基于计算流体动力学软件的型腔电解流场仿真

基于计算流体动力学软件的型腔电解流场仿真——吴锐徐家文赵建社基于计算流体动力学软件的型腔电解流场仿真吴锐徐家文赵建社南京航空航天大学，南京，２１００１６摘要：针对型腔电解加工中阴极流场设计分析的难点，应用计算流体动力学软件对型腔电解加工的流场进行仿真，得到加工间隙中流场的速度和压力分布，用以指导阴极的流场改进设计。

经工艺试验验证，仿真结果较准确反映了型腔电解加工过程中的流场压力和速度分布，从而可以显著减少阴极流场设计中试验修正的次数，实现高效、低成本设计工具阴极流场之目的。

关键词：电解加工；流场；计算流体动力学；仿真中图分类号：ＴＧ６６２文章编号：１００４—１３２Ｘ（２００８）１４—１６５７—０４ＦｌｕｉｄＦｉｅｌｄＳｉｍｕｌａｔｉ佃ＯｆＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＭａｃｈｊｎｉｎｇＣａＶｉｔｉ鄂Ｂ嬲ｅｄ伽ＳＯｆｔｗａｒｅＯｆＣＦＤＷｕＲｕｉＸｕＪｉａｗｅｎＺｈａｏＪｉａｎｓｈｅＮａｎｊｉｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃｓａｎｄＡｓｔｒｏｎａｕｔｉｃｓ，Ｎａｎｊｉｎｇ，２１００１６Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｄｉｆｆｉｃｕｌｔｙｗｉｔｈｃａｔｈｏｄｅａｎｄｆｌｕｉｄｆｉｅｌｄｄｅｓｉｇｎｉｎｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｃａｖｉｔｉｅｓ，ａｇｅｎｅｒａｌａｐｐｌｉｃａｂｌｅｍｅｔｈｏｄｆｏｒｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｆｌｕｉｄｆｉｅｌｄｓｔａｔｅｄｕｒｉｎｇｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ（ＥＣＭ）ｐｒｏｃｅｓｓｅｓｗａｓａｐｐｌｉｅｄ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｅｊｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇｐｒｏｃｅｓｓｅｓａｎｄｔｈｅｓｏｆｔｗａｒｅｏｆｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ（ＣＦＤ）．ＴｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｔｈｉｓｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓｉｍｉｌａｒｔｏｔｈｅａｃｔｕａｌｅｘＤｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｏｂｔａｉｎｅｄ．Ｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｎａｂｌｅｓｔｏａｃｈｉｅｖｅｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙａｎｄｌｏｗｃｏｓｔｄｅｓｉｇｎｏｆｃａｔｈｏｄｅ，ｈｅｎｃｅｒｅｄｕｃｉｎｇａｌｏｔｏｆ“ｔ“ａｌａｎｄｅｒｒｏｒ＂ｃｙｃｌｅｓ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｍａｃｈｉｎｉｎｇ；ｆｌｕｉｄｆｉｅｌｄ；ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌｆｌｕｉｄｄｙｎａｍｉｃｓ；ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎＯ引言目前，如何高效、低成本设计工具阴极是电解加工的主要难题之一。

针对这一问题，国内外学者进行了大量的研究工作，建立了多种数学模型并对电解加工过程进行仿真分析。

但这些研究大多是针对某一处加工截面的二维空间仿真［ｉ。

３］，只有极少数是针对整个加工间隙进行三维空间仿真，且这些三维模型大多仅考虑了电场的影响【扣６｜。

电解加工是三维空间中多因素共同作用的复杂过程，仿真时只有综合考虑加工间隙三维空间中的各种因素才能正确反映加工过程。

工具阴极的形状可以通过三维电场仿真分析得到，而阴极流场目前主要依靠设计人员的经验进行设计，应用较为广泛的阴极流场分析方法主要是画流线图［７’８］，这种方法简单实用，基本反映了流场的情况，但由于流场的复杂性，还需要进行大量的试验修正工作来完善阴极的流场设计。

本文把计算流体动力学（ＣＦＤ）软件应用于型腔电解加工的流场研究，试图对流场进行较精确的三维仿真分析，指导阴极的流场设计，从而实现高效，低成本设计工具阴极流场之目的。

