微细电火花加工中工具电极及加工材料蚀除温度场仿真 毕业设计.doc

毕业设计（论文）任务书 专业 机械设计制造及其自动化 班级 机械 072 姓名 xx 下发日期 2011-3-6 题目 微细电火花加工中工具电极及加工材料蚀除温度场仿真 专题 主 要 内 容 及 要 求 主要内容：本次设计的课题是微细电火花加工中工具电极及加工材料蚀除温度场 仿真。通过利用 marc 软件模拟单脉冲条件下微细电火花加工过程中工具电极和工件 的温度场变化。 要求： （1）以传统电火花加工理论为基础，从电火花加工中影响材料放电蚀 除的主要 因素入手，分析微细电火花加工的机理和特点； （2）翻译不少于 5000 字的外文资料； （3）熟悉 marc 软件指令，会利用该软件进行建模，模拟温度场； （4）建立微细电火花的热源模型，通过温度场仿真结果，揭示微细电火花加工过 程中工具电极和工件温度场的变化规律和特性； （5）整理资料、撰写论文，内容不得少于 2 万字，要求内容丰富，图文并茂。 主要技 术参数 脉冲电压 25v ；峰值电流 2.2a ；脉宽 8m ；脉间 20m ； 黄铜，高速钢物性参数曲线图；1/4 模型 ；m5010 进 度 及 完 成 日 期 3.83.15 查找相关资料，熟悉课题内容和相关知识，进行毕业实习。 3.163.21 安装 marc 软件，学习并熟悉软件命令。 3.223.29 查找和学习资料，加深微细电火花加工相关理论知识。 3.304.6 翻译外文资料。 4.74.14 书写论文第一部分，即绪论部分。 4.154.30 书写论文第二部分，即微细电火花加工相关原理部分。 5.15.31 书写论文第三部分，并且学习利用 marc 软件模拟温度场。 6.16.16 反复整理和修改论文，最终完成论文。 6.176.20 做好 ppt,打印和装订论文，做好论文答辩准备。 教学院长签字 日 期 教研室主任签字 日 期 指导教师签字 日 期 指 导 教 师 评 语 指导教师: 年 月 日 指 定 论 文 评 阅 人 评 语 评阅人: 年 月 日 答 辩 委 员 会 评 语 指导教师给定 成绩(30%) 评阅人给定 成绩(30%) 答辩成绩 （40%） 总 评 答辩委员会主席 签字 评 定 成 绩 i 摘要 微细电火花加工是电力、磁力、热力、流体动力、电化学等综合作用的过程，但 其本质是热过程，其中热力在微细电火花加工过程中起了决定性的作用。因此，研究 微细电火花加工中温度场的变化规律是十分必要的。 在本论文中，通过选取合适的热源模型，利用marc软件对单脉冲条件下微细电 火花加工中工具电极和工件的温度场进行了数值模拟，分析了微细电火花加工中工具 电极和工件材料的温度场变化规律，这有助于更加深入的了解微细电火花加工过程中 能量及热传导状况，促进了对微细电火花加工机理的理解。另外，在实际应用中，模 拟微细电火花加工中工具电极和工件材料温度场对于改进其加工方法，预测工艺参数， 提高加工零件表面质量等方面也具有很重要的意义。 关键词:微细电火花加工；温度场仿真；有限元；marc 软件 ii abstract micro-edm is the electrical, magnetic, thermal, fluid dynamics, electrochemistry and other comprehensive process, but its essence is the process of heat, heat played a decisive role in the micro-edm process. therefore, the study of the temperature variation in micro-edm is very necessary. in the paper, by selecting the appropriate heat source model, i used marc software to simulate tool electrode and workpiece temperature field in single-pulse conditions micro- edm, furthermore, i analysed micro-edm tool electrode and