介尺度通道流场流态变化特性的研究——以电化学光整加工极间电解液流场为例

摘要

电化学光整加工(Electrochemical machining,ECM)是利用电化学过程中的氧化还原反应来溶解或者增加金属材料的技术。其加工效果受到电源系统、电解液成分及供液方式等多种因素的影响外，还与加工间隙内电场流场的分布以及各种电解产物排出状况有着很大的关系。由于阴极与阳极之间的间隙狭小，工件表面粗糙元的存在会对小尺度下电解液流动产生比较大的影响，进而影响阳极溶解状态。如果极间状况恶劣会导致工件局部钝化甚至短路烧伤，因此研究介尺度通道流场流态变化特性对得到稳定均匀的电解液流场，提高零件表面加工质量具有重要意义。
　　本文介绍了电解液流动方式对加工表面质量的重要作用，论述了电场及流场的基础理论及关系，分析了流场对电化学反应传质的影响。通过Ansys软件模拟了两种不同形貌的粗糙元对小间隙流场流动的影响，得到了压强分布状态、湍动情况及加工区域内流场速度矢量图。另一方面，为更清楚的研究电解液流场对阳极粗糙元的溶解作用机理，在有限元法的基础上运用Comsol Multiphysics软件建立了极间流场几何模型，探讨了在不同加工时刻下电解液中电解质浓度及电流密度变化原因。得到了流体剪切速率、粘性单元壁升力、湍流耗散率及电势分布情况，计算出了不同时刻阳极轮廓曲线，研究了因工件表面微观形貌变化对极间电流场的影响。实验方面，使用CCD(Charge Coupled Device)相机对流体中粒子的影像进行采集，将示踪粒子的多次曝光图像拍摄并记录下来，与模拟对比进一步证实结果，分析了阳极轮廓形状对极间流场稳定性的影响。
　　结果表明，不同形貌的粗糙元对流场的扰动效果不同，加工初期粗糙元底部较容易形成二次涡流，形成电解液堆积；而加工后期粗糙元峰值的降低使液体湍动更均匀，流动阻力逐渐减小，死角区消失，随着加工时间的延长，电解质浓度逐渐降低、耗散。此外还发现当粗糙元大小及间距不同时，也对阳极溶解速率会产生一定的影响。为消除死区及浓差极化，得到稳定的极间电流场的进一步研究提供参考。