电化学放电加工高速旋转电极的流固耦合分析

李　君，黄绍服，孙伦业，刘　勇

(1. 安徽理工大学机械工程学院，安徽　淮南　232001；2. 山东大学力学与机电装备联合工程技术研究中心，山东　威海　264209)



电化学放电加工高速旋转电极的流固耦合分析

李君1，黄绍服1，孙伦业1，刘勇2

(1. 安徽理工大学机械工程学院，安徽淮南232001；2. 山东大学力学与机电装备联合工程技术研究中心，山东威海264209)

电化学放电加工(Electrochemical Discharge Machining, ECDM)为近年来较受关注的非传统制造技术之一，既可以加工非金属材料，也可以加工金属材料。以有限元软件对工具电极高速旋转电化学放电加工加工状态进行了仿真分析，研究了工具电极旋转速度及工具电极与微小孔之间的偏心程度对工具电极变形及工具电极应力的影响。计算结果表明，随着工具电极旋转速度增加，工具电极最大变形及工具电极最大应力增加；随着工具电极与微小孔偏心量的增加，工具电极最大变形及工具电极最大应力增加。

液固耦合；工具电极高速旋转；电化学放电加工

电化学放电加工(Electrochemical Discharge Machining, ECDM)为近年来较受关注的非传统制造技术之一[1]，既可以加工非金属材料，也可以加工金属材料[2]。使用高速旋转的工具电极进行电化学放电微孔加工，有利于加工产物从微小的加工间隙内排出[3]。在工具电极高速旋转进行电化学放电加工微小孔的过程中，工具电极由于复杂的受力状况，可以视为一个极其复杂的动力学系统。由于工具电极的旋转作用，加工微小孔时，微小孔内充满了具有一定粘度的工作介质，旋转向下运动的工具电极使微小孔内的工作介质受到动压力，并反作用于高速旋转的工件电极上，从而影响工具电极的运动状态。同时，在微小孔加工过程中，工具电极可能处于偏心工作状态，此时，微小孔内的工作介质对工具电极的作用力大小和方向都会发生改变，工具电极的工作状态反过来又会影响加工间隙内的流场状态，从而对加工过程产生影响。由于微小孔电化学放电加工的特殊性，无法直接使用各种测量设备对加工间隙内的状况进行测量；另外，由于电化学放电加工机理的复杂性，无法求得加工过的解析解，目前的情况下，只能使用模拟仿真的方法，定性的进行分析。

以前受到条件的限制，一般只进行基于单独的流场分析或者是基于结构进行分析，这样的分析过程不能反应多物理场综合作用的效果，以及各物理场之间的相互影响状况，仿真分析的结果具有一定的局限性。随着计算机软硬件技术的发展，多物理场耦合计算理论的进一步完善，针对多物理场耦合问题的计算成为可能。流固耦合分析在其他工程问题有不少的研究成果，但在微细电化学放电高速旋转工具电极应用方面却鲜有文献报道。本文对高速旋转的工具电极流固耦合系统的动力特性进行数值分析，分析工具电极旋转速度、工具电极偏心度及微孔深度对加工过程的影响。

1　计算模型

1.1几何模型及网格划分

因为实际的加工过程很复杂，难以用理论方法进行全面分析，因此对加工过程进行合理的模型简化是非常必要的。通过简化分析，定性的认识工具电极旋转时微小孔内流固耦合特性。本文的几何模型包含微小孔和工具电极两部分，工具电极直径为400 μm，当工具电极与微小孔同心时，取微小孔直径为450 μm，侧壁加工间隙20 μm，端面加工间隙25 μm，孔深度为2 000 μm；当工具电极与微小孔偏心时，偏心距e取值为10微米和40微米进行计算，最小侧壁间隙为20μm，端面加工件25 μm，微小孔深度为2 000 μm，如图1所示。图2a所示为加工的几何模型；图2b 为工具电极网格；图2c为流体域网格划分；图2d为流体域网格局部放大图。流体域网格以四面体单元为主，合理的选用结构化六面体单元、楔体单元或者锥体单元，对微孔内壁圆柱面设置膨胀层，进行网格细分。

a. 工具电极与微小孔同心 b. 工具电极与微小孔偏心图1　工具电极与微小孔位置关系

a. 加工几何模型 b. 工具电极网格

c. 流体域网格 d. 流体域网格局部放大图图2　加工模型

1.2计算方法

单向流固耦合分析是指耦合交界面处的数据传递是单向的， 一般是把CFD分析计算的记过(如力、 温度和对流载荷)传递给固体结构进行分析， 但没有把固体结构分析结果传递给流体分析过程，只有流体分析对固体结构分析有影响，而结构分析的变形等结果非常小， 以至于对流体分析的影响可以忽略不计[4]本文分析的高速旋转的工具电极在工作中受到流体介质和离心力的影响，会导致工具电极发生变形， 未考虑变形的工具电极反过来影响加工间隙中的流场， 因此选用单向流固耦合分析。

