基于COMSOL的微小孔毛刺去除仿真分析與實驗*

張明文,丁慶田

(安徽理工大學 機械工程學院,安徽 淮南 232001)

0 引 言

金屬切削加工過程中產生毛刺是很難避免的,尤其是在鉆削加工微小孔的情況下。加工時產生的毛刺不僅會影響產品的外在形貌,還會造成產品的裝配質量下降,影響零件的使用壽命。隨著微小孔的使用越來越廣泛,如光纖連接器[1]、噴油嘴[2]、航空發動機工作葉片[3]及表面織構減摩[4]等,微小孔孔口毛刺的去除也變得越來越重要。而傳統的手工去除毛刺工藝早已滿足不了如今的加工精度要求,因此電化學去毛刺技術應運而生。

徐文驥等[5]采用電化學方法對管內壁相貫處毛刺進行去除實驗研究,研究得出在優選的加工工藝參數條件下,毛刺得到有效去除;He T等[6]采用電化學方法對微孔毛刺進行去除,并分析了電解過程中加工區域電流密度的分布和動態變化;朱肖飛等[7]改變了陰極形狀,通過電化學光整加工技術去除了工件邊緣兩側方向的毛刺,提高零件表面的完整性;郭英杰等[8]采用計算機仿真軟件建立了電化學加工過程中的二維電場模型,研究了不同電極及絕緣層的位置對提高加工表面質量的影響;Zhu D等[9]采用磨削和電化學加工混合的工藝加工微小孔,實驗驗證了工藝參數對孔表面質量和尺寸精度的影響作用,并已生產出直徑小至0.6 mm的精密孔。目前,電化學去毛刺研究多以實驗驗證為主,材料費用花費高;同時,現有有限元仿真多為二維平面,難以準確觀察毛刺去除全貌,使后續實驗參數設置存在較大誤差。

筆者采用COMSOL有限元軟件對微小孔毛刺去除過程進行三維仿真分析,探究不同加工電壓、不同NaNO3電解質溶液濃度對毛刺去除的影響,并且通過實驗驗證了仿真的準確性。

1 毛刺去除機理分析

電化學去毛刺原理是金屬在電解液中發生電化學反應導致的陽極溶解[5]。與一般電解加工不同,電化學去毛刺加工過程中,毛刺部位的加工間隙顯著小于其他部位的加工間隙,使得電流密度集中于毛刺周圍,并在相對比較短的時間內完成對毛刺的溶解。根據法拉第第一定律,陽極表面溶解的體積V可表示為:

V=ωItη

(1)

式中:ω為體積電化學當量;I為電流密度;η為電流效率;t為加工時間。

加工原理如圖1所示,毛刺部分連接電源正極,稱為工件陽極;螺旋鉆頭連接電源負極,稱為工具陰極。加工時,工具陰極位于微小孔孔內,并保持一定的加工間隙作為放電通道,保持電解液完全覆蓋加工區域。由于電場的作用,電解液中的氫氧根離子向工件陽極運動,失去電子發生氧化反應,表達式如式(2)所示;氫離子向工具陰極運動,得到電子發生還原反應,表達式如式(3)所示,形成了由工件陽極開始向工具陰極流動的正向電流。當導電回路形成后,工件陽極表面的金屬材料以“離子”的形式被蝕除。同時在電化學反應過程中,工具陰極表面生成氣泡,產生氣泡層。

圖1 電化學去毛刺原理

陽極氧化反應:

4OH--4e-=O2↑+2H2O

(2)

陰極還原反應:

2H++2e-=H2↑

(3)

2 仿真模型的建立

2.1 三維模型建立

根據電化學去毛刺原理和毛刺行態,毛刺去除過程中工件陽極、工件陰極間的電流密度和毛刺去除狀態分布,在COMSOL仿真軟件中建立三維幾何模型,如圖2所示。

圖2 電化學仿真模型

圖中A為NaNO3電解液;B為工具陽極;C為工具陰極;b1為微小孔毛刺;r1為工具陰極的半徑;r2為微小孔半徑。

2.2 仿真參數設置

在進行電化學仿真模擬時,選擇三維模型,添加物理場接口,設置材料參數,選擇不銹鋼為工件陽極,電導率為4.032×106S/m,密度為 7.850 g/cm3;陰極為螺旋鉆頭,材料為鎢鋼,電導率為 5.998×107S/m,密度為 19.3 g/cm3;電解液選擇NaNO3溶液,電導率為 7.5 S/m。

進行模型邊界條件設定,工件陽極上施加加工電壓,工具陰極接地,加工間隙中電解液周圍設置為電絕緣。其余參數設置如表1所列。

表1 仿真參數

毛刺區域為主要觀察對象,使用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行網格劃分,如圖3所示。從收斂性和計算成本考慮,對工件陽極其他區域采用結構化網格劃分,工具陰極和電解池區域分別進行網格粗化和較粗化處理。

