摘 要：在分析连杆模具电解加工过程的阴极流场的基础上，建立阴极加工间隙内流体流动的三维 物理模型，同时由于电解加工过程中电解液运动是湍流状态，考虑气泡的影响，运用气液两相流 mixture模型，对稳定加工状态时加工间隙中电解液的流场进行三维数值模拟。结果表明：采用计算流体动力学（CFD）方法对电解加工中阴极流场的设计进行理论指导是可行的。
电解加工（ECM）就是利用阳极溶解的电化学反应对金属材料进行成型加工的方法，由于加工速度快，表面质量好，无工具损耗，适于加工复杂的三维型面，尤其是可用于难加工材料的加工，因而成为航空航天和机械加工领域重要的加工工艺之一 。
模具电解加工由于生产率高、加工成本低、重复精度好、模具寿命长等优点，在机械、航空、航天等工业领域获得广泛应用。自20世纪70年代起，随着电解加工从军工生产向民用拓展，电解加工几乎在模具制造业各个领域开花。然后随即暴露出它的精度和棱边锐度不够高，工具阴极设计制造复杂，劳动量大、设备投资大的弱点。之后其应用面逐渐集中 到锻模的制造上， 因硬度高，形状复杂，表面质量要求高，精度则为中等、批量较大，正好适应了电解加工的特点， 因而取得了显著的经济效果 。
在电解加工过程中，应使加工间隙中加工面上各 处的电解液流量充足、 均匀，不发生流线相交及其它流场缺陷，否则可能会在加工表面上产生流纹等疵 病， 影响加工精度及表面质量，严重的是可能发生短路，使阴极和工件损坏。而流场的优劣则取决于阴 极流道的形状结构， 因此要取得合适的流场，必须对阴极流道的形状结构进行合理的设计。利用CFD技术模拟仿真加工整体叶轮时的阴极形状；综合考 虑了实际电场和流场的共同影响，设计航空发动机叶 片的阴极形状。
目前理论研究的主要对象是航空 发动机叶片和整体叶轮，而模具型面电解加工方面研 究较少。以某发动机连杆模具阴极为研究对象，选取加工时使用的电解液流道为模型，采用计算流体动力学（computationalfluiddynamics， CFD）方法对流道中的流场进行数值模拟仿真。
计算流体动力学是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。CFD的基本思想可归结为：把 原来在时间域及空间域上连续的物理量的场，如速度场和压力场，用一系列有限个离散点上的变量值 的集合来代替，通过一定的原则和方式建立起关于这些离散点上场变量之间关系的代数方程组，然后 求解代数方程组获得场变量的近似值 。
1 考虑流场特性的电解加工间隙物理模型
电解加工时，加工间隙中充满了高速流动的电 解液，在阴极析出大量氢气的同时，阳极溶解产生电 解产物。这些析出的气体均以微小气泡形式均匀混合在加工间隙的电解液中， 溶解的电解产物所占体积比很小， 可以忽略其对电解液电导率及密度的影响。因此可近似地把电解加工间隙看作气、液两相 流来处理。下面对电解加工的具体情况作以下假设
1）有关两相成分。假设气泡在液相中不可压缩，均匀分布，且气相状态变化服从理想气体状态方程；气液两相相互之间不存在质量转换的情况，沿流动方向的每一个截面上各相参数均匀分布，即同一截面上气体和液体的流速、温度、压力分别相等。
2）有关平衡加工状态。假设电解加工处于平衡加工状态时，各项参数不再是时间的函数而只是 位置的函数；阳极溶解速度与阴极进给速度相等，加工间隙已达平衡间隙，不再随时间而变化；电解液与 阴、阳极间的热交换也处于热平衡状态。
图1 数值模拟计算物理模型
表1 电解加工连杆模具时的参数
1.1 阴极物理模型及网格划分
