達10m/s以上，可順利帶走加工產(chǎn)物并更新電解液；由圖2（d）可見，加工區(qū)域內(nèi)的壓力由進口到出口逐漸減小，沒有負(fù)壓產(chǎn)生，不易產(chǎn)生空穴。綜上所述，加工區(qū)域內(nèi)流場可滿足實際需要。

2.2 成形過程仿真與分析

對U71Mn拉伸件進行電解加工成形過程仿真，為實際加工時間提供理論指導(dǎo)。首先使用NX 12.0建立加工模型，接著將加工模型導(dǎo)入COMSOL Multiphysics 5.6數(shù)值模擬軟件中，最后采用“電化學(xué)腐蝕場”對U71Mn拉伸件電解加工成形過程進行瞬態(tài)模擬，仿真整個加工過程，觀察材料去除率隨著時間的變化規(guī)律。

由于在模擬加工過程當(dāng)中，陽極工件表面會發(fā)生材料去除，導(dǎo)致瞬態(tài)模擬時劃分的網(wǎng)格極易發(fā)生扭曲、變形、反轉(zhuǎn)等不利影響，故使用軟件自帶的“自動重新劃分網(wǎng)格”功能可以使成形仿真過程更加收斂，設(shè)置“自動重新劃分網(wǎng)格”的條件為“失真”。施加邊界條件如下：對陽極工件施加電壓20V，陰極工具施加電壓0V；依次設(shè)置電解液、陰極工具、陽極工件的電導(dǎo)率為8.3、5.998×107、1.12×107S/m；設(shè)置陽極工件“溶解-沉積的物質(zhì)”為U71Mn，其摩爾質(zhì)量為56g/mol，密度為7.85g/cm3。

如圖3所示為陽極工件表面總厚度變化圖，其顏色代表腐蝕的深度，由圖可見，隨著加工的進行，陽極工件被加工區(qū)域在逐漸發(fā)生溶解且材料去除量均勻，隨著時間的增加，在9s時，陽極工件材料去除量已超過0.2mm，符合加工需要，這為實際加工所需加工時間提供了理論指導(dǎo)。

圖3 數(shù)值模擬電解加工成形過程

3 結(jié)論

針對U71Mn拉伸件電解加工，運用COMSOL Multiphysics 5.6軟件對其流場與成形過程進行數(shù)值模擬。通過流場仿真可知，在入口壓力0.6MPa，出口壓力0.1 MPa的條件下，加工區(qū)域內(nèi)流場均勻、穩(wěn)定，沒有湍流與負(fù)壓產(chǎn)生，電解液流速可達10m/s以上，可順利帶走加工產(chǎn)物，符合實際加工需要；通過成形過程仿真可知，隨著加工的進行，陽極工件材料在逐漸溶解且材料去除均勻，在9s時已達到期望去除量。