workpiece materials temperature variation, which helps me have a more in-depth understanding of energy and heat transfer conditions in micro-edm process, it also promote me the understanding of the mechanism of medm . in addition, in practical applications, the simulation of tools electrode and the workpiece material temperature field for micro-edm can help improving processing methods, predicting process parameters and improving the surface quality,which also has very important significance. key words:micro-edm； temperature field simulation；finite element；marc software iii 目录 摘要 i abstract ii 目录 iii 第 1 章 绪论 .1 1.1 课题研究的目的和意义 .1 1.2 微细电火花加工的研究现状及成果 .1 1.3 有限元法仿真在电火花加工中的应用 .5 1.4 课题的主要研究内容 .7 第 2 章 微细电火花加工的相关原理 .9 2.1 微细电火花加工的基本原理 .9 2.2 微细电火花加工的微观过程 .10 2.3 微细电火花加工的实现条件 .10 2.4 微细电火花加工的工作介质选择 .11 2.5 微细电火花加工过程中的极性效应 .12 2.6 微细电火花加工技术的特点 .13 2.7 本章小结 .14 第 3 章 单脉冲条件下微细电火花加工的温度场仿真分析 .15 3.1 微细电火花加工温度场分析 .15 3.2 温度场仿真软件 .19 3.3 单脉冲温度场的数值模拟 .28 3.4 本章小结 .34 结论 .35 参考文献 .36 致谢 .38 附件 1 39 附件 2 58 1 第 1 章 绪论 1.1 课题研究的目的和意义 对微细加工极限的追求逐渐成为现代制造技术中发展的趋势之一。而微细电火花 加工方法由于具有在加工过程中对工件的宏观作用力小，加工精度高，能加工微三维 结构等特点，在微细加工中具有重要的作用。 微细电火花加工是电力、磁力、热力、流体动力、电化学等综合作用的过程，但 其本质是热过程。在微细电火花加工过程中，对工件的蚀除作用力虽然很多很复杂， 但热力起了最主要的作用。因此，模拟微细电火花加工过程中工具电极和工件的温度 场变化规律对于理解微细电火花加工的机理和特点具有重要的作用，此外，研究温度 场的规律也可以预测工艺参数，这对于改进加工方法，提高工件加工速度，提高表面 加工质量也具有重要的意义。 1.2 微细电火花加工的研究现状及成果 现代制造技术的发展有两大趋势，一个是向着自动化、柔性化、集成化、智能化 等方向发展，即现代制造系统的自动化技术；另一个就是寻求现有制造技术的自身微 细加工极限。 众所周知，传统的机械加工并不擅长加工尺寸极小的形体，随着工程技术领域对 微型机械的迫切需求，微细加工技术正受到人们普遍的关注。由于微细电火花加工 （micro-edm，以下简称为 medm)拥有独特的优点，所以能制成各种极微细的高硬度 （金刚石烧结体，硬质合金等）工具、模具及复杂形状的三维工件。相对于微电子机 械技术而言，微细电火花加工具有设备造价低廉，加工精度高且适应性广，并可加工 出复杂的三维曲面微细结构等特点。因此，微细电火花加工技术将会成为微细三维结 构模具型腔制作的主流技术之一。 电火花加工的成形加工是以孔、沟槽、型腔等凹形工件为主体的一种加工方法。 在多数情况下用其他加工方法，如铣削车削磨削等加工方法也能使工件较容易地加工 出来，所以电火花加工所起的作用便不是唯一的。但是，在进行微细尺寸加工时，例 2 如像切削微细轴这类工件用一般切削方法就会因受切削力等方面的影响而引起弯曲， 此时 medm 便能起重要作用。 