圖3 網格劃分

3 仿真結果

3.1 加工電壓對毛刺去除影響

設置不同加工電壓以觀察電流密度對毛刺去除的影響規律。結果如圖4所示。由圖4可知,隨著加工電壓的不斷增大,微小孔電流密度增加,毛刺的去除速度加快,微小孔毛刺的去除速率與其鄰近區域電流密度值正相關。與公式(1)的結果相吻合,說明電流密度值體現了電化學加工對毛刺去除能力的大小[6]。加工電壓為4.5 V時,毛刺去除完成時,微小孔孔徑為853 μm,未出現嚴重的過度腐蝕;當加工電壓為6.5 V,毛刺完全去除,微小孔孔徑為926 μm,孔口過度腐蝕嚴重,導致微小孔孔徑變大,影響表面加工質量和裝配。為了保證微小孔孔口表面的加工質量和裝配,仿真條件下電壓選擇4.5 V最佳。觀察毛刺腐蝕形貌發現其與螺旋電極形狀相似,并且距離螺紋槽近的電流密度大,遠的電流密度小,毛刺腐蝕形狀和螺旋鉆頭形狀有關。

圖4 加工電壓對毛刺去除的影響

3.2 電解液濃度對毛刺去除影響

設置不同電解液濃度以分析其對毛刺去除的影響,結果如圖5所示。由圖5可知,隨著電解液濃度增加,微小孔的過度腐蝕加劇,微小孔孔徑過度擴張。原因是增加電解液濃度,溶液中的電導率提高,加快了腐蝕反應效率?？梢?隨著電解液濃度增加,毛刺的去除速度加快,且同時擴大了微小孔的孔徑。t=2 s時,13 %和15 %電解液濃度下微小孔孔口毛刺還有殘留,微小孔孔口腐蝕情況相對較好。當電解液濃度取17 %時,毛刺雖去除多,但微小孔孔徑擴張至861 μm,孔口腐蝕較嚴重,影響零件表面質量。因此,仿真條件下電解液濃度選擇13 %最佳。

圖5 電解液濃度對毛刺去除的影響

4 電化學去毛刺實驗研究

4.1 試驗裝置

針對仿真結果展開試驗研究,在電解加工平臺(如圖6)上進行電化學微小孔毛刺去除加工實驗,同時采用高速攝像機對毛刺去除過程進行記錄。

圖6 電解加工平臺

微小孔毛刺由半徑0.4 mm螺旋鉆頭鉆削產生,工具陰極采用半徑0.35 mm螺旋鉆頭,工件陽極采用厚度為0.35 mm不銹鋼鋼板,電解液選擇NaNO3溶液。

4.2 加工電壓、電解液濃度對比試驗結果

取電解液濃度C=13 %、電極半徑r1=0.35 mm、孔半徑r2=0.4 mm,加工電壓分別為4.5 V、5.5 V、6.5 V,試驗結果如圖7所示。

圖7 不同電壓毛刺去除試驗

由圖7可知,隨著加工電壓增加,毛刺去除完成后,微小孔孔徑逐漸被擴大。U=4.5 V時,微小孔毛刺完全去除后孔徑800 μm擴大至826 μm。U=6.5 V時,微小孔毛刺完全去除后,微小孔過度腐蝕明顯,孔徑由800 μm擴大至935 μm。將試驗數據與仿真數據結合對比發現,試驗與仿真的趨勢變化基本一致。

取加工電壓U=4.5 V、工具電極半徑r1=0.35 mm、微小孔半徑r2=0.4 mm,電解液濃度為13%、15%、17%,試驗結果如圖8所示。

圖8 不同電解液濃度毛刺去除試驗

由圖8可知,隨著電解液濃度增加,微小孔的孔徑增大,C=13%時,微小孔毛刺去除孔徑800 μm擴大至823 μm,C=17%時,微小孔過度腐蝕明顯,孔徑由由800 μm擴大至842 μm。和仿真結果對比,試驗與仿真的趨勢變化基本相同,但存在一定的誤差,原因是仿真過程中電解液濃度設置為恒定不變,而加工試驗過程中,加工間隙內產生氣泡,降低了溶液電導率,影響了試驗結果。

5 結 論

針對微小孔孔口產生的毛刺,采用電化學加工去除方法,建立以螺旋鉆頭為陰極的三維仿真模型,探究了不同大小加工電壓、電解液濃度對微小孔孔口毛刺去除的影響規律,結果如下。

(1) 毛刺尖端得到的電流密度大,優先發生電解反應,微小孔毛刺周圍電流密度小,反應甚微。

(2) 采用螺旋鉆頭作為工具陰極,加工間隙小的電流密度大,加工間隙大的電流密度小,毛刺腐蝕形狀和螺旋鉆頭形狀有關。

(3) 增大加工電壓、電解液濃度,毛刺周圍的電流密度增大,毛刺的去除速率增加,微小孔的孔徑擴大。對仿真結果進行試驗發現,試驗與仿真的趨勢變化相同。