电解加工过程的多场耦合仿真研究

发布时间：2017-12-17 23:01

  本文关键词：电解加工过程的多场耦合仿真研究

  更多相关文章： 电解加工 多场耦合 COMSOL 气液两相流 温度场 电流效率 脉冲 管电极

【摘要】：电解加工是利用金属在电解液中发生电化学阳极溶解而对工件加工成型的一种加工方法。在加工过程中,工具与工件始终保持非接触状态,加工时不存在表面内应力,因此工件加工变形小,工具无损耗；工件材料以离子状态蚀除,因此成型工件表面质量好,无冷作硬化层、无加工纹路；加工材料广泛,成型周期短,对复杂形状、难加工材料亦可高速加工。尽管电解加工具有很多优点同样也存在些许不足如杂散腐蚀严重、准备周期长等都大大限制了电解加工的进一步发展。随着科技的发展,利用有限元、边界元等在计算机中对电解加工过程进行数值模拟的形式越来越受到重视。利用仿真模拟可以设计电解加工形式,优化实验参数,既缩短了电解加工的准备周期,又经济、高效的提高了加工质量,因此对电解加工过程的仿真模拟是非常有必要的。电解加工是一个复杂的多场耦合作用过程,涉及到电场、流场、气泡、电化学极化、温度等多种因素的共同作用,因此如何准确全面的模拟这个多场耦合过程,成了电解加工仿真模拟中的一个难题。本文借助COMSOL软件,对电解加工过程进行了系统全面的研究,提出一种多场耦合模型来完成电解加工过程的仿真模拟,并通过实验验证了该模型的准确性,具体研究内容如下：(1)首先利用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)和重新划分网格的方法完成了三维模型下工件成型的动态模拟,该方法可以准确表达工件的动态成型且可提取任意时刻下的表面信息如位置坐标等。(2)完成了加工间隙内电场、电化学极化和浓差极化的模拟即电流的一、二、三次分布。二次电流分布中所用到的极化曲线由电化学工作站测得,实验数据的处理由MATLAB完成。通过对比发现,电流密度随着从一次到三次的模拟,分布趋于平缓,这主要是由极化电阻造成的,因此相同时间下模拟出的工件成型深度为递减趋势。(3)为进一步完善模型,完成了流场、温度场、电流效率和脉冲电源作用下的工件成型动态模拟。流场为气液两相流,加工过程中产生的氢气导致气泡率的变化,变化了的气泡率使得电导率分布不均,进而影响工件蚀除量。受对流扩散影响,加工区域内的温度场呈不均匀分布,使得工件表面的蚀除速度不同,因此温度场的研究对于提高加工质量也是非常重要的。电流效率和脉冲作用的模拟使得仿真模型更加接近实际生产,对不同频率、占空比下的脉冲信号进行工件成型模拟,发现占空比越小,频率越高工件成型质量越好,这与实际生产完全吻合。(4)为了验证多场耦合模型的准确性,进行了实验与仿真对比。这里选用管电极电解加工实验,在自行研制的电解加工机床上完成。从整体成型效果到具体参数如槽宽,外轮廓曲率半径等的对比中发现,本文所提出的仿真模型能较准确的模拟实际加工,因此该模型可用于电解加工的开发和优化中。利用该模型进行了阴极有无掩膜的仿真模拟,掩膜作用下工件成型质量较高且掩膜厚度对成型影响作用不大,因此在保证掩膜的情况下应尽量降低掩膜厚度。
【学位授予单位】：广东工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TQ151

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本文编号：1301860