微细电火花加工一般应用于以下加工： （1）微细轴、销、棒类的加工。 利用微细电火花加工方法可制成直径为 5m 左右的微细轴及单边为 10m 左右 的异形销等工件。如果用 cnc 控制线电极的导向器位置，还能加工出带有锥度斜面 及螺旋面等复杂形状的凸形工件。此外，只要加工装置的行程允许，能制成很长的棒 形件。 （2）微小孔、2.5 维形状、3 维形状加工。 利用微细电极，日本已能较容易地加工出圆、方、三角形以及各种剖面形状的微 细孔。目前其应用范围是：圆孔直径为 5m 左右；方孔单边为 10m 左右；可加工 材料为金属、合金、导电性陶瓷等；在加工深度上，可以加工出微孔深度超过直径 2 倍或在直径超过 50m 的情形下加工出孔深达到直径 5 倍的深孔。 利用微细电火花线切割能很容易地加工出 2.5 维形状的工件，但是在其拐角处会带 有超出线电极半径的圆弧；3 维型腔加工困难更大。但是最近研制成功的利用简单的棒 状电极，边借助于 cnc 扫描、边进行加工的方法已使 3 维型腔加工成为可能。特别是 当与 wedg 方法相结合时，能加工出拐角锐利的 3 维微细型腔。因此人们可以以此作 为制造微细模具的有力手段。 （3）微小模具加工。 模具制造已成为电火花加工最大的应用领域，而随着一部分模具的微细化， medm 的应用是必然趋势。可以认为，今后在模具尺寸上会提出更加微细化的需求， 因此，有必要以冲压模、压铸模、精密铸造模等模具为中心，按照 100m 以下的尺寸 加工要求来进行应用研究。 以往与微细加工相关的，多数为孔或狭缝加工，而现在已扩大到加工 3 维形状的 型腔及凸形零件，同时还能直接用于加工微细凸透镜及表面装饰用铸模、压印模等模 具。 从总体来说，微细电火花加工技术在国际和国内都取得了较大进展，日本已到了 实用化的阶段。我国目前的微细电火花加工技术和用于该技术的微小驱动装置也已经 取得了阶段性的突破和成果，用微细电火花加工技术已经能制作 15m 的微细轴和 3 19m 的微小孔，接近国际先进水平。 微细电火花加工技术具有电极制作简单、电极与工件间宏观作用力小、可控性好 等优点，微细电火花加工技术已成为微机械制造领域的一个重要组成部分，在精密机 械加工、微电子技术、生物医学工程、航空航天、光学、通讯、模具等领域有着广泛 的应用前景。 结合我国微细电火花成形加工技术的实际情况，比如在电火花成形加工工艺技术 方面，我们有不少能工巧匠，在长期的生产实践中积累了丰富的工艺经验，加工出许 多具有国际领先水平的工件。也就是说，在工艺领域我们具有相对的技术优势，如果 投入一定的技术力量认真研究，我国微细电火花成形加工技术将会有更大的进展和突 破。现在，国际上微细电火花加工技术发展主要有几个趋势，在某种程度上来说，这 也是它的发展特点： 1、精密微细化 微细加工在近代加工技术中是一个新的加工领域。微细电火花加工的极限能力一 直是研究工作者追求的目标之一。 图 1-1 是日本东京生产技术研究所的增泽隆久教授 1加工出的 5um 的微细孔和 2.5um 的微细轴，代表了当前这一领域的世界前沿水平。 图 1-1 5m 的微细孔和 2.5m 的微细轴 德国卡尔斯鲁厄(karlsruhe) 大学和日本东京大学 2利用线电极电火花磨削（wedg) 技术联合开发了硬质合金微型铣刀的加工技术，并利用该铣刀进行了铣削加工试验(图 1-2)。 4 图 1-2 硬质合金微型铣刀及其加工形状 2、智能化 虽然智能控制系统在微细电火花成形加工中得到了大量应用，但仍有许多不完善 之处，需解决一些问题。为此，微细电火花成形加工智能控制系统应重点研究和应用 以下技术。具体为： （1）专家系统的应用。 国外微细电火花成形机床在专家系统方而有了新的进展，加工时可自动选取最优 参数，自动监控加工过程，实现自动化最优控制。 （2）人工神经网络技术的应用。 人工神经网络具有自组织、自学习、容错性和并行处理信息的能力，可以提高对 放电状态、加工效率、放电位置等的预测精度，提高在线实时控制效果，推动微细电 火花成形加上过程控制向更高层次发展。图 1-3 是机床利用人工神经网络自动确定工 艺参数的流程图。 图 1-3 利用人工神经网络自动确定工艺参数的流程图 （3）模糊控制技术的应用。 目前，国外电火花成形机几乎都应用了模糊控制(fc)技术。用模糊控制理论可以 起到替代一个熟练操作人员的作用。