收稿日期：２００７—０７—０２基金项目：“十一五”国防预研项目１建立阴极流场三维实体模型电解加工中流场的形状是由工具阴极外形轮廓、阴极出液口、工件加工型面及加工间隙构成。

以矩形槽加工为例（图１），其主要加工面（Ｗ面）与阴极进给方向垂直，侧面与ｗ面垂直。

因加工过程中电场分布简单，阴极外形尺寸由工件加工面轮廓尺寸减去加工间隙得到。

在确定的加工条件下，可分别求出底面和侧面的加工间隙，进而求得阴极外形尺寸。

讲流场入口图１开槽加工示意图平衡状态底面△“间隙和侧面间隙△。

可由下式计算：△ｈ：型型－二塑（１）Ｖｆ△。

＝以硒砀再五万（ｚ）式中，可为电流效率；ｍ为体积电化当量；芹为电导率；Ｕ为・１６５７・万方数据中国机械Ｔ．程第１９卷第１４期２００８年７月下半月工作电压；ａＥ为分解电压；研为阴极进给速度；＾为修光刃高度。

在确定了工件加工型面、加工间隙和阴极外形轮廓之后，阴极流场三维模型的出口条件和几何尺寸都可以得到，但进口条件是由阴极出液口的形状决定的。

阴极出液口设计要保证加工过程中电解液在加工面上各处流置充足、均匀，不发生流线相交和局部缺液等现象，这是提高加工精度与避免短路的重要条件。

考虑到加工形状为长方形槽，决定采用正流狭缝式供液，结构形式如图２所示。

阴极外形尺寸Ｌ和Ｂ在阴极轮廓设计中已经确定。

阴极出液口主要尺寸包括狭缝长度ｚ、宽度６，出液口长度日和收缩角臼。

狭缝形状对流场影响很大，狭缝长度ｚ的影响尤为显著，狭缝长度较大时，加工间隙流场平稳，，电解液流动通畅，因此在结构允许条件下应尽量增大狭缝长度。

一韬图２阴极出液口结构为使加工面上各处电解液充足，应保证阴极出液口截面积大于加工过程中问隙流场出液口截面积，即舾≥２（Ｌ＋Ｂ）△。

（３）由流体力学管嘴水力计算结果知阴极出液口长度以＝（３～４）６时存在最大流量系数，收缩角口根据阴极结构取１０。

～２０。

以获得较大的流量系数，并可避免流道中出现流线脱离壁面的现象。

根据上述分析，我们设计了多种阴极出液口形状，本文选取其中较好的两种方案（图３）进行对比分析，并通过试验来验证三维流场仿真分析的效果。

方案一的矩形出液Ｌ丁形状简单、易于加工，但是通过流线图可以看出Ｂ区域可能存在缺液情况；方案二为了解决方案一的缺点，在狭缝两端增大出液面积，但这一变化破坏了出液口垂直方向流场的均匀性。

按传统设计方法，要在两个方案中选出～个较好的，往往需要通过多次试验对比才能进行判断。

利用工件加工型面、阴极外轮廓、阴极出液口结构及加工间隙建立的加工间隙流场三维实体模型如图４所示（为了减小计算量，从阴极对称面处把流场分为两半，取其一半进行分析）。

・１６５８．（ａ）方案一（ｂ）方案二图３阴极出液口形状及流线图（ａ）方案一（ｂ）方案二图４阴极流场三维实体模型２三维流场模型的计算流体动力学仿真电解加工过程中，加工间隙一般为Ｏ．３～ｏ．５ｍｍ，属于缝隙流，电解液流程短、流速高，加工间隙的流场形状简单。

为简化计算，作以下假设：（１）加工间隙流场中的电解液为理想状态液体，不含气泡、固体颗粒等杂质，电解液的流动特性不受温度等因素的影响。

（２）电解加工处于平衡加工状态，各项参数不随时间变化而只是几何位置的函数，阳极溶解速度与阴极进给速度相等，加工间隙已达到平衡间隙，不再随时间而变化。

电解加工过程中流速是保证加工过程稳定的主要流场参数，适当高的流速能从加工间隙带走电解产物，使间隙中电解液流动处于湍流状态，有利于电解液在加工间隙均匀分布并消除浓差极化现象。

