高温镍基合金冷却孔电解加工流场动力学CFD分析研究

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管电极电解加工冷却孔成形规律不仅受电场、电化学溶解场影响,还与电解液流场相关。在研究管电极电解加工冷却孔成形规律时,应考虑流场影响作用才能反映出比较符合实际工况的冷却孔电解加工特性。本文以高温镍基合金Inconel718板材为工件材料,以Φ0.9mm~Φ1.6mm直径范围的航空发动机涡轮叶片冷却孔为研究对象,基于管电极电解加工冷却孔基础工艺试验及结果数据,构建冷却孔加工区域真实三维流场模型并对其进行CFD数值模拟仿真分析。针对目前存在的流场分布对冷却孔电解加工影响规律不明朗问题,主要研究内容及结论如下:  1.依据电解加工基本原理,结合管电极电解加工特点,从电解液入口压力P、加工电压U及电极进给速度f三个方面进行了冷却孔正交及单因素试验,为流场CFD分析提供建模数据基础。试验结果分析表明:电解液入口压力P、加工电压U及电极进给速度f三加工参数对冷却孔成形精度有直接影响。三者对冷却孔侧面间隙的影响作用从大到小依次为:f、U、P;对加工蚀除率影响大小依次为:U、P、f。  2.基于管电极电解加工冷却孔流场气液两相流特性,对加工区域内气液两相流模型进行了COMSOL流场仿真,模拟出了不同电解加工时间下流场气相、液相分布。仿真结果表明:加工区域内流场气相不均布。气相不均布导致电解液电导率变化,从而对冷却孔成形精度产生影响。  3.对不同加工参数组合下试验所得冷却孔分批次进行了切片处理,通过AxioLab.A1金相显微镜逐层观察切削后冷却孔表面微观形貌并测量冷却孔孔径几何尺寸,采用CAD重构技术逐层复原了冷却孔真实三维加工区域流场几何模型。基于气液两相流动特性,利用FLUENT对该流场进行了数值模拟仿真分析。通过分析不同加工参数下加工区域内流体速度、压力及涡流分布场云图,定性研究了不同加工参数与流场基本关系。并对分析结果进行了试验验证。通过CFD分析得出以下结论:电解液入口压力P对流体流速及速度场分布影响显著;加工电压U对流体涡流场分布有敏感关系,U=9V时,涡流分布区域较少,涡流分布均匀;适中的电极进给速度f可明显改善电解液流场压力分布状态,使负压区域面积为零。结合试验验证,确定了在不同P下所匹配的U和f,优化试验结果表明:当P=0.3MPa时,选用U=9V和f=0.54mm/min;当P=0.4MPa时,选用U=9V及f=0.42mm/min;当P=0.5MPa时,选用U=9V及f=0.30mm/min。以上三组优化试验加工稳定性好,冷却孔单边间隙均小于150μm,同时加工效率高(蚀除率均大于0.4mm3/min)。
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