即对检测到的间隙放电状态进行模糊推理，以识 别加工是否高效、稳定，由此确定下阶段新的加工参数，来实现加工过程的最优化。 3、个性化 随着生产的需要，各行各业出现了许多特殊的零件与结构，与之对应，为了适应 零件多品种、小批量的特点，微细电火花加工机床的结构和功能也呈现个性化的发展 趋势。 4、高效化 5 近年来在提高微细电火花成型加工效率方面有了新突破。利用非燃性工作液或在 工作液中加入添加剂的微细电火花成形加工机可成倍提高加工速度。新型电源和机器 人技术也已应用到了微细电火花加工机床中，使微细电火花线切割机床的加工速度和 其他性能有了大幅度提高。 1.3 有限元法仿真在电火花加工中的应用 随着计算机技术的不断发展，使仿真技术在工业中得到越来越广泛的应用，其中 数值模拟方法，特别是有限元方法，作为一种先进的科学手段，具有物理意义明确和 易于考虑边界条件等优点，是进行电火花加工机理研究的有效途径。 在工程中，许多问题都可以归结为解某一个特定的微分方程组，但由于实际问题 多种多样，边界条件十分复杂，有限元方法就是把无法用理论方法精确求解的复杂问 题，通过一定的方法转换为可计算的有限单元结构体系，并依靠计算机对原问题进行 近似求解的一种工程计算方法。自上个世纪 80 年代以来，有限元方法就被国内外的很 多研究机构和学者应用到了电火花加工的研究当中，并在温度场等方面的研究取得了 显著的进展。 微细电火花加工温度场的研究工作受到国内外学者的普遍重视。使用高分辨率的 测温仪虽然可以采集温度场数据，但是费用昂贵，而且采集的数据受人为因素影响； 应用有限差分法研究温度场虽有精确度高等优点，但不适用于复杂的边界条件。而有 限元法克服了这一缺点。brevaz，anjali vkulkarni，yadava vinod，j marafona 等分别开展了这方面的研究工作。我国哈尔滨工业大学 3和广东工业大学也相继开展了 这方面的研究工作。 a)电火花加工有限元模型 b)温度模拟结果 6 图1-4 电火花加工的温度场分析 14 jmarafona 4利用有限元法模拟了放电加工的电热过程，模型正极为铜，负极为 钢，放电通道抽象为均匀的圆柱体，使用定半径的表面热源，并对放电后电极和工件 的温度场进行了分析（见图1-4）。模拟结果与实验数据比较后，基本上反映了单脉冲 电火花加工的实际温度场分布情况。 国内也有研究人员曾用有限元仿真方法模拟气中微细电火花沉积加工 5的工具电极 和工件的单脉冲温度场，如图1-5所示，其中工具电极为黄铜，工件为普通高速钢。 图1-5 单脉冲瞬态温度场 他们研究了峰值电流为1.5a时，工具电极放电中心的温度随时间变化曲线，并用 此曲线预测工艺参数划分了范围，并把图1-6阴影区域作为工艺参数的选择区。 峰值电流 i/a 放电持续时间 t/s 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 tm 熔点 tb 沸点 cu(+)tm fe(-)tm cu(+)tb fe(-)tb 图 1-6 气中微细电火花沉积的工艺参数范围图 最后通过实验对模拟结果进行验证，该实验选择在普通电火花成形机床 dp30 上进 行。加工介质为空气，电极材料为黄铜， 0.2mm，接正极；工件为普通高速钢，接 7 负极。从图 3-8 中阴影区域选取了三组工艺参数(见表 1-1)。 表 1-1 沉积黄铜选用的工艺参数 工艺参数 1 工艺参数 2 工艺参数 3 峰值电流 i/a 2.2 4.3 5.4 脉冲宽度 ti/s 4 8 8 脉冲间隔 to/s 30 120 120 使用这三组工艺参数进行加工，均有沉积物生成。如图 1-7 所示为气中微细电火 花沉积加工实例。其中峰值电流和脉冲宽度分别为 2.2a 和 4s，脉冲间隔为 30s。沉 积柱直径 0.22mm，高 1.67mm，加工时间 180min，加工过程中火花微弱，沉积增长缓 慢但十分稳定，沉积效果良好。由此，验证了气中微细电火花沉积温度场的数值模拟 分析对预测其工艺参数适用。 图 1-7 气中微细电火花沉积加工实例 1.4 课题的主要研究内容 微细电火花加工是从传统电火花加工中演变出来的一种新的加工方法，虽然机理 方面和传统的电火花加工并没有本质上的区别，但其能加工微细结构的特点还是与电 火花加工有着很多的区别的。