一般情况下，判断流动是否为湍流的依据标准是雷诺数船的值，当＆＜２３００时，流动处于层流状态，融＞２３００时，流动处于湍流状态。

雷诺数计算公式为万方数据基于计算流体动力学软件的型腔电解流场仿真——吴锐徐家文赵建社船：趔（４）卢式中，ＪＤ为流体密度；ｚ，为流体流速；ｄ为流道水力直径；卢为流体动力黏度。

从式（４）可以看出：雷诺数＆是一个和流速口、流道水力直径ｄ、流体动力黏度卢及密度ＪＤ相关的值。

实际问题中可以认为流道水力直径、流体动力黏度和密度都是常值，因此，在特定问题中考虑流体流动状态时，主要考虑流速的分布情况。

电解加工中阴极工作面和工件被加工面可以看作固体平面。

大量流体力学试验表明，对于有固体壁面的湍流流动，沿壁面法线的不同距离上，可将流动划分为壁面区和核心区。

远离壁面的核心区被认为是完全湍流区。

在壁面区，流体运动受壁面流动条件的影响比较明显。

如上所述，电解加工过程中间隙很小，在阴极工作面和工件被加工面的壁面区电解液流动情况变化很大，需要根据工程实际情况对壁面状态进行研究，本文采用壁面函数法凹１对电解加工的流场进行计算。

在商业化的ＣＦＤ软件中提供了壁面函数法的求解模型，它对各种近壁面流动都比较适用，具有计算效率高、工程实用性强的特点。

利用ＣＦＤ软件中壁面函数求解模型对电解加工间隙流场进行仿真，在相同进口压力和出口压力条件下，分别计算出两种设计方案加工面上的速度和压力分布，以分析流场中电解液流动状态和均匀性。

仿真结果如图５、图６所示。

（ｂ）方案二图５工件加工面压力分布（ｂ）方案二图６工件加工面速度分布对比两个方案加工面处流场速度分布情况，可以看出两个方案中电解液流动均处于湍流状态，在与阴极出液槽方向平行的长边Ｃ处电解液的流速分布均匀，而在Ａ点出液槽的端部与阴极短边垂直的方向上出现了比较大的流速。

两个方案速度分布的不同之处在于，方案一中，从Ｂ到Ａ的速度变化趋势是由高到低，在出液口端部Ａ有急剧升高；而方案二中，Ｂ到Ａ的速度变化很小，但是流速比较低，只是在接近出液口Ａ时速度又突然变大。

加工间隙流场中流速分布是由压力分布所决定的，从图５可以看出，两种方案中出液口端部Ａ处压力有明显的快速下降，方案二在Ａ处的压力变化梯度较大，压力分布不均匀；而方案一压力变化梯度较小，压力分布均匀。

通过仿真分析，我们认为方案一间隙流场在稳定性和均匀性上要优于方案二。

３工艺试验验证为了验证仿真结果的正确性，分别按方案一、方案二制作了ａ、ｂ两种阴极，在相同的工艺条件下分别进行了开槽加工试验。

试验结果如图７所示，实际加工过程中的流场压力和速度分布趋势与计算仿真的结果一致：在方案一中Ｃ边流场均匀，在Ｂ处和Ａ处之间，在流速较低的区域产生流纹，在速度最大的Ａ处有流纹分离的现象出现；方案二中Ｃ边中部流场与方案一类似，流场均匀、稳定，在Ｂ处和Ａ处之间，其速度较低，在加工面上留下了面积较大的流纹。

・】６５９・万方数据中国机械工程第１９卷第１４期２００８年７月下半月以在电解加工的阴极流场设计中利用计算机仿真验证阴极流场设计的合理性，减少阴极流场设计中反复试验修正的工作量，初步实现了电解加工阴极设计中的计算机辅助设计与分析。

数控电解加工阴极形状和电场分布简单，便于建立加工间隙流场三维实体模型并对其进行仿真分析，本文方法同样适用于球头阴极、线状阴极或棒状阴极等典型数控电解加工［１叩的流场分析。

（ａ）方案一（ｂ）方案二图７实际加工结果从上文的仿真结果可以看出，如果增大Ａ处的压力则可能减小该处的压力降梯度，从而改善该处的速度分布，这和电解加工中增大背压减少流纹的论点是一致的。

增大出口压力后的仿真结果见图８、图９。