CN110253699A - 一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，该方法包括如下步骤：(1)制作加工工具阴极和待加工阳极物块；(2)建立电场、流场模型进行仿真优化确定最优加工参数，所述的最优加工参数包括加工电压、电解液进出口速度和电解液进出口压力的最优值；(3)按照步骤(2)确定的最优加工参数，利用加工工具阴极对待加工阳极物块进行电解加工，在待加工阳极物块上形成小孔径竹节孔。与现有技术相比，本发明加工精度较高，可加工微小孔径结构、加工工件表面性能不会受到切削力的影响。

Description

一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法

技术领域

本发明涉及一种加工竹节孔的方法，尤其是涉及一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法。

背景技术

电解加工是一种利用金属阴阳极得失电子原理来去除材料的制造技术，没有刀具损失，与材料的硬度无关，生产率高，表面质量好，可以加工复杂的3D形状。而竹节孔又是电解加工在内壁面微细加工的应用，竹节孔本质上是一种肋化通道，内壁面结构像一个个竹节，所以被叫作竹节孔。而这种内部结构使得冷却结构得到优化，通过增大内冷却孔的，十分有效的提高了的换热系数，从而达到了强化冷却的效果。越来越多的国内外学者对微细小孔的研究感兴趣，不仅仅是因为电解加工的高效，而且它应用范围广，具有很深的开发力与很好的前景，在热能传递，结构优化，加工效率方面还有更多有待提高的环节。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，该方法包括如下步骤：

(1)制作加工工具阴极和待加工阳极物块；

(2)建立电场、流场模型进行仿真优化确定最优加工参数，所述的最优加工参数包括加工电压、电解液进出口速度和电解液进出口压力的最优值；

(3)按照步骤(2)确定的最优加工参数，利用加工工具阴极对待加工阳极物块进行电解加工，在待加工阳极物块上形成小孔径竹节孔。

所述的加工工具阴极为毛细管，所述的毛细管外表面沿长度方向间隔设置多个绝缘带，所述的绝缘带包裹于毛细管外表面。

所述的待加工阳极物块为设有小孔的加工物块，所述的竹节孔成型于所述的小孔中。

所述的毛细管外径为3mm，内径为1mm。

步骤(2)中加工电压最优值通过如下方式确定：采用Auto Cad建立电场模型并导入ANSYS软件，给定加工电压，运行ANSYS软件仿真得到电场云图，测量电场云图中竹节孔肋深，调节加工电压直至肋深测量值与理想加工值一致，将此时的加工电压确定为加工电压最优值。

步骤(2)中电解液进出口速度最优值通过如下方式确定：

(1a)确定流速基础范围[a，b]，其中a为流速下限，b为流速上限；

(1b)FLUENT软件建立流场模型，在流速基础范围[a，b]内选取设定流速进行仿真，获取相应的速度云图；

(1c)分析速度云图，选取速度云图中无死水区时对应的流速作为电解液进出口速度最优值。

所述的流速基础范围需满足：

其中，v₀为流速，v为运动黏性系数，D_h为水利直径。

步骤(2)中电解液进出口压力最优值通过如下方式确定：

(2a)确定压力基础范围[c，d]，其中c为流速下限，d为流速上限；

(2b)FLUENT软件建立流场模型，在压力基础范围[c，d]内选取设定流速进行仿真，获取相应的压力云图；

(2c)分析压力云图，选取压力云图中无过载时对应的压力作为电解液进出口速度最优值。

所述的压力基础范围需满足：

其中，p₀为压力，p₁为表压，α₁＝1，L为小孔长度，D为小孔直径，ρ为电解液溶液密度，u₂为流速，Re为雷诺数。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：本发明通过建立电场和流场模型分析优化了电解加工实验，易于找出最优参数组合，从而加工精度较高，可加工微小孔径结构、加工工件表面性能不会受到切削力的影响。

附图说明

图1为本发明加工工具阴极的结构示意图；

图2为本发明确定加工电压最优值的流程框图；

图3为本发明加工肋深的结构示意图；

图4为本发明确定电解液进出口速度最优值和电解液进出口压力最优值的流程框图；

图5为本发明小孔径竹节孔的加工示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。注意，以下的实施方式的说明只是实质上的例示，本发明并不意在对其适用物或其用途进行限定，且本发明并不限定于以下的实施方式。

