旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工的電解液噴液流場研究

陳 力，李湘生，馬再權(quán)，楊 宇，張 帥

(浙江理工大學(xué) 機(jī)械與自動控制學(xué)院，浙江 杭州 310018)

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)材料技術(shù)日新月異，傳統(tǒng)切割技術(shù)如激光切割、電火花線切割在加工過程中暴露出許多問題[1].切割技術(shù)對生產(chǎn)的質(zhì)量和效率影響重大，對企業(yè)的成本與利潤也有很大影響[2].

電解線切割技術(shù)是在電解池的電解液中“溶解”工件離子，從而達(dá)到切割的目的.電解線切割技術(shù)在加工形狀特殊、壁薄、易形變零件時有非常獨(dú)特的優(yōu)勢.徐一峰在傳統(tǒng)電解線切割基礎(chǔ)上改進(jìn)了多絲金屬電解線切割技術(shù)，改進(jìn)技術(shù)對提高加工效率以及精度具有顯著效果[3].彭帥改進(jìn)的往復(fù)運(yùn)絲電解線切割技術(shù)，在提高加工速度、減少加工成本方面具有很好的應(yīng)用前景[4].

在電解加工的過程中，經(jīng)常有加工廢料產(chǎn)生，附著在工件表面，阻礙電解的進(jìn)行，影響加工效率.本文采用旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工技術(shù)，將旋轉(zhuǎn)電極作為線電極接電源負(fù)極，能很好地解決這一問題.在旋轉(zhuǎn)電極電解加工中，電解液的選擇至關(guān)重要[5].首先，電解液作為一種導(dǎo)體，在電解加工中能夠?qū)щ?，電解液的不斷流入是電解過程不中斷的必要條件；其次，電解加工過程中產(chǎn)生的大量熱量可能導(dǎo)致工件損壞，而電解液可以冷卻工件.電解液一般采用氯化鈉溶液、硝酸鈉溶液或者氯酸鈉溶液.其中氯化鈉溶液獲取方便，成本低廉且導(dǎo)電效率高.綜合考慮后，本文選用氯化鈉溶液作為電解液.

1 機(jī)床結(jié)構(gòu)及控制系統(tǒng)

1.1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

圖1所示為本文所用旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工機(jī)床.該機(jī)床是自主設(shè)計的機(jī)床，用料、機(jī)構(gòu)均合理，能夠滿足本次實(shí)驗(yàn)要求.該機(jī)床具有可水平方向移動的X軸、Y軸，可豎直方向移動的Z軸.這3個軸與工件相連，可控制工件的移動方位.電極絲接電源負(fù)極，工件接電源正極，加上電解液，形成一個完整的電流回路.電解液循環(huán)系統(tǒng)還包括兩個水泵，水泵能將電解池里的電解液重新輸送到電極絲，使得電解液可重復(fù)利用，電解過程持續(xù)不斷.

圖1 機(jī)床總體結(jié)構(gòu)

1.2 控制系統(tǒng)

所用的HNC-180xp/M3數(shù)控系統(tǒng)性能良好，結(jié)構(gòu)緊湊，可靠性較高.其內(nèi)置RS232接口可與PLC擴(kuò)展連接.該數(shù)控系統(tǒng)通過脈沖控制伺服電機(jī)驅(qū)動器進(jìn)而控制X軸、Y軸、Z軸上的伺服電機(jī).各軸的平臺上還有用于行程保護(hù)和原點(diǎn)定位的光電限位開關(guān).

2 電解液流動方式及噴嘴結(jié)構(gòu)

2.1 電解液流動方式

電解液可分為反向、正向、側(cè)向3種流動方式[6].反向流動方式適用于加工較復(fù)雜或較精密的工件；正向流動方式分為不加背壓、加背壓、毛坯有預(yù)孔3種情況(不加背壓適用于小孔加工，以及精密程度不高的工件；加背壓適用于復(fù)雜或較精密的工件；毛坯有預(yù)孔適用于有預(yù)孔的工件)；側(cè)向流動方式適用于平面、鉗型腔、流線型腔的工件.本文采用不加背壓的正向電解液流動方式.

