电绝缘液体同轴包裹射流电解加工数值仿真分析与实验研究

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射流电解加工技术是以高速电解液射流为加工工具,利用金属工件阳极溶解现象,实现工件特定位置材料去除加工的一类电解加工方法统称。它不仅具有一般电解加工的内在优势,还有材料去除选择性高、操作自由度大、可达性好等个性特点,在微结构加工领域应力潜能大。射流电解加工技术因加工原理局限性,存在加工精度偏低且难以控制共性问题。尽管研究工作者为此做出了巨大努力(如激光辅助射流电解加工、磨料辅助射流电解加工和空气辅助射流电解加工等),但仍不理想。对此,本文提出了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工方法,将电绝缘液体和电解液射流一同从同一喷嘴射出,以使电绝缘液体将电解液射流全部包裹起来,以期达到抑制杂散电流、提高射流电解加工精度目的。本文重点开展电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微坑数值仿真分析与实验研究。主要研究内容和结果如下。(1)开展了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工数值仿真分析,研究分析了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工流场分布特性及其影响因素。探明了电绝缘液体出口孔径d结构参数、电解液流速v和电绝缘液体流量Q等工艺条件对流场分布特性的影响规律。电绝缘液体同轴包裹射流电解加工不仅可以获得更小的电解液射流撞击区域,使射流电解加工的电场更集中,提高射流电解加工的精度,而且由于电解液的粘性剪切作用可以增大电解液流膜的流速,减小流膜厚度,使液跃现象基本上消失,有利于减小喷嘴周围的杂散电场,提高射流电解加工的精度。电绝缘液体的出口孔径d结构参数、电解液流速v和电绝缘液体流量Q等工艺条件对流场分布特性有很大的影响,合适的电绝缘液体出口孔径d,大电解液流速v,小电绝缘液体流量Q可以得到更小的电解液射流撞击区域,更薄的电解液流膜,更大的电解液流膜速度,进而有利于提高射流电解加工的精度。因此,当电绝缘液体孔径d=2mm,电解液流速v=10m/s和电绝缘液体流量Q=2.5L/h时,电绝缘液体同轴包裹射流电解加工可以获得更高的加工精度和加工质量。(2)搭建了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工实验系统,开展了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微坑和微通孔工艺实验研究,分析了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微坑和微通孔的形貌特征、成形精度及其与电绝缘液体出口孔径d结构参数、电解液流速v和电绝缘液体流量Q等条件参数的关系,研究了加工时间对微通孔形貌特征、成形精度的影响。结果表明:电绝缘液体的出口孔径d结构参数、电解液流速v和电绝缘液体流量Q等条件参数对微坑/微通孔形貌特征、成形精度有很大的影响,合适的电绝缘液体的出口孔径d,大的电解液流速v,小的电绝缘液体流量Q制备的微坑/微通孔的直径较小,深度较大,刻蚀因子较大/θ较小,且其加工精度和表面质量更好。加工时间对电绝缘液体同轴包裹射流电解加工制备的微通孔的加工精度有很大的影响,合适的加工时间可以提高电绝缘液体同轴包裹射流电解加工制备的微通孔的加工精度。当电绝缘液体的出口孔径d=2mm,电解液流速v=10m/s和电绝缘液体流量Q=2.5L/h能制备出高加工精度和高表面质量微坑/微通孔。(3)在优化的结构参数和工况参数下开展了电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微槽实验研究,研究了扫描式电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微槽的形貌特征、成形精度,结果表明:与常规射流电解加工制备的微槽相比,电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微槽的宽度较小,深度较大,且几何尺寸变化区间较小(扫描式电绝缘液体同轴包裹射流电解加工微槽宽:507.2±1.0μm,微槽深:73.15±0.36μm;扫描式常规射流电解加工微槽宽:533.9±2.4μm,微槽深:71.26±0.71μm),其表面更光滑,并且沿着其槽边非加工区域几乎没有杂散腐蚀现象,具有更高的成形精度和加工质量。(4)在优化的结构参数和工况参数下进行了阵列微坑、阵列微通孔以及阵列微槽实验研究,结果表明:电绝缘液体同轴包裹射流电解加工可以制备出具有高精度和高表面质量的微坑阵列、微通孔阵列以及微槽阵列,且制备出的这些微结构阵列具有较高的一致性和可重复性。
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