U71Mn拉伸件电解加工流场与成形过程仿真

武鸿力WU Hong-li；张长富ZHANG Chang-fu；段李鑫DUAN Li-xin

（西安工业大学机电工程学院，西安710021）

0 引言

难切削金属材料拉伸状零件加工已成为一个加工制造难题。经过水韧处理的U71Mn（中锰钢）组织为均匀的单相奥氏体组织，韧性约为45#钢的8倍，因其在高强度冲击载荷或强力挤压作用下，表面奥氏体会转变成高强度的马氏体，发生加工硬化，硬度可以达到HB500以上，因此U71Mn中锰钢不仅表面具有良好的耐磨性和抗冲击性，又有柔韧的心部可以抵抗强烈的冲击，其拉伸状零件已在轨道交通等领域广泛应用[1-2]。然而，在高强度冲击载荷或强力挤压作用下，零件表面会出现轻微变形，影响使用效果，故需要对其表面进行整形。在采用机械加工对U71Mn拉伸状零件表面进行整形时，由于材料在刀具挤压的情况下，表面会发生严重的加工硬化现象，故存在加工效率低、刀具磨损严重、成本高等问题[3]。

电解加工技术以其独到优势成为U71Mn拉伸状零件一种理想加工方法。低电压、大电流的加工特点，保证具有较高的加工效率；阳极工件与阴极工具无接触式加工，保证没有刀具磨损；阳极工件材料以离子形式去除，保证工件表面没有残留加工应力[4]。

1 U71Mn拉伸件电解加工

电解加工应用电化学原理，使阳极工件表面材料以离子方式在电解液中发生溶解。在电解加工时，工具阴极接负极，工件阳极接正极，位于阴、阳两极中间的加工间隙中充满高速流动的电解液，电流通过阳极-电解液-阴极形成回路。金属材料的阴极和阳极、0.05-0.7mm宽的加工间隙内电解液具有很高的导电率，所以在阳极施加10-30V电压后，会有很大的电流产生，这些电流（A）除以阳极工件被加工面积（mm2）即为电流密度（A/mm2），使工件阳极表面材料以离子形式被去除。

如图1所示，工件上表面为主要工作面，由三段分别为R13、R300、R13的相切圆弧构成。在对U71Mn拉伸件进行电解整形时，为了使工作面一次成形，采用反铐法对工件进行加工；为了提高加工精度，选用侧流式供液方式。阳极施加电压20V，阴极工具材料选择导电性好的黄铜，阳极工件材料为U71Mn，加工间隙选择0.15mm，整形去除量0.2-0.3mm。

图1 U71Mn拉伸件电解加工示意图

2 电解加工流场与成形过程仿真

电解加工包括流场、电化学场、温度场等多个物理场，其中流场和电化学场对电解加工的表面质量与加工精度起着至关重要的作用[5]。本文通过对流场仿真确定加工区域流场是否均匀、稳定，通过对成形过程的仿真确定合适的加工时间，对实际加工提供理论指导。

2.1 流场仿真与分析

在加工间隙内高速流动的电解液可带走固体颗粒、焦耳热等加工产物，提高加工精度与加工稳定性[6]。加工中，阳极发生氧化反应，生成的正价金属离子与电解液中的OH-结合生成固体颗粒；阴极发生还原反应，析出气体。上述在加工过程中产生的固体颗粒、气体等物质统称为“加工产物”。基于此，采用高速流动的电解液可带走加工间隙内的加工产物，从而使加工更加稳定。由于被加工件的工作面由三段相切圆弧组成，必须设计导流流场将机床出液圆管过液面逐渐过渡成为与加工区域电解液入口一致的过液面。在设计导流流场的基础上，运用COMSOL Multiphysics 5.6数值模拟软件中“湍流k-ε”模型的湍流流动对流场进行仿真计算，旨在优化加工间隙内的流场分布，避免出现流程分布不均匀和出现空穴等现象，保证整个加工区域流场的分布具有均匀性和一致性。

为了简化计算，做如下假设：流场中的电解液为理想状态下的不可压缩液体。由于流道模型左右对称，为了减少计算量，沿对称面取流道模型一半进行网格划分与计算，网格划分结果如图2（a）所示，设置入口压力0.6 MPa，出口压力0.1MPa。仿真结果如图2（b）-（c）所示，其中，图2（b）为速度流线，图2（c）为速度矢量，图2（d）为压力云图。

图2 流场仿真

由图2（a）可见，网格划分质量较好，在结果后处理时，由镜像操作可得到完整流道模型；由图2（b）所示流线图可见，加工区域内流线无缠绕、拐弯现象，表明加工区域内无涡流产生，流场稳定；由图2（c）所示速度矢量可见，加工区域内R13、R300、R13三段相切圆弧面的流速分布均匀，且电解液流速可达10m/s以上，可顺利带走加工产物并更新电解液；由图2（d）可见，加工区域内的压力由进口到出口逐渐减小，没有负压产生，不易产生空穴。综上所述，加工区域内流场可满足实际需要。

2.2 成形过程仿真与分析

对U71Mn拉伸件进行电解加工成形过程仿真，为实际加工时间提供理论指导。首先使用NX 12.0建立加工模型，接着将加工模型导入COMSOL Multiphysics 5.6数值模拟软件中，最后采用“电化学腐蚀场”对U71Mn拉伸件电解加工成形过程进行瞬态模拟，仿真整个加工过程，观察材料去除率随着时间的变化规律。

由于在模拟加工过程当中，阳极工件表面会发生材料去除，导致瞬态模拟时划分的网格极易发生扭曲、变形、反转等不利影响，故使用软件自带的“自动重新划分网格”功能可以使成形仿真过程更加收敛，设置“自动重新划分网格”的条件为“失真”。施加边界条件如下：对阳极工件施加电压20V，阴极工具施加电压0V；依次设置电解液、阴极工具、阳极工件的电导率为8.3、5.998×107、1.12×107S/m；设置阳极工件“溶解-沉积的物质”为U71Mn，其摩尔质量为56g/mol，密度为7.85g/cm3。

如图3所示为阳极工件表面总厚度变化图，其颜色代表腐蚀的深度，由图可见，随着加工的进行，阳极工件被加工区域在逐渐发生溶解且材料去除量均匀，随着时间的增加，在9s时，阳极工件材料去除量已超过0.2mm，符合加工需要，这为实际加工所需加工时间提供了理论指导。

图3 数值模拟电解加工成形过程

3 结论

针对U71Mn拉伸件电解加工，运用COMSOL Multiphysics 5.6软件对其流场与成形过程进行数值模拟。通过流场仿真可知，在入口压力0.6MPa，出口压力0.1 MPa的条件下，加工区域内流场均匀、稳定，没有湍流与负压产生，电解液流速可达10m/s以上，可顺利带走加工产物，符合实际加工需要；通过成形过程仿真可知，随着加工的进行，阳极工件材料在逐渐溶解且材料去除均匀，在9s时已达到期望去除量。