Page 111 - 《应用声学》2022年第1期

第 41 卷 第 1 期 黄安楠等： 超声辅助射流电解加工的仿真及实验 107

以计算空气与电解液的流场，其相界面通过水平集 式 (1) 中：η 为电流效率，M 为工件材料的相对分子
模型进行追踪；电化学物理场以计算加工过程中的 质量，Z A 为相对化合价，ρ 为材料密度，F 为法拉第
电场变化；变形几何物理场以计算因材料去除发生 常数，n为单位向量，J n 为加工区域的电流密度。
的待加工工件表面形状的变化。此外，模型采用的 由式 (1) 可知，工件表面变形速度与加工区域
电解液为2 mol/L的NaNO 3 溶液，固体区域选用结 的电流密度具有同样的变化趋势。根据上述仿真
构钢，射流喷嘴直径 D = 0.5 mm，射流喷嘴距离工 结果，在域 IV 下边界取多个离散点的电流密度值，
件表面的高度h = 1 mm。 再结合式 (1) 可拟出在不同电解加工时间下小孔
由于下方工件材料在电化学溶解的机理下实 形状变化曲线，如图 9 所示。小孔的深度随时间的
现材料去除，其去除率与模型的电流密度分布情 推移接近均匀变化，每 2.5 s 的时间内深度增加约
况有关，设置工作电压为 60 V，对上述模型进行
0.025 mm；小孔的形状呈细窄变化趋势。
多物理场耦合仿真。图8 为电解加工时间为 10 s 时
当在电解液中施加超声后，工件表面的声压幅
电流密度仿真结果。由图 8 可知，由于电解液的电
值达到某一固定阈值时，该处材料的去除速度提高，
导率远大于空气，因此电流集中在射流电解液束
并与声压幅值成正比，表现为小孔深度变化更快；根
内；同时电流密度在射流喷嘴前端中心位置较边缘
据前述声场仿真的结果，超声波的作用集中于液柱
位置高。
正下方，中心位置与边缘位置的材料去除速率差值
Hackert-Oschätzchen 等 [21−22] 在研究射流电
进一步增大，表现为改善小孔壁面锥度，过切现象得
解加工时，定义工件表面变形速度V n 为
到了改善。图 10 是施加超声前后小孔形状变化趋
M
V n = η · · n · J n , (1) 势的示意图。
Z A · ρ · F
2400 2400
/(AScm -2 )
/(AScm -2 )
140
2000 2000 16
120
1600 1600 14
100 12
z/µm 1200 80 z/µm 1200 10
8
800 60 800 6
40
4
400 400
20
2
0 0 0
-1000 0 1000 -1000 0 1000
x/µm x/µm
(a) டʹႃืࠛए (b) إٙႃืࠛए
图 8 t = 10 s 时的电流密度
Fig. 8 The current density at the tenth sencod
0 0

-20 -20
-40 -40
z/mm -60 z/mm -60

t=2.5 s
-80 t=5.0 s -80
t=7.5 s ˀҫᣒᡔܦฉ
-100 t=10.0 s -100 ҫᣒᡔܦฉ
-600 -400 -200 0 200 400 600 -600 -400 -200 0 200 400 600
x/mm x/mm
图 9 射流电解加工小孔形状变化 图 10 不施加超声波与施加超声波小孔形状变化对比
Fig. 9 Small hole shape change in electrochemical Fig. 10 Comparison diagram of small hole shape
jet machining change with and without ultrasonic wave