旋转电极电解线切割加工的电解液喷液流场研究

陈 力，李湘生，马再权，杨 宇，张 帅

(浙江理工大学 机械与自动控制学院，浙江 杭州 310018)

随着科技的进步，工业材料技术日新月异，传统切割技术如激光切割、电火花线切割在加工过程中暴露出许多问题[1].切割技术对生产的质量和效率影响重大，对企业的成本与利润也有很大影响[2].

电解线切割技术是在电解池的电解液中“溶解”工件离子，从而达到切割的目的.电解线切割技术在加工形状特殊、壁薄、易形变零件时有非常独特的优势.徐一峰在传统电解线切割基础上改进了多丝金属电解线切割技术，改进技术对提高加工效率以及精度具有显著效果[3].彭帅改进的往复运丝电解线切割技术，在提高加工速度、减少加工成本方面具有很好的应用前景[4].

在电解加工的过程中，经常有加工废料产生，附着在工件表面，阻碍电解的进行，影响加工效率.本文采用旋转电极电解线切割加工技术，将旋转电极作为线电极接电源负极，能很好地解决这一问题.在旋转电极电解加工中，电解液的选择至关重要[5].首先，电解液作为一种导体，在电解加工中能够导电，电解液的不断流入是电解过程不中断的必要条件；其次，电解加工过程中产生的大量热量可能导致工件损坏，而电解液可以冷却工件.电解液一般采用氯化钠溶液、硝酸钠溶液或者氯酸钠溶液.其中氯化钠溶液获取方便，成本低廉且导电效率高.综合考虑后，本文选用氯化钠溶液作为电解液.

1 机床结构及控制系统

1.1 机床总体结构

图1所示为本文所用旋转电极电解线切割加工机床.该机床是自主设计的机床，用料、机构均合理，能够满足本次实验要求.该机床具有可水平方向移动的X轴、Y轴，可竖直方向移动的Z轴.这3个轴与工件相连，可控制工件的移动方位.电极丝接电源负极，工件接电源正极，加上电解液，形成一个完整的电流回路.电解液循环系统还包括两个水泵，水泵能将电解池里的电解液重新输送到电极丝，使得电解液可重复利用，电解过程持续不断.

图1 机床总体结构

1.2 控制系统

所用的HNC-180xp/M3数控系统性能良好，结构紧凑，可靠性较高.其内置RS232接口可与PLC扩展连接.该数控系统通过脉冲控制伺服电机驱动器进而控制X轴、Y轴、Z轴上的伺服电机.各轴的平台上还有用于行程保护和原点定位的光电限位开关.

2 电解液流动方式及喷嘴结构

2.1 电解液流动方式

电解液可分为反向、正向、侧向3种流动方式[6].反向流动方式适用于加工较复杂或较精密的工件；正向流动方式分为不加背压、加背压、毛坯有预孔3种情况(不加背压适用于小孔加工，以及精密程度不高的工件；加背压适用于复杂或较精密的工件；毛坯有预孔适用于有预孔的工件)；侧向流动方式适用于平面、钳型腔、流线型腔的工件.本文采用不加背压的正向电解液流动方式.

2.2 电解液喷嘴结构

图2 电解液喷嘴结构

图2所示为电解液喷嘴结构.喷液嘴外套和内套构成一个小容器来容纳电解液，电解液可以通过电解液喷液口喷出，沿着电极丝向下流动.由于尼龙材料具有优良的特性，耐磨耐腐蚀，机械强度好，因此所用喷嘴采用尼龙材料.图2中角度α会影响电解液喷液的体积流量分布，进而影响电解加工的质量和效率，因此，需要确定一个合适的角度α.

3 电解液喷液流场体积流量的ANSYS分析

由于电解液喷液流场的体积流量会影响电解切割的均匀性，因此有必要对电解液喷液流场进行ANSYS仿真，确定其体积流量分布.图3所示为电解液喷液流场的几何模型，图4为对应的网格模型.图3中的5°对应于图2中的锥面角度α.由于α的变化会影响电解液喷液的稳定性，因此可根据不同的α进行仿真.当α大于25°时，稳态不收敛，也即液体流出困难，因此选择几个不大于25°的角度进行对比，分别设α=5°，α=10°，α=15°，α=20°，α=25°，对应的体积流量分布见图5～图9.

图3 电解液喷液流场的几何模型

图4 电解液喷液流场的网格模型

图4中上部分为液相，下部分为气液两相，因此可在ANSYS仿真时应用混合模型.仿真时水压为5 MPa，入口水速为3 m/s，液相与气液两相交汇处为标准大气压，下部分壁面为塑料.

由图5～图9可知，当α=15°时体积流量分布最为均匀.越均匀的流场分布使得电解加工越顺利且加工质量越高.因此，α为15°左右时最适合旋转电极电解线切割加工.

图5 α=5°时的体积流量分布

图6 α=10°时的体积流量分布

图7 α=15°时的体积流量分布

图8 α=20°时的体积流量分布

图9 α=25°时的体积流量分布

4 结束语

旋转电极电解线切割中电解液的选择与电解液喷嘴的结构非常重要，本文设计的电解液喷嘴能够达到实验要求.喷液嘴内套与喷液嘴外套出口处的锥面角度α=15°时，体积流量分布最为均匀，最适合电解加工.本文结论为后续优化几何模型与实验条件奠定了基础.

[1] 张应立,罗建祥,张 梅，等.金属切割实用技术[M].北京:化学工业出版社,2005.

[2] 朱有为.现代切割技术及其在企业中的应用[J].企业技术开发,2005,24(8):6-8.

[3] 徐一峰.多丝金属电解线切割工艺研究[D].杭州：浙江理工大学,2016.

[4] 彭 帅.往复运丝电解线切割基础研究[D].南京:南京航空航天大学,2012.

[5] 常园园.电解加工的电解液池温度分布及控制方法[D].西安：西安工业大学,2013.

[6] 孙红伟.旋转电极电解线切割加工技术研究[D].杭州：浙江理工大学,2016.