因此，我将以微细电火花加工为研究对象，研究其温度 场方面的一些相关内容。本课题将就微细电火花加工技术的以下问题进行研究： （1）以传统电火花加工理论为基础，从电火花加工中影响材料放电蚀除的主要因 素入手，分析微细电火花加工的机理和特点。 8 （2）建立微细电火花加工的热源模型，用 marc 软件模拟微细电火花加工过程 中工具电极和工件温度场变化。 （3）通过对比气体和液体介质中，不同极性，不同材料的温度场变化，分析和揭 示微细电火花加工过程中工具电极和工件温度场变化规律及特性。 （4）分析模拟工具电极和工件温度场变化对于研究微细电火花加工的重要作用和 意义。 9 第 2 章 微细电火花加工的相关原理 2.1 微细电火花加工的基本原理 工具电极和工件分别接在脉冲电源的两极，两极之间有一定的间隙，间隙充满工 作介质。当两极间加上脉冲电压时，由于工具电极与工件表面微观不平，使极间电场 分布不均匀。工具电极在伺服机构的控制下向工件进给，当极间的间隙减小到一定值 时，导致介质在相对最小间隙处或绝缘强度最低处电离击穿，形成放电通道，在该局 部产生瞬时脉冲火花放电。由于受到放电时磁场力箍缩效应和周围工作介质压缩效应 的作用，通道瞬间扩展受到限制，使放电能量集中于很小的范围内。在放电通道非常 小的空间内将瞬时流过放电电流，电流密度极大，可达 104107 a/cm2。通道中的介质 以等离子体状态存在，其离子与电子的数量几乎相等，因此，该通道是电的良导体并 呈电中性。在这种时间和空间高度集中的情况下，在极间电场作用下，通道中的正离 子与电子高速地向阴极和阳极运动并发生剧烈碰撞，动能转变成热能，在工件表面形 成热源。由于这一加热过程一般只有 10-710-4s，所以 使电极材料迅速熔化、气化。这 些气化后的金属蒸汽瞬时间体积猛增，快速热膨胀，导致气压升高，产生很大的热爆 炸力，使熔融态的电极材料被排挤、抛出而进入工作介质中。在脉冲间隔期间，两电 极间消电离，工作介质恢复绝缘状态。重复上述过程，虽然脉冲放电蚀除的工件材料 量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的工件材料，完成微细 电火花加工。图 2-1 为微细电火花加工装置示意图 6。 1-自动进给调节装置 2-工具 3-工作液 4-工件 5-工作液泵 6-脉冲电源 图 2-1 微细电火花加工装置示意图。 10 2.2 微细电火花加工的微观过程 微细电火花加工过程大致分为以下几个阶段： （1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道。 放电通道是由大量带正电和负电的粒子以及中性粒子组成，带电粒子高速运动， 相互碰撞，产生大量热能，使通道温度升高，通道中心温度可达到 10000 摄氏度以上。 由于放电开始阶段通道截面很小，而通道内由于高温热膨胀形成的压力高达几万帕， 高温高压的放电通道急速扩展，产生一个强烈的冲击波向四周传播。在放电的同时还 伴随着光效应和声效应，这就形成了肉眼所能看到的电火花。 （2）电极材料的融化，汽化热膨胀。 工作介质被电离、击穿，形成放电通道后，通道间带负电的粒子奔向正极，带正 电的粒子奔向负极，粒子间相互撞击，产生大量的热能，使通道瞬间达到很高的温度。 高温向四周扩散，使两电极表面的金属材料开始熔化直至沸腾气化。通道高温高压， 形成了爆炸膨胀的特性。所以在观察微细电火花加工时，可以看到工件与工具电极间 有冒烟现象并听到轻微的爆炸声。 （3）电极材料的抛出。 正负电极间产生的电火花现象，使放电通道产生高温高压。通道中心的压力最高， 金属汽化后不断向外膨胀，形成内外瞬间压力差，高压力处的熔融金属液体和蒸汽被 排挤，抛出放电通道，大部分被抛入到工作介质中。加工中看到的桔红色火花就是被 抛出的高温金属熔滴和碎屑。 （4）极间介质的消电离。 在微细电火花放电加工过程中产生的电蚀产物如果来不及排除和扩散，那么产生 的热量将不能及时传出，使该处介质局部过热，局部过热的工作液高温分解，结碳， 使加工无法进行，并烧坏电极。因此为了保证微细电火花加工过程的正常进行，在两 次放电之间必须有足够的时间间隔让电蚀产物充分排除，恢复放电通道的绝缘性，使 工作介质消电离。实际上，微细电火花加工的过程远比上述复杂，它是电力、磁力、 热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程，但其本质是热过程 6。 