实施例

一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，该方法包括如下步骤：

(1)制作加工工具阴极和待加工阳极物块；

(2)建立电场、流场模型进行仿真优化确定最优加工参数，最优加工参数包括加工电压、电解液进出口速度和电解液进出口压力的最优值；

(3)按照步骤(2)确定的最优加工参数，利用加工工具阴极对待加工阳极物块进行电解加工，在待加工阳极物块上形成小孔径竹节孔。

如图1所示，加工工具阴极为毛细管，毛细管外径为3mm，内径为1mm。毛细管一端为电解液入口，毛细管外表面沿长度方向间隔设置多个绝缘带2，绝缘带2包裹于毛细管外表面。为了防止加工中短路现象的发生，保持加工工具电极具有良好的使用寿命，成形电极的末端可以安装一个支撑环，侧面开出几个槽，这样子更方便溶液从阴极与阳极之间的间隙流过。

待加工阳极物块为设有小孔的加工物块，竹节孔成型于小孔中，本实施例中，阳极为16组不同加工间隙的小孔的物块，因为加工精度要求较高，所以采用铣削机床进行加工，在钻孔过程中，为了避免钻头的折断，在钻孔的进给时，压力不能过大。另外，如果钻头不锋利时，不要勉强使用，立即更换，不然最容易断钻头。把与钻头中心垂直的工作台的运动锁死，只保留与钻头中心方向一致的工作台的运动，避免因其它方向工作台的间隙、振动。在钻孔时先选好一个基准点，并保证工件在钻孔工作台上面的垂直度与水平度，这样加工以后在数控雕铣机床加工时只要对准基准点，对好刀就可以参照之前机床上的相对坐标，快速进行加工定位。本实施例中物块上钻出4x4的按矩阵排列的小孔，孔径分别为4.1，4.2，4.3，4.4毫米，深度为25毫米。

如图2所示，步骤(2)中加工电压最优值通过如下方式确定：采用Auto Cad建立电场模型并导入ANSYS软件，给定加工电压，运行ANSYS软件仿真得到电场云图，测量电场云图中竹节孔肋深，调节加工电压直至肋深测量值与理想加工值一致，将此时的加工电压确定为加工电压最优值。

具体地，本实施例中以某一加工电压进行仿真得出的电场云图，由云图可以看出肋深(如图3中h为肋深)随时间变化不断在发生变化，加工开始阶段电解反应剧烈，随着加工时间越来越长，阴极阳极之间的距离越来越大，由电解加工的原理，当阴阳极之间的距离达到一定尺寸时，阳极表面的电流变小，所以电解的越来越慢，此时工件不能被电解加工，最后肋深趋向于一定值。现以肋高0.2mm为一标准。若测量后肋高较低，增加加工电压，加压后工具电极周围的电场变大，距离工具较远的金属也会受到电场的影响，逐渐被腐蚀，肋的高度将会增大；反之若肋高较高时，减小电压。

如图4所示，步骤(2)中电解液进出口速度最优值通过如下方式确定：

(1a)确定流速基础范围[a，b]，其中a为流速下限，b为流速上限；

(1b)FLUENT软件建立流场模型，在流速基础范围[a，b]内选取设定流速进行仿真，获取相应的速度云图；

(1c)分析速度云图，选取速度云图中无死水区时对应的流速作为电解液进出口速度最优值。

流速基础范围需满足：

其中，v₀为流速，v为运动黏性系数，D_h为水利直径。

本实施例中，D_h取值为内孔间隙值，因此，满足：

同时，较高的流速有利于抑制加工间隙中的温度提升，从而提高加工过程的稳定性。将流速选择范围定为10～20m/s，现选择10、15、20m/s不同的设定值,将其输入到FLUENT软件的设置边界条件模块中，启动2D求解器操作求解，生成速度云图。分析生成的速度云图，当工件内形成死水区时，表明流速不宜过快，可适当将流速设置值调低。设定几组不同流速的实验后，对比加工后的竹节孔的内壁被电解液溶液的腐蚀程度进而也可调整流速，从而获得最优的流速参数。

