電解加工過程的多場耦合仿真研究.pdf

1、電解加工是利用金屬在電解液中發(fā)生電化學(xué)陽極溶解而對工件加工成型的一種加工方法。在加工過程中，工具與工件始終保持非接觸狀態(tài)，加工時不存在表面內(nèi)應(yīng)力，因此工件加工變形小，工具無損耗;工件材料以離子狀態(tài)蝕除，因此成型工件表面質(zhì)量好，無冷作硬化層、無加工紋路;加工材料廣泛，成型周期短，對復(fù)雜形狀、難加工材料亦可高速加工。盡管電解加工具有很多優(yōu)點(diǎn)同樣也存在些許不足如雜散腐蝕嚴(yán)重、準(zhǔn)備周期長等都大大限制了電解加工的進(jìn)一步發(fā)展。
　　隨著科技的

2、發(fā)展，利用有限元、邊界元等在計算機(jī)中對電解加工過程進(jìn)行數(shù)值模擬的形式越來越受到重視。利用仿真模擬可以設(shè)計電解加工形式，優(yōu)化實驗參數(shù)，既縮短了電解加工的準(zhǔn)備周期，又經(jīng)濟(jì)、高效的提高了加工質(zhì)量，因此對電解加工過程的仿真模擬是非常有必要的。電解加工是一個復(fù)雜的多場耦合作用過程，涉及到電場、流場、氣泡、電化學(xué)極化、溫度等多種因素的共同作用，因此如何準(zhǔn)確全面的模擬這個多場耦合過程，成了電解加工仿真模擬中的一個難題。本文借助COMSOL軟件，對電解

3、加工過程進(jìn)行了系統(tǒng)全面的研究，提出一種多場耦合模型來完成電解加工過程的仿真模擬，并通過實驗驗證了該模型的準(zhǔn)確性，具體研究內(nèi)容如下:
　　(1)首先利用任意拉格朗日-歐拉法(ALE)和重新劃分網(wǎng)格的方法完成了三維模型下工件成型的動態(tài)模擬，該方法可以準(zhǔn)確表達(dá)工件的動態(tài)成型且可提取任意時刻下的表面信息如位置坐標(biāo)等。
　　(2)完成了加工間隙內(nèi)電場、電化學(xué)極化和濃差極化的模擬即電流的一、二、三次分布。二次電流分布中所用到的極化曲線由

4、電化學(xué)工作站測得，實驗數(shù)據(jù)的處理由MATLAB完成。通過對比發(fā)現(xiàn)，電流密度隨著從一次到三次的模擬，分布趨于平緩，這主要是由極化電阻造成的，因此相同時間下模擬出的工件成型深度為遞減趨勢。
　　(3)為進(jìn)一步完善模型，完成了流場、溫度場、電流效率和脈沖電源作用下的工件成型動態(tài)模擬。流場為氣液兩相流，加工過程中產(chǎn)生的氫氣導(dǎo)致氣泡率的變化，變化了的氣泡率使得電導(dǎo)率分布不均，進(jìn)而影響工件蝕除量。受對流擴(kuò)散影響，加工區(qū)域內(nèi)的溫度場呈不均勻分布

5、，使得工件表面的蝕除速度不同，因此溫度場的研究對于提高加工質(zhì)量也是非常重要的。電流效率和脈沖作用的模擬使得仿真模型更加接近實際生產(chǎn)，對不同頻率、占空比下的脈沖信號進(jìn)行工件成型模擬，發(fā)現(xiàn)占空比越小，頻率越高工件成型質(zhì)量越好，這與實際生產(chǎn)完全吻合。
　　(4)為了驗證多場耦合模型的準(zhǔn)確性，進(jìn)行了實驗與仿真對比。這里選用管電極電解加工實驗，在自行研制的電解加工機(jī)床上完成。從整體成型效果到具體參數(shù)如槽寬，外輪廓曲率半徑等的對比中發(fā)現(xiàn)，本文