李 明，林 華

(1.皖西學(xué)院 實驗實訓(xùn)教學(xué)管理部，安徽 六安 237012；2.皖西學(xué)院 機械與汽車工程學(xué)院，安徽 六安 237012)

影響電解拋光加工質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有電解液組分、電解液溫度、加工電壓、電流密度分布、陰陽極間距等，這些參數(shù)之間耦合關(guān)系復(fù)雜，并隨時間、空間不斷變化[1]。為了獲得較高的拋光質(zhì)量，通常進(jìn)行電場仿真，改善陽極電流密度分布[2]。本文對影響電解拋光效率和質(zhì)量的工藝參數(shù)進(jìn)行仿真[3]。假設(shè)電解液流速不變，利用有限元方法建立優(yōu)化模型，對目標(biāo)函數(shù)電流密度i和材料去除位移dy進(jìn)行求解，其結(jié)果對未來真實電解拋光實驗選定參數(shù)和電解液配制具有重要參考作用。

1 仿真模型

1.1 物理模型

Ni-Ti形狀記憶合金電解拋光加工使用的酸性電化學(xué)拋光液，選用以HCLO4-CH3COOH 為基礎(chǔ)體系來配制。拋光液的電導(dǎo)率k與拋光液溫度T的關(guān)系，可以表達(dá)為：

k=k0[1+α(T-T0)]

(1)

式中：k0為開始溫度T0下拋光液的電導(dǎo)率；T為當(dāng)前溫度；a為電導(dǎo)率溫差影響系數(shù)[4]。

在進(jìn)行電場仿真時，電解液呈各向同性，同時忽略電化學(xué)極化的影響和電解液濃度極化的影響。電解液區(qū)域電流密度的大小可以描述為

(2)

幾何場影響著電場場強分布，而電流密度分布與場強分布有關(guān)，場強分布又反過來影響幾何場。陽極邊界受到電解拋光的影響會發(fā)生移動。因此，建模時，陽極邊界采用有限元軟件comsol中變形幾何模塊的移動邊界來設(shè)定。

陽極材料法向去除速度與電極表面法向電流密度、電流效率和體積電化學(xué)當(dāng)量成正比。根據(jù)法拉第定律可推導(dǎo)出，陽極邊界移動速度服從如下：

vn=ηωi

(3)

則陽極邊界移動量可描述為：

dy=y-Yg=vn·t

(4)

式中:y為材料坐標(biāo)系下y方向的坐標(biāo)；Yg為幾何坐標(biāo)系y方向的坐標(biāo)。

1.2 幾何模型

本文建立的二維幾何模型如圖1(a)所示，工件陽極為鎳鈦合金，工具陰極為銅，電極長度平行對稱且為10 mm。圖1(c)為陽極局部區(qū)域放大模型，圖1為陽極局部區(qū)域網(wǎng)格劃分情況。理論上，間距越大，電解液電場分布情況越均勻，但是過大的間距大大增加拋光時間，本文中間距采用10 mm。陽極周期性波浪狀突起代表其表面缺陷，占據(jù)電解液區(qū)域，該區(qū)域初始突起高度約0.26 mm。本文旨在分析拋光一段時間后，突起區(qū)域的材料去除情況。

(a)整體幾何模型 (b)陽極區(qū)域 (c)局部網(wǎng)格劃分圖1 二維幾何模型

2 物理場

2.1 邊界條件

鎳鈦板材接直流電源正極30 V，銅塊接電源負(fù)極。此時，陰極和陽極表面可看作兩個電勢不同的等位面。在兩個邊界上，添加第一類邊界條件：

(5)

在兩側(cè)邊界，添加第二類邊界條件：

(6)

2.2 物理場

物理場樹選用AC/DC>電流接口和數(shù)學(xué)>變形網(wǎng)格>變形幾何接口；研究樹中，電流接口選擇“穩(wěn)態(tài)”，變形幾何接口選擇“瞬態(tài)”。

2.3 求解

工件陽極表面的電流密度分布，是影響工件拋光蝕除質(zhì)量的主要因素。拋光的效率高低，又取決于電流密度模大小。因此，本文的求解目標(biāo)選擇工件陽極表面電流密度模的平均值Xi和材料y方向去除量dy，分別反映拋光效率和拋光質(zhì)量。電解拋光是電壓場、流體場、幾何結(jié)構(gòu)場、電解液溫度場等多物理場耦合的過程，工件陽極表面的電流密度值和材料去除量，采用有限元方法求解其偏微分方程，求解思路如圖2所示[4-5]。

圖2 有限元求解流程

3 仿真結(jié)果

3.1 電流密度分布

在COMSOL軟件中，仿真求解后，電解液區(qū)域電流密度分布情況如圖3所示。突起尖角為紅色，該部位電流密度最大，imax為5.1×104A/mm2；距離該尖角區(qū)域越近，紅色越重，電流密度模越大。藍(lán)色凹陷區(qū)域的電流密度最小，imin為2.77×104A/mm2。距離藍(lán)色區(qū)域越近的地方，電流密度越小。

圖3 電解液區(qū)域電流密度分布

3.2 dy分布

在COMSOL軟件中，仿真求解電解拋光后，電解液區(qū)域邊界移動情況如圖4所示。突起尖角為紅色，該部位材料去除量最大，dymax為5.35 μm；距離該尖角區(qū)域越近，紅色越重，材料去除量越大。藍(lán)色凹陷區(qū)域的材料去除量最小，dymin為2 μm。越靠近藍(lán)色區(qū)域的地方，材料去除量越小。

圖4 電解液區(qū)域變形分布

(a)陽極表面電流密度模線分布 (b)材料去除量線分布圖5 模線分布與量線分布

陽極表面電流密度模線分布和材料去除量線分布如圖5所示。二者均呈周期性分布，這與圖1幾何模型的建立有關(guān)。對比圖5(a)與圖5(b)，材料去除量分布與電解液區(qū)域電流密度分布相對應(yīng)。較好的驗證了公式(3)，電流密度大的地方，邊界移動速度越快，電流密度小的地方，邊界移動速度越慢。

陽極表面拋光前、后的幾何形貌如圖6所示。突起區(qū)域的材料去除量可達(dá)5.35 μm，明顯比凹陷區(qū)域的2 μm要大。這種紅色和藍(lán)色區(qū)域在拋光速度上的差別，使得陽極表面突起區(qū)域越來越小，從而達(dá)到拋光平整的效果。

圖6 陽極表面拋光前后的幾何形貌

4 結(jié) 語

本文的電解拋光模型中，加工電壓選30 V，加工間距選10 mm，電解液溫度選20 ℃，通過仿真求解出了陽極表面電流密度分布和電解液區(qū)域變形情況，進(jìn)一步比較陽極突起區(qū)域和凹陷區(qū)域的材料去除情況。為得到較好的拋光效率和較高的拋光質(zhì)量，進(jìn)一步優(yōu)選出其他工藝參數(shù)，提供了仿真依據(jù)。同時，也為鎳鈦合金材料電解拋光實際實驗提供理論依據(jù)。