以实际加工的连杆模具作为对象，可以确保数值模拟的准确性。加工时采用正流式方法，即具有一定压力的电解液从阴极进液口进入阴极，通过电解液通道从阴极出液口进入加工间隙，使整个加工间隙充满高速流动的电解液。电解加工中流场的形状是由工具阴极外形轮廓、阴极出液口、工件加工型面及加工间隙构成。数值计算的物理模型如图1所示，初步采用加工时的参数如表1所示，以此各项参数来进行该型连杆模具阴极设计模拟。
非结构网格具有良好的自适应性，尤其适合在扭曲严重的不规则区域内使用。就是采用非结构四面体网格。利用Hypermesh软件，对连杆进行了三 维网格划分， 并对网格质量进行检查，其结果是以符合流场数值模拟的要求，最终网格的划分见图2。
图2整体网格
1.2计算模型及边界条件
由于对电解加工间隙中的流场进行的是稳态分 析， 在建模时对流体有以下假设
1）流体为不可压缩的、恒定的牛顿流体，即速度梯度变化时， 动力黏度不变；
2）在电解加工时，为了有利于均匀流场并消除浓度极化，要求加工间隙内电解液的流动呈湍流状态。同时，由于加工区域中电解液流程较小，因此忽略工作过程中工作介质温度变化以及温差造成的能 量耗散，其流动受到质量守恒定律和动量守恒定律的约束。
质量方程
动量方程
式中：ρ为流体密度；U为速度矢量；u， v，w为速度矢量U在x、 y、z方向上的分量；p是流体微元体上的压力；μ为动力黏度；Su、 Sv、Sw是动量守恒方程的广义源项，Su=Fx+sx， Sv=Fy+sy，Sw=Fz+sz；对于动力黏度不变的不可压缩流体， sx=sy=sz=0；Fx、Fy、Fz是微元上的体力。
模型在Hypermesh里网格划分后保存为cas文件， 再导入Fluent求解器，通过检查网格质量，确保最小体积不能是负值， 并通过Skewness方法对网格进行光顺化，只直到“NumberSwapped”为“0”为止。
求解器选用基于压力的求解器，采用隐式算法， 流动为稳态流动。运行环境设置不考虑重力的影响，设定边界条件为进口压力和出口压力，湍流模型采用RNGκ－ε两方程模型进行求解。模型参数设为湍流强度 I和水力直径DH，近壁区采用标准壁面函数法，压力和速度的耦合采用Simple算法，离散格式全部采用二阶迎风格式。连续性方程和动量方 程收敛残差标准均为10－3 。
图3压力等值线图
图4压力云图
图5速度矢量图
仿真计算时采用的进口压力p=1MPa，出口压力选择为大气压力。
1.3 计算结果及分析
通过对模型进行数值求解，并将结果利用速度矢量图和压力等值线图表示。
从计算的结果可以看出，整个加工区域的压力及速度分布比较均匀，连杆大头及中部入口处压力最大，小头压力较小。由图3、图4可以看出连杆小头由于间隙截面积变小，流速增大，压强变小。从图5我们没有发现出现漩涡等现象，根据气液两相流动理论分析，由于气体的膨胀、压缩和密度的变化，从而影响气液两相流动特性的变化，对于改善间隙中电解液流场有明显的效果。
2 加工试验
根据表1的各项参数，对连杆模具型腔进行电解 加工，加工后的型腔表面光滑，加工余量较均匀，实际加工后的模具图如图6所示。根据电解加工理论：在压力大速度小的地方，电解液供给不足，容易产生凸台；而在压力小速度大的地方，有可能形成空穴，加工结果较好的反映了这点。
图6 实际加工后的模具图
3 结论
阴极流场设计是电解加工的关键环节，以连杆模具型腔加工为例，介绍了CFD软件在连杆模具型腔电解加工阴极流场设计模拟仿真中的应用。利用Fluent软件对模具型腔电解加工进行模拟，获得了加工区域的速度和压力分布，大大缩短了研发周期。