2.3 微细电火花加工的实现条件 11 实现微细电火花加工，应具备如下条件： 1、工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离。 在该距离范围内，既可以满足脉冲电压不断击穿介质，产生火花放电，又可以适 应在火花通道熄灭后介质消电离以及排出蚀除产物的要求。若两电极距离过大，则脉 冲电压不能击穿介质、不能产生火花放电，若两电极距离过短，则会造成短路，在两 电极间没有脉冲能量消耗，也不可能实现电腐蚀加工。 2、两电极之间必须充入介质。 在进行微细电火花加工时，两极间一般采用液体介质；进行沉积加工时，采用气 体介质效果更好。 3、输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大。 在火花通道形成后，脉冲电压变化不大，因此，通道的电流密度可以表征通道的 能量密度。能量密度足够大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，从而在被加工材 料表面形成一个腐蚀痕（凹坑） ，实现微细电火花加工。所以，放电通道必须具有足够 大的峰值电流，通道才可以在脉冲期间得到维持。 4、放电必须是短时间的脉冲放电。 由于放电时间短，使放电时产生的热能来不及在被加工材料内部扩散，从而把能 量作用局限在很小范围内。 5、脉冲放电需重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的。 这里包含两个方面的意义：其一，时间上相邻的两个脉冲不在同一点上形成通道； 其二，若在一定时间范围内脉冲放电集中发生在某一区域，则在另一段时间内，脉冲 放电应转移到另一区域。只有如此，才能避免发生电弧和局部烧伤。 6、脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行。 在微细电火花加工过程中中，上述过程通过两个途径完成。一方面，火花放电以 及电腐蚀过程本身具备将蚀除产物排离的固有特性；蚀除物以外的其余放电产物（如 介质的汽化物）亦可以促进上述过程；另一方面，还必须利用一些人为的辅助工艺措 施，例如工作液的循环过滤，加工中采用的冲、抽油措施等等。 2.4 微细电火花加工的工作介质选择 12 微细电火花加工通常在液体介质中进行。工作液密度和粘度较大，压缩放电通道 的能力强，产生较大的爆炸力，强化电蚀产物的抛出效应。工作液的气化、膨胀部分 的去除效果，会对熔化并要转移到工件表面的电极材料有很强的冲刷作用，这对去除 加工十分有利。一般来说微细电火花加工用煤油作为工作液，在放电过程中将发生热 分解，而产生大量的碳，还能和金属结合形成金属碳化物的颗粒，即胶团 7。中性的胶 团在电场作用下可能与其可动层脱离，而成为带负电的碳胶粒。碳胶粒在电场的作用 下会向正极移动，并吸附在正极表面，进而在正极表面生成一层碳黑膜。该层黑膜可 在一定程度上阻止正极表面的损耗，这对传统的去除加工是十分有利的。因此，如果 进行工件去除加工，采用液体介质作为工作液是相对来说是非常合适的。 如果要进行沉积加工，则最好不要选择煤油作为工作液，因为在煤油中加工的时 候，由于工作液气化、膨胀部分的去除效果会对熔化并要转移到工件表面的电极材料 有很强的冲刷作用会阻碍沉积层的形成 8。另外，在煤油中加工时，碳黑膜的形成可在 一定程度上阻止正极表面的损耗，这也不利于沉积加工。 据研究表明，在气体中进行放电沉积加工比较理想，因为在气体介质中加工对沉 积材料的冲击较弱，只有少部分碎屑飞出，对沉积物的形成十分有利。同时，在气体 介质中熔融金属的冷却速度比在液体介质中熔融金属的冷却速度慢很多，使熔化的电 极材料容易附着在工件表面上。另外，气体中进行放电加工时，放电间隙内部不存在 液体加工时的加工屑漂浮现象，放电结束后可以迅速恢复间隙的绝缘状态，减少了电 弧放电的发生，这样更有利于沉积加工的稳定进行 9。 本文在温度场模拟中也考虑在气体和液体介质中两种不同的情况，对两种情况都 进行了分析和研究。 2.5 微细电火花加工过程中的极性效应 在微细电火花加工中存在极性效应，所谓极性效应 10即尽管使用相同材料的电极 和工件，两极的蚀除量仍然存在一定的差异现象。