2.2 電解液噴嘴結(jié)構(gòu)

圖2 電解液噴嘴結(jié)構(gòu)

圖2所示為電解液噴嘴結(jié)構(gòu).噴液嘴外套和內(nèi)套構(gòu)成一個小容器來容納電解液，電解液可以通過電解液噴液口噴出，沿著電極絲向下流動.由于尼龍材料具有優(yōu)良的特性，耐磨耐腐蝕，機(jī)械強(qiáng)度好，因此所用噴嘴采用尼龍材料.圖2中角度α?xí)绊戨娊庖簢娨旱捏w積流量分布，進(jìn)而影響電解加工的質(zhì)量和效率，因此，需要確定一個合適的角度α.

3 電解液噴液流場體積流量的ANSYS分析

由于電解液噴液流場的體積流量會影響電解切割的均勻性，因此有必要對電解液噴液流場進(jìn)行ANSYS仿真，確定其體積流量分布.圖3所示為電解液噴液流場的幾何模型，圖4為對應(yīng)的網(wǎng)格模型.圖3中的5°對應(yīng)于圖2中的錐面角度α.由于α的變化會影響電解液噴液的穩(wěn)定性，因此可根據(jù)不同的α進(jìn)行仿真.當(dāng)α大于25°時，穩(wěn)態(tài)不收斂，也即液體流出困難，因此選擇幾個不大于25°的角度進(jìn)行對比，分別設(shè)α=5°，α=10°，α=15°，α=20°，α=25°，對應(yīng)的體積流量分布見圖5～圖9.

圖3 電解液噴液流場的幾何模型

圖4 電解液噴液流場的網(wǎng)格模型

圖4中上部分為液相，下部分為氣液兩相，因此可在ANSYS仿真時應(yīng)用混合模型.仿真時水壓為5 MPa，入口水速為3 m/s，液相與氣液兩相交匯處為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，下部分壁面為塑料.

由圖5～圖9可知，當(dāng)α=15°時體積流量分布最為均勻.越均勻的流場分布使得電解加工越順利且加工質(zhì)量越高.因此，α為15°左右時最適合旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工.

圖5 α=5°時的體積流量分布

圖6 α=10°時的體積流量分布

圖7 α=15°時的體積流量分布

圖8 α=20°時的體積流量分布

圖9 α=25°時的體積流量分布

4 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)電極電解線切割中電解液的選擇與電解液噴嘴的結(jié)構(gòu)非常重要，本文設(shè)計的電解液噴嘴能夠達(dá)到實(shí)驗(yàn)要求.噴液嘴內(nèi)套與噴液嘴外套出口處的錐面角度α=15°時，體積流量分布最為均勻，最適合電解加工.本文結(jié)論為后續(xù)優(yōu)化幾何模型與實(shí)驗(yàn)條件奠定了基礎(chǔ).

[1] 張應(yīng)立,羅建祥,張 梅，等.金屬切割實(shí)用技術(shù)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005.

[2] 朱有為.現(xiàn)代切割技術(shù)及其在企業(yè)中的應(yīng)用[J].企業(yè)技術(shù)開發(fā),2005,24(8):6-8.

[3] 徐一峰.多絲金屬電解線切割工藝研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2016.

[4] 彭 帥.往復(fù)運(yùn)絲電解線切割基礎(chǔ)研究[D].南京:南京航空航天大學(xué),2012.

[5] 常園園.電解加工的電解液池溫度分布及控制方法[D].西安：西安工業(yè)大學(xué),2013.

[6] 孫紅偉.旋轉(zhuǎn)電極電解線切割加工技術(shù)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué),2016.