2　计算结果与分析

2.1工具电极旋转速度与工具电极最大变形的关系

由图3～图5可知，工具电极最大变形发生在电极端部，夹持部分变形最小。从图6可知，当工具电极旋转速度增加时，工具电极最大变形量增加；随着工具电极与微小孔之间的偏心量增加，工具电极的最大变形量增加；当工具电极与微小孔之间同心时，工具电极的最大变形量非常小，接近于零；当工具电极与微小孔之间偏心量较小而且工具旋转速度相对较低时，工具电极的最大变形量也相对非常小，但旋转速度较大时，工具电极最大变形量增加。

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm图3　工具电极与微小孔同心

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm图4　工具电极与微小孔偏心10 μm

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm图5　工具电极与微小孔偏心40 μm

工具电极旋转速度/rpm1. 偏心40 μm；2. 偏心10 μm；3. 同心 图6　工具电极旋转速度与工具电极最大变形的关系

2.2旋转速度与工具电极应力的关系

由图7～图9可知，工具电极最大应力发生在电极夹持部分，电极端部应力形最小。从图10可知，当工具电极旋转速度增加时，工具电极最大应力增加；随着工具电极与微小孔之间的偏心量增加，工具电极的最大应力增加；当工具电极与微小孔之间同心时，工具电极受到的最大应力非常小，接近于零；当工具电极与微小孔之间偏心量较小时，工具电极的最大变形量也非常小，但总体呈现随着工具电极旋转速度的增加而增加。

a. 24 000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm图7　工具电极与微小孔同心

a. 24000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm图8　工具电极与微小孔偏心10 μm

a. 24000rpm b. 30 000rpm c. 36 000rpm d. 42 000rpm图9　工具电极与微小孔偏心40 μm

工具电极旋转速度/rpm1. 偏心40 μm；2. 偏心10 μm；3. 同心 图10　工具电极旋转速度与工具电极最大应力的关系

2.3结果分析

进行电化学放电加工微小孔时，由于工具电极旋转作用，加工间隙内的工作液也随着工具电极旋转而旋转，由于离心力的作用被甩向微小孔内壁的四周，可以认为是随工具电极一起旋转的近似圆柱式的液体层，该液体层对微小孔内壁产生一定的作用力，对工具电极的受力状况及运动形式会产生影响。电化学放电过程中，工具电极可能会处于偏心状态下工作，随着偏心量的增加，作用在工具电极上的弯曲力会增加，因此导致工具电极最大变形和最大应力的增加。

3　结论

1)由液固耦合计算可知，随着工具电极旋转速度增加，工具电极的最大变形量和最大应力增加。

2)随着工具电极与微小孔之间的偏心量增加，工具电极的最大变形量和最大应力增加。

3)工具电极最大变形出现在电极端部；最大应力发生在电极夹持部位。

[1]WÜTHRICH R, FASCIO V. Machining of non-conducting materials using electrochemical discharge phenomenon - an overview [J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005, 45(9): 1 095-1 108.

[2]HUANG S F, ZHU D, ZENG Y B,et al. Micro-Hole Machined by Electrochemical Discharge Machining (ECDM) with High Speed Rotating Cathode [J]. Advanced Materials Research, 2011, 295：1 794-1 799.

[3]黄绍服,刘勇,李君,等. 电极旋转电化学放电加工间隙内介质输送分析[J]. 安徽理工大学学报(自然科学版)，2014,34 (2): 66-70.

[4]宋学官，蔡林，张华.ANSYS流固耦合分析与工程实例[M]. 北京：水利水电出版社，2012：1-49.

(责任编辑：李丽，范君)

Numerical SimulationLiquid Solid Coupling Analysis of Micro-electrochemicalDischarge Machining with High Speed Rotating Tool Electrode

LI Jun1, HUANG Shao-fu1, SUN Lun-ye1, LIU Yong2

(1.School of Mechanical Engineering , Anhui University of Science and Technology,Huainan, Anhui232001, China；2. Mechanical and Electrical Equipment and Engineerigng Technology Research Center, Shandong University, Weihai, Shandong 264209, China)

This paper analyzed the numerical simulation liquid-solid coupling of the electrochemical discharge machining by using ANSYS. The influence of the deformation of tool electrode and the tool electrode stress based on the rotating speed of the tool electrode and the degree of eccentricity between the tool electrode and the micro-hole are calculated. The results show that the max deformation and the max stress of the tool electrode increase with the speed of tool electrode rotation and the degree of eccentricity between the tool electrode and the micro-hole increase.

the liquid-solid coupling； tool electrode high speed rotation； electrochemical discharge machining

2015-09-18

安徽省教育厅自然科学基金资项目(KJ2014A063)；安徽省自然科学基金资助项目(1608085ME89，1508085QE90)；国家自然科学基金青年基金资助项目(51505003，51305238)

李君(1973-)，女，安徽宿州人，副教授，硕士，研究方向：先进制造技术。

TG661

A

1672-1098(2016)03-0026-06