Моделирование электрического поля при электрохимическом формообразовании полости тонкостенной детали

Цель – моделирование электрического поля в межэлектродном зазоре в условиях электрохимического формообразования полости тонкостенной детали ракетно-космической техники. В исследованиях использовалось моделирование процесса электрохимического формообразования полости при постоянном напряжении в стационарном режиме в среде COMSOL Multiphysics. Моделирование проводилось для схемы электрохимического формообразования с подвижным катодом с вертикальной и горизонтальной подачей к обрабатываемой поверхности заготовки с поддержанием постоянного межэлектродного зазора. Условия моделирования были приняты следующие: материал трубки катода – нержавеющая сталь 12Х18Н10Т; материал тонкостенной детали – алюминиевый сплав АМг6; электролит – раствор NaNO3. При моделировании электрического поля в межэлектродном зазоре учитывался процесс теплообмена. В ходе моделирования электрического поля при электрохимическом формообразовании полости тонкостенной детали был получен макрос, который позволяет адаптировать моделирование процесса под разные входные условия процесса. В результате моделирования были получены следующие картины распределения: плотности тока в катоде, потенциалов, электрического поля в межэлектродном зазоре и прилегающей к нему области, температуры процесса электрохимического формообразования. Согласно результатам моделирования, установлено, что линии электрического поля направлены к катоду от периферии заготовки. Это означает, что в заданной области происходит анодное растворение материала, что характеризует закон распределения потенциалов в электрохимической ячейке. Согласно полученной при моделировании картине распределения температуры установлено, что ее повышение в зоне обработки незначительное. Показано, что увеличение температуры электролита приводит к пропорциональному увеличению температуры стенки. Таким образом, проведенное исследование дает теоретическое представление изучаемого процесса.

1. Давыдов А.Д., Волгин В.М., Любимов В.В. Электрохимическая размерная обработка металлов: процесс формообразования // Электрохимия. 2004. Т. 40. № 12. С. 1438–1480. EDN: OXEOVN.

2. Rajurkar K.P., Sundaram M.M., Malshe A.P. Review of electrochemical and electrodischarge machining // Procedia CIRP. 2013. Vol. 6. P. 13–26. https://doi.org/10.1016/j.procir.2013.03.002.

3. Седыкин Ф.В. Размерная электрохимическая обработка деталей машин. М.: Машиностроение, 1976. 302 с.

4. Li Shicheng, Ming Pingmei, Zhang Junzhong, Zhang Yunyan, Yan Liang. Concurrently fabricating precision meso- and microscale cross-scale arrayed metal features and components by using wire-anode scanning electroforming technique // Micromachines. 2023. Vol. 14. Iss. 5. Р. 979. https://doi.org/10.3390/mi14050979.

5. Пеньков А.А. Электрохимическая обработка с импульсами наносекундной длительности // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 2. С. 236–240. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2022-2-236-241. EDN: FPFLKT.

6. Kibra G., Bhattacharyya B., Davim J.P. Non-traditional micromachining processes: fundamentals and applications. Berlin: Springer, 2017. 422 p. https://doi.org/10.1007/978-3-319-52009-4.

7. Силкин С.А., Аксенов Е.Н., Ликризон Е.А., Петренко В.И., Дикусар А.И. Локализация анодного растворения жаропрочных хромоникелевых сплавов в условиях импульсной электрохимической размерной обработки // Elektronnaya Obrabotka Materialov. 2019. № 2. С. 1–9. https://doi.org/10.5281/zenodo.2629536.

8. Волгин В.М., Сидоров В.Н., Кабанова Т.Б., Давыдов А.Д. Влияние формы импульсов напряжения на электрохимическую обработку // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2021. № 10. С. 611–618. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2021-10-611-619. EDN: VCNOZJ.

9. Швалева Н.А., Фадеев А.А., Шестаков И.Я. Особенности процесса электрохимической обработки тонкостенных деталей катодом-инструментом // Системы. Методы. Технологии. 2022. № 3. С. 37–42. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2022-3-37-42. EDN: QGYZOY.

10. Сидоров В.Н., Волгин В.М. Моделирование электрохимической обработки вращающимися электродами // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2022. № 5. С. 453–458. https://doi.org/10.24412/2071-6168-2022-5-453-458. EDN: SKIYRU.

11. Ren Zhiyuan, Wang Dengyong, Cui Guowei, Cao Wenjian, Zhu Di. Optimize the flow field during counter-rotating electrochemical machining of grid structures through an auxiliary internal fluid flow pattern // Precision Engineering. 2021. Vol. 72. Iss. 13. P. 448–460. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2021.06.008.

12. Wang Dengyong, Li Jinzheng, He Bin, Zhu Di. Analysis and control of inter-electrode gap during leveling process in counter-rotating electrochemical machining // Chinese Journal of Aeronautics. 2019. Vol. 32. Iss. 11. P. 2557–2565. https://doi.org/10.1016/j.cja.2019.08.022.

13. Wang Dengyong, Wang Qianqian, Zhang Jun, Le Huayong, Zhu Zengwei, Zhu Di. Counter-rotating electrochemical machining of intensive cylindrical pillar array using an additive manufactured cathode tool // International Journal of Mechanical Sciences. 2021. Vol. 211. P. 106653. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2021.106653.

14. Li Jinzheng, Wang Dengyong, Zhu Di, He Bin. Analysis of the flow field in counter-rotating electrochemical machining // Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 275. P. 116323. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2019.116323.

15. Проничев Н.Д., Палютин С.В., Нехорошев М.В. Моделирование электрических полей в электрохимической ячейке в условиях эхо средствами программного комплекса «ANSYS» // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета им. академика С.П. Королёва. 2006. № 2-1. С. 317–321. EDN: IPJAZH.

16. Fukukawa M., Tong L. Effect of mass flow induced by a recipro-cating paddle on electroplating // Effect of Mass Flow Induced by a Reciprocating Paddle on Electroplating: Conference (Boston, 4–6 October 2017). Boston, 2017. P. 1–6.

17. Cao Wenjian, Wang Dengyong, Zhu Di. Modeling and experimental validation of interelectrode gap in counterrotating electrochemical machining // International Journal of Mechanical Sciences. 2020. Vol. 187. P. 105920. https://doi.org/10.1016/j.ijmecsci.2020.105920.

18. Purcar M., Dorochenko A., Bortels L., Denconinck J., Den Bossche B.V. Advanced CAD integrated approach for 3D electrochemical machining simulations // Journal of Materials Processing Technology. 2008. Vol. 203. Iss. 1-3. P. 58–71. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2007.09.082.

19. Purcar M., Bortels L., Van den Bossche B., Deconinck J. 3D electrochemical machining computer simulations // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 149. Iss. 1-3. P. 472–478. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2003.10.050.

20. Bortels L., Purcar M., Den Bossche B.V., Deconinck J. A user-friendly simulation software tool for 3D ECM // Journal of Materials Processing Technology. 2004. Vol. 149. Iss. 1-3. P. 486–492. https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2003.10.051.