步骤(2)中电解液进出口压力最优值通过如下方式确定：

(2a)确定压力基础范围[c，d]，其中c为流速下限，d为流速上限；

(2b)FLUENT软件建立流场模型，在压力基础范围[c，d]内选取设定流速进行仿真，获取相应的压力云图；

(2c)分析压力云图，选取压力云图中无过载时对应的压力作为电解液进出口速度最优值。

压力基础范围需满足：

其中，p₀为压力，p₁为表压，α₁＝1，L为小孔长度，D为小孔直径，ρ为电解液溶液密度，u₂为流速，Re为雷诺数。

本实施例中：

即入口处溶液压力要大于0.28Mpa。但也不宜过大，防止出现过载，工件内水流不出去的情况。将冲液压力选择范围定为0.3～0.5Mpa，现选择0.3、0.35、0.4、0.45、0.5MPa不同的设定值做实验，(4)将数据输入到FLUENT软件的设置条件模块中，启动2D求解器操作求解，进而生成压力云图。(5)设定几组实验，分析压力云图，能看出竹节孔突起的地方，压力值较大，比较几组不同冲液压力值加工后的竹节孔，再结合压力云图中显示的压力分布结果，能获得最优的压力参数。

最后，对阳极物块进行加工，具体加工示意图如图5所示，图中，A为加工工具阴极，B为待加工阳极物块，C为电解液，电解液为硝酸钠溶液，采用正向冲液的方式，电源采用直流电源。

上述实施方式仅为例举，不表示对本发明范围的限定。这些实施方式还能以其它各种方式来实施，且能在不脱离本发明技术思想的范围内作各种省略、置换、变更。

Claims (9)

1.一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)制作加工工具阴极和待加工阳极物块；

(2)建立电场、流场模型进行仿真优化确定最优加工参数，所述的最优加工参数包括加工电压、电解液进出口速度和电解液进出口压力的最优值；

(3)按照步骤(2)确定的最优加工参数，利用加工工具阴极对待加工阳极物块进行电解加工，在待加工阳极物块上形成小孔径竹节孔。

2.根据权利要求1所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，所述的加工工具阴极为毛细管，所述的毛细管外表面沿长度方向间隔设置多个绝缘带，所述的绝缘带包裹于毛细管外表面。

3.根据权利要求2所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，所述的待加工阳极物块为设有小孔的加工物块，所述的竹节孔成型于所述的小孔中。

4.根据权利要求2所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，所述的毛细管外径为3mm，内径为1mm。

5.根据权利要求1所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，步骤(2)中加工电压最优值通过如下方式确定：采用Auto Cad建立电场模型并导入ANSYS软件，给定加工电压，运行ANSYS软件仿真得到电场云图，测量电场云图中竹节孔肋深，调节加工电压直至肋深测量值与理想加工值一致，将此时的加工电压确定为加工电压最优值。

6.根据权利要求1所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，步骤(2)中电解液进出口速度最优值通过如下方式确定：

(1a)确定流速基础范围[a，b]，其中a为流速下限，b为流速上限；

(1b)FLUENT软件建立流场模型，在流速基础范围[a，b]内选取设定流速进行仿真，获取相应的速度云图；

(1c)分析速度云图，选取速度云图中无死水区时对应的流速作为电解液进出口速度最优值。

7.根据权利要求6所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，所述的流速基础范围需满足：

其中，v₀为流速，v为运动黏性系数，D_h为水利直径。

8.根据权利要求1所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，步骤(2)中电解液进出口压力最优值通过如下方式确定：

(2a)确定压力基础范围[c，d]，其中c为流速下限，d为流速上限；

(2b)FLUENT软件建立流场模型，在压力基础范围[c，d]内选取设定流速进行仿真，获取相应的压力云图；

(2c)分析压力云图，选取压力云图中无过载时对应的压力作为电解液进出口速度最优值。

9.根据权利要求8所述的一种仿真优化电解液加工小孔径竹节孔的方法，其特征在于，所述的压力基础范围需满足：

其中，p₀为压力，p₁为表压，α₁＝1，L为小孔长度，D为小孔直径，ρ为电解液溶液密度，u₂为流速，Re为雷诺数。