当电极和工件的材料不同时，这种 差异会更加明显。在微细电火花放电通道中，电子和正离子受电场力的作用分别向阳 极和阴极移动。由于电子质量小、加速度大，很容易获得较高的运动速度，并通过碰 撞传递能量给阳极；相比之下，正离子质量大、加速度小，很难获得较高的速度，加 之通道中粒子密度很高的原因，正离子对阴极表面的传能作用很小。所以单纯从带电 13 粒子对电极蚀除的影响角度考虑，在微细电火花加工中应采用工具电极接负极的正极 性加工。 但在煤油介质中进行微细电火花加工，必须充分考虑碳保护膜对正极的保护作用 会对工具电极和工件的蚀除量的变化产生很大的影响。在短脉冲放电条件时，碳保护 膜难以形成，所以不必考虑其保护作用对电极蚀除量的影响。在较长脉冲条件下放电 时，会随加工时间的增加在正极表面形成碳保护膜，而保护膜对正极的保护作用也会 不断增强，这会严重减弱电子轰击对正极材料的蚀除所起的作用，甚至使这种作用逐 渐趋于零，正极表现为零损耗或负增长；与此同时，负极的蚀除量却始终按放电次数 的增加成比例增加，结果导致负极的蚀除量大于正极的蚀除量，所以此时要采用负极 性加工 11。在气体介质中加工时，则不存在炭黑膜的影响，对加工方式的选择主要考 虑极性效应即可。 2.6 微细电火花加工技术的特点 在各种不同的电火花加工应用中，通常把尺寸特别小的加工称作微细电火花加工。 所谓特别小，究竟小到何种程度，目前尚无明确的规定 12。微细电火花加工的原理与 普通电火花加工并无本质区别，不同之处在于其自身的工艺特点。但使用微小成形电 极，利用传统的电火花成形加工方法进行微细三维轮廓加工显然是不现实的。这是因 为形状复杂的微小电极本身就极难制作，而且由于加工过程中严重的电极损耗现象， 使成形电极的形状很快改变而无法进行高精度的三维曲面加工。因此，人们开始探索 使用简单形状的电极，借鉴数控铣削的方法进行微细三维轮廓的电火花加工 13。 由于加工尺寸极小，加工表面更加致密，所以，medm 的关健问题之一便是如何 设定加工尺寸更小的放电条件。目前，medm 应用的放电能量粗加工为 100j，精加 工为 10j 左右，大体上是通常电火花加工能量 1j100j 的 1/10000 左右 14。 由于 medm 的放电能量与通常的电火花加工不同，因而有其自身的特殊状况。电 火花加工是在大气压力条件下进行的过渡性电弧放电。如果脉宽固定不变，就不可能 使电流值减少到最低程度。为此，不得不采取一方面将电流值保持在一定的程度，另 一方面则通过减小脉宽来实现微小能量的简便放电方法。所以，medm 所设定的脉宽 要比一般电火花加工短很多。在这种极短脉冲的放电过程中，形成浓度极低的等离子 放电，而电子流则成为主要的载流子，即变成一种接近于电子束的加工状态，放电能 14 量主要转换为热，最终产生在阳极上。因此，在 medm 中，为降低电极的损耗率，一 般将工件接于正极，电极接于负极。 在使用工具的加工方法中 medm 具有以下的特点： （1）同其他加工法相比，由于 medm 的宏观作用力极小 15，所以能加工细、薄 的工件，不会因工具的弹性变形而使精度受到影响。 （2）能加工硬度高，韧性大的材料。 （3）工具的旋转不再是绝对的条件，由于工具的所有表面都起到加工作用，所以 工具的形状及被加工形状的自由度都很高。 也就是说，medm 在微细程度、加工精度、加工对象的材质以及加工形状等许多 方面同使用其他工具的加工方法相比，有其显著的特点和优越性。 2.7 本章小结 本章研究了了微细电火花加工的基本原理，其本质是个热过程。微细电火花加工 的微观过程为：（1）放电通道的形成；（2）电极材料的融化，汽化热膨胀；（3）电 极材料的抛出；（4）极间介质的消电离。在微细电火花加工中，选择不同的工作介质 适合不同的加工，选择液体工作介质更适合于去除加工，而选择气体工作介质更适合 于沉积加工。在微细电火花加工过程中存在极性效应，即尽管使用同种材料的工具电 极和工件，两极的蚀除量仍然存在差异的现象。最后分析了微细电火花加工技术的特 点，也是这种加工方法的优越性，即宏观作用力极小，加工材料选择性广，加工自由 度、灵活性高等特点。通过这章，可以更深入的了解微细电火花加工的基本理论和特 点，也为对微细电火花加工进行下一步分析和研究奠定理论基础。 15 第 3 章 单脉冲条件下微细电火花加工的温度场仿真分析 随着现代科学技术的发展，数学模型和数值模拟技术的地位和作用越来越重要。 