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导线电极电解修形相贯孔过程仿真研究

时间:2016-05-03来源: 作者: 点击: 200次


王坤1 傅秀清1,2 赵明飞1 吴义孝孙唯寅1周旖鋆1

(1.南京农业大学,江苏南京,210031;

2.江苏省智能化农业装备重点实验室,江苏南京,210031;)

摘要:针对零件相贯孔处加工过渡圆弧、清除切削毛刺问题,本文用更简便的裸露铜导线作为电解阴极,基于有限元分析方法,在COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真软件中建立了电解修形的二维电场模型,讨论了5种不同长度阴极的修形效果,调整电解加工参数对修形过程进行仿真,进行试验对仿真结果进行验证。

关键词:电解修形;有限元;相贯孔;导线电极。

Research on Simulation of Electrolytic Dressing Process of Penetration Hole of Fuel

Injection

Wang kun  Fu Xiuqing  Zhao Mingfei  Wu Yixiao  Sun WeiYin  Zhou YiJun

Abstract: Penetration hole processing for fuel injection volume phase transition arc, clear cutting burr problem,based on the finite element analysis method, in COMSOL Multiphysics more physical field coupling simulation software in the electrolytic fix type two-dimensional electric field model is established, and we use bare copper wire and simpler as electrolytic cathode, discussing the five different length of the cathode type dressing effect, adjust the electrochemical machining parameters for the simulation of the modification process, with the simulation experiment to validate the simulation results.

Keywords: electrolytic dressing ;finite element method(FEM);penetration hole;fuel injection


引言

电解加工具有加工速度快,表面质量好,可以加工强、硬、韧的材料,无宏观机械切削力,工具阴极无损耗,可用同一个成型阴极作单方向送进而成批加工复杂型腔、型面、型孔等优点[1]。近年来,由于对产品高品质的追求和电解去毛刺工艺的显著优势,电解加工在发动机燃油喷射系统等领域发挥了巨大作用,特别是发动机缸体等零件内部相贯孔口去毛刺,以及喷油嘴内盛油槽、退刀槽的小余量加工等[2]。电解去毛刺是电解加工的一个分支领域,配置固定电极。使电解液边流动边通电、利用金属的溶解现象去除机械加工和磨削加工后工件、冲压件产生的毛刺,或对金属件边棱进行倒圆或者倒角.该法对去除零件内部相贯孔毛刺,如柴油机油嘴喷孔内边棱毛刺和曲轴相贯油道毛刺有明显效果[3-4]

基金项目:国家大学生创新创业训练计划项目(201510307090;江苏省普通高校研究生实践创新计划项目(SJXL15-0253;江苏省数字化电化学加工重点建设实验室开放基金资助项目(KFJJ2004004

 

本文以燃油喷射体相贯孔处加工过渡圆弧、切削清除毛刺问题为例,采用导线电极,联合电解去毛刺加工技术与计算机仿真技术相结合的方法。在COMSOL Multiphysics多物理场耦合仿真软件中建立加工电极试验模型,对加工试验进行仿真得出合适的加工参数。进行电解加工试验,根据实际进一步调控参数,进行电解去毛刺加工对燃油喷射体相贯孔处进行圆角修形,清除切削毛刺、有效提高产品清洁度,最终获得流量稳定的相贯孔。

1.电解加工去毛刺工作原理

燃油喷射体相贯孔的结构如图1所示,此类采用现有机械加工方法都会在孔的周围、尤其在孔相交的地方不可避免地产生毛刺。而用传统的处理方法往往很难地解决两孔相贯处的毛刺问题,而采用电解加工的方式,用圆柱形铜导线为电极,设置合理的工艺参数和加工时间,可有效地去除相贯孔处的毛刺。


2 工作区放大图

燃油喷射体电解加工的工作原理是将燃油喷射体接上电源正极,电解机床圆柱形铜导线阴极插人到燃油喷射体孔中,剥落导线一小段绝缘皮,使裸露的一小段电极对准要加工的相贯孔的位置,将导线接通电源负极,并在电解去毛刺部位通以高速流动的电解液。当燃油喷射体和阴极头上加上低压直流脉冲电源时,通过电解液中阳离子向阴极头移动,阳极的金属与阴离子生成盐化物而沉淀,阴离子放出电荷,使阳极金属溶解析蚀产生沉淀物。根据法拉第电解定律,由电荷量可以计算被电解金属的数量,并在理论上不受电解质量分数、温度、压力、电极材料及形状因素的影响。在阴极处阳离子放出电荷进行还原作用,析出气体,阴极金属不溶解[5-6]

2. 数学模型的建立及仿真控制机理

2.1电解去毛刺试验的数学模型的建立

在电解加工过程中,工具阴极与工件阳极的间隙中充满高速流动的电解液,在电场的作用下,电解液中的正离子向工具阴极移动,负离子向工件阳极移动,形成了电流场。考虑到研究电解加工成型规律时一般都认为电解加工过程已经进入了平衡加工状态,此时间隙电场属于无源稳恒电流场。根据电场理论可知,其电位符合拉普拉斯方程。再考虑边界条件:一般将电极与电解液接触界面上的电位分布归为阴,阳极极化电位总和;又将阳极表面上,阴极表面上,又考虑到平衡加工状态下的有关参数。归纳上述条件,可得到电解加工间隙中电位分布的数学模型方程组[7-9]

阳极表面边界条件:

阴极表面边界条件:

以上方程组中::电场中各点电位,一般地;U:阳极表面电位值; :阴极送进速度v与阳极法表面的夹角;:电流效率,=0处的:电流密度,=0处的:电解液的电导率。

实际电解加工过程中,通常以阳极金属被加工表面法向方向上的蚀除速度来表示电解加工速度,基于法拉第定律且考虑到电流效率的影响,则有:

上式中::电解加工速度,mm/min:体积电化学当量,mm3/(A*min):电流密度,A/mm2

本文中仿真与试验用的是1.14g/mlNaCl电解液,查阅文献知此时电流效率可取100%[10]。燃油喷射体材料为45钢,其电化学当量2.2*10-9[m3/(A*min)]

2.2 COMSOL Multiphysics电场仿真

采用剥落的绝缘皮长度为5mm的电极,来去除5mm相贯孔相贯处的锐边,毛刺,这里建立电解修形的二维模型,如图所示,为了防止流道其他非相贯部位腐蚀,将阴极左右两端以及在小孔内的顶端绝缘。其中为阴极边界,为阴极的绝缘边界,为工件阳极边界,为电解液自由边界。

3 二维求解域几何模型

在实际电场仿真过程中,关键步骤如下:

(一)建立求解域几何模型如图所示;

(二)增加物理场,设置边界条件。工件阳极看作等电势,设置电压为U,阴极接地。在变形几何物理场中设置Y方向的网格移动速度为0m/s,指定电解液边界X方向网格移动速度为0m/s,最后指定工件阳极边界法向网格速度为电解加工腐蚀速度

(三)划分网格,对关键边界进行细化;

(四)采用COMSOL中的AC/DA电流(ec)模型,设置计算时间为range(0,30,240),即从0开始每间隔30s计算一个结果,至求解到240s。因为计算过程中网格会变形,为了防止出现单元格反转,勾选自动重新剖分网格。进行计算,得到加工到240s时电压分布云图以及腐蚀得到的形面如图4所示。

4  5mm阴极仿真加工得到的电压分布云图

2.3 阴极对电解修形的影响

由于不同长度的阴极对最终的加工效果有着影响,然后分别用了4mm4.5mm5mm5.5mm6mm5种不同长度的阴极进行了仿真,将COMSOL中得到5种不同长度的阴极在加工电压12V,加工时间为200s时阳极轮廓用MATLAB生成一张图,如图5所示:   5 五种不同长度阴极加工得到的阳极轮廓

    由上图可知,在被加工小孔直径为5mm的情况下,长度为6mm的阴极加工效果最为明显,加工出来的圆角轮廓最为清晰。其中长度为5mm5.5mm的阴极加工效果也很明显,长度为4mm4.5mm的阴极加工效率降低,加工出来的圆角轮廓模糊。

在以上仿真的基础上,选用长度为6mm的阴极运用COMSOL进行工艺参数对最终加工型面影响的仿真研究,这里主要讨论加工时间这个主要工艺参数对最终成型规律的影响。

设置加工电压为12V,工作时间的取值变化范围为30~240秒,仿真得到结果如图6所示随着加工时间推移,小孔相贯处的蚀除量更大,形成的轮廓曲线随之增大,但随着加工时间的增加,相同时间内的相对蚀除量却逐渐减小。这主要是因为随着材料的去除,加工间隙逐渐变大,电流密度减小,电解作用减弱,材料的蚀除量也随之减少。

6  6mm阴极12V电压时工件形面随时间的变化

仿真加工240s后电压分布云图阳极轮廓图7所示:

7  6mm阴极仿真加工240s后电压分布云图

3.相贯孔电解去毛刺工艺试验

在电解修形加工过程中,加工电压和加工时间是两个主要的工艺参数,对最终成形轮廓影响与其他参数相比较大,因此主要讨论了采用相贯小孔直径5mm,保证初始间隙1mm时加工时间对成形规律的影响。

由前文电解加工原理可知,随着加工的进行,毛刺锐边处材料被不断蚀除,取工作电压12V,初始间隙为1mm,工作时间的取值变化范围range030240)秒。将试验后的工件清洗后用线切割机割开之后如图8所示:

 DSCN0095王坤2

8 加工后割开的工件

采用三坐标测量机测量得到轮廓数据,为直观比较数据将不同时间的数据作在同一张图上,如图9所示:

9 随时间变化的试验数据

由图可见随着加工时间的推移,毛刺和锐边逐渐被腐蚀,圆角逐渐增大,轮廓逐渐清晰。

4.试验和仿真对比

加工电压为12V,初始间隙为1mm,加工时间为240s时实验数据与长度为6mm的阴极仿真所得的毛刺锐边轮廓数据进行对比如图10所示:

10 试验数据与数据的对比

由对比图可看出试验所得的轮廓曲线与仿真得到的基本吻合,从而验证了仿真的准确性。然而,仿真结果与试验结果仍存在微小差异,是因为仿真是在忽略多种干扰因素的理想情况下进行的分析,而试验结果不仅会受到加工过程中电解液浓度变化、加工效率变化、流场、温度变化等多方面因素的影响还有可能因为测量产生误差。

5.结论

针对5种不同长度的阴极,本文首先运用COMSOL Multiphysics软件分别建立了5中不同长度的阴极电解修形燃油喷射体相贯线的二维模型,在相同工作电压,相同加工时间下,模拟了燃油喷射体相贯线电解修形的加工过程,从而得到最终的加工轮廓曲线。对这5种结果进行了对比,发现在阴极长度为6mm时的电解修形的圆弧效果最好,修形效率最高,从而确定了用长度为6mm的阴极为电解修形燃油喷射体相贯孔的阴极。在试验时,通过控制时间参数进行试验,并对比仿真数据,从而验证仿真模型的准确性。通过对电解加工时间参数的控制,解决了零件相贯孔电解去毛刺和倒圆角问题,同时也为对加工电压、阴极位置等因素对加工过程的影响和控制、误差分析等问题提出了新的思路。

 

参考文献:

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