[发明专利]一种迷宫型节流阀微小孔电火花加工孔形及流场仿真方法

权利要求书

1.一种迷宫型节流阀微小孔电火花加工孔形及流场仿真方法，其特征在于：它的方法如下：

步骤一、电火花加工迷宫型节流阀微小孔实验：

(1.1)、实验装备及实验条件：

采用MEDM-150微细电火花机床进行微小孔加工实验，采用机床的RC电源放电，通过控制机床的放电参数，利用主轴和伺服进给机构、工作液循环系统、微细电极制备装置和系统定位功能进行加工实验，并借助机床的CCD图像显示功能和SN108060C高清CCD相机对加工的微细电极和微小孔进行观察测量分析，最后再利用SU3500日立钨灯丝扫描电镜对加工后的微小孔孔形和尺寸进行观测；

(1.2)、微细电极的制备：

利用反拷加工原理进行电火花微细电极的制备，采用负极性加工，通过蚀除电极表面材料，来减小电极直径，从而达到所需要的尺寸；

(1.2.1)、微细电极的反拷加工：

制备微细电极的材料选用直径为0.5mm的钨电极丝，首先用粗加工的放电参数对直径为0.5mm的钨电极反拷加工至200μm，再采用精加工放电参数分3次将电极加工至100μm；

(1.3)、迷宫型节流阀微小孔的电火花加工实验：

(1.3.1)、不同放电参数下微小孔加工实验：

采用响应曲面法对多个变量的交互影响进行优化试验；

响应曲面法有一阶响应曲面模型和二阶响应曲面模型；采用一阶模型来逼近最优解以加快逼近速度，公式如下：

式中：β_i为x_i的线性效应；

在当前试验因素的水平值靠近曲面的最优位置时采用二阶模型来逼近最优解以提升精度，模型如公式(2-2)；

式中：β_i为x_i的线性效应；β_ii为x_i的二阶效应；β_ij为x_i与x_j的交互效应；

利用BBD设计方法进行了电火花放电加工参数对吸收能量的影响规律的仿真实验设计，以微小孔的入口直径(D₁)、微小孔的出口直径(D₂)为响应指标，由于本实验所用机床的电源为RC电源，放电能量与电容充电放电状态有关，故以电阻、脉冲间隔和电容3个放电参数为变量因子，设计了3因素，3水平，2响应，共17组不同加工参数的加工实验；

采用Design-Expert实验设计软件进行实验规划以及实验数据的分析处理，并生成响应曲面图来映射各因素与响应值之间的函数变化关系；

(1.3.2)、实验结果分析与多响应参数优化：

使用二阶模型来拟合两个响应和3个因素之间的关系，分别用a、b、c来表示电容、脉间和电阻；根据BBD实验设计法的思想和实验数据，对D₁和D₂两个响应与相关因素变量的函数关系做多元回归拟合如下：

通过Design-Export软件对D₂和D₁进行方差分析和显著性检测，通过对各因素的显著性水平进行检验，可以得到不同加工参数对孔径影响的相关度；

(1.3.3)、不同厚度工件下的微小孔加工实验：

通过以上对电火花放电加工参数对孔径的影响分析，选取合理的电火花放电加工参数进行微小孔的加工实验，并研究在相同放电参数条件下，不同工件厚度对微小孔孔形的影响；

(1.3.4)、实验结果与分析：

使用以Matlab软件为代表的计算机模拟仿真方法结合实验方法进行研究逐渐成为有效方法；

步骤二、迷宫型节流阀的流场仿真：

(2.1)、迷宫型节流阀微流道的流场仿真模型的建立：

(2.1.1)、迷宫型节流阀微流道模型的建立及网格划分：

由于ANSYS仿真软件具有丰富的数据处理能力，该软件的不同模块可以根据目标的结构特性划分不同精度的网格，同时也适用于对流体进行的难以分析动态仿真，迷宫型节流阀微流道模型内具有大量的三维微结构，假设流体充满整个微流道并进行连续流动，采用Solidworks三维建模软件分别建立具有不同的孔形微结构的迷宫型节流阀流体微流道模型，

(2.1.2)、仿真模型边界条件及参数设定：

流道的入口处设有压力控制模块将储气罐中的高压氙气减压并稳定在0.35Mpa；故将模拟太空中飞行器的实况，以氙气作为动力源介质；将其流体参数添加到仿真材料数据库中直接进行使用；采用Realizable k-epsilon模型来进行模拟分析；FLUENT模块对的有限体积法可分为耦合和非耦合两种算法；

(2.2)、迷宫型节流阀微流道的流场仿真结果及分析：

对具有不同孔形结构和流体流向的迷宫型节流阀微流道的流体流动过程进行流场仿真分析；主要针对直孔孔形、喇叭孔孔形结构和流体流向对微流道流体流动情况进行研究，所有微流道模型的仿真分析的残差函数曲线都控制在了1e^-03以下的平稳状态，满足收敛条件；

(2.2.1)、直孔结构的迷宫型节流阀微流道的流场仿真：

将具有微小直孔，孔径为108μm结构的迷宫型微流道的氙气流动情况进行数值模拟后可得该微流道的流体压降和质量流数据结果根据微流道机理分析可知，流体每经过一次节流微小孔其都会产生明显的压降，具有微小直孔结构的迷宫型微流道的进出口总压压降为0.3488Mpa；微流道入口处的质量流为1.94mg/s，出口处的质量流为1.20mg/s，其出口处的质量流小于入口处的质量流，具有直径为108μm微小孔的迷宫型节流阀的量程要求一般控制在0.02mg/s～15mg/s，精度一般在±2％以内，

(2.2.2)、单向喇叭孔结构的迷宫型节流阀微流道的流场仿真研究：

分别对单向喇叭孔结构的迷宫型节流阀微流道的流体正向流动、反向流动和交替流向流动的微流道模型进行仿真分析；

步骤三、系列化单向喇叭孔形迷宫型节流阀的流场仿真：

(3.1)、系列化迷宫型节流阀微流道模型的建立：

建立系列化单向喇叭孔的迷宫型节流阀的微流道流体模型时，取系列化孔的深度分别为0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.6mm，其对应的深径比分别为2、3、4、4.5、5.5，采用阵列电极加工阵列微小喇叭孔，因此建立了微小喇叭孔朝向相同的微流道模型，此时流体的流向为交替流向；

分别进行深径比为2、3、4、4.5、5.5的单向喇叭孔微流道的流场仿真研究；具有深径比为4.5喇叭孔结构的迷宫型节流阀微流道在流体交替流向时的压降效果最好，总压降为348.68KPa。