只要通过少量验证试验，证明数值方法在处理某一问题上的适用性，那么大量的筛选 工作便可在计算机上完成。相对于实验来说，这种方法更省时。 微细电火花加工本质上属于电火花加工，主要是一个热过程。放电通道中生成的 大量热能使材料熔化、气化和抛出。通过对微细电火花加工放电过程的温度场进行分 析研究有很多好处，如预测工艺参数，比较清晰的看出能量，热量的分布特点，并且 这对于研究工件表面加工质量也有很大的意义 16。 本章通过建立微细电火花加工的热源模型，利用 marc 软件，对单脉冲条件下的 工具电极和工件的温度场进行模拟分析。 3.1 微细电火花加工温度场分析 3.1.1 微细电火花加工模型假设 微细电火花加工的加工过程具有很强的随机性和复杂性，但它遵循电火花加工和 热力学的基本规律，为了简化计算，对该热模型作如下假设： （1）一个脉冲放电只存在一个放电通道； （2）热传导模型为轴向对称； （3）电极材料为各向同性的均匀物质； （4）不考虑材料的去除问题； （5）热传导过程的辐射热损失转换成对流换热的方式考虑； （6）把放电通道看做等能量密度分布的均匀圆柱体考虑。 3.1.2 热源模型 根据热源形成的机理不同，电极上的热源可以分为体积热源与表面热源两种。体 积热源是放电电流通过电极表面放电点时，由于电阻热效应而产生的，它的形成在很 大程度上依赖于电流的趋肤效应，因此它只有在电流急剧变化时才可能产生大量的焦 尔热；如果放电持续时间较长，放电电流的变化率较小，产生的焦尔热是有限的 17。 16 因此，一般在放电初期或加工不良导体时，它的作用才较明显。在加工优良导体时， 其金属蚀除量只占蚀除金属总量的 12%，基本可以忽略不计。因而在微细电火花加工 中，热源形式将以表面热源为主。 由于放电通道的不均匀性，电极表面热源也是不均匀的。研究表明瞬时放电通道 中带电粒子的密度符合高斯分布，即放电通道中心处带电粒子的密度最高，而边缘处 带电粒子的密度最低，作用在电极表面的平面热源的热流密度呈现高斯分布 18如图 3-1 所示。 qm 图 3-1 热流密度高斯分布示意图 因此，高斯热源是等离子体温度场模拟中使用最广泛的热源模型，是最能反映实 际情况的一种热源。它主要有两个要素：第一，热源在分布区域上的能量；第二，热 源在分布区域的半径，在这里即为放电通道半径。高斯热源的数学表达式 19为 q(r)=qm exp(-k ) (3-1)(2trr 式中 q(r)半径 r 处的热流密度(w/m 2)； qm最大热流密度 (w/m2)； k热源集中系数； r(t)t 时刻放电通道半径(m)。 由于放电时能量比较集中，放电面积很小，高斯分布曲线在无限远处趋近于零， 在放电通道中认为当 q(r)suhmit 1，可运行 marc 分析程序。如有用户子程序被采用， 应单击 user subs file 选项，指明所定义的用户子程序名后，再单击 submit i 运 行。具体菜单界面如图 3-13。 图 3-13 run job 8、可视化处理结果 击 results 后进入后处理菜单打开分析生成的后处理结果文件.t16 或.t19 ，可对 记录在其中的结果信息进行可视化处理。具体菜单界面如图 3-14 所示。 图 3-14 可视化处理 28 3.3 单脉冲温度场的数值模拟 3.3.1 建模及网格划分 放电加工时，放电点相对工件和电极尺寸来说比较小且放电时间短，温度来不及 传导，只有放电点周围的小部分区域受热影响，所以放电加工可视为微小面热源对半 无限大物体的加热。同时因为工件具有几何形状、材料分布和温度条件的轴对称性， 温度场也具有轴对称性，因此，只对放电区域的 1/4 进行分析，尺寸为 100m100m50m。本论文建立的网格模型如图 3-15 所示。 图 3-15 网格模型 3.3.2 材料物性参数设置 金属材料的物理性能参数如比热、导热系数密度等一般都随温度变化而变化，是 非线性的。但是放电加工过程中，放电时间比较短，温度变化范围大，并且温度变化 的速度快。如果不考虑材料的物理性能参数随时间的变化，那么计算结果就会产生很 大的偏差。研究表明材料的各项物理性能对温度场的影响大小不同，热导率对温度场 的影响较大 27。所以为了精确模拟微细电火花加工过程的温度场，材料的热物理特性 都采用随温度变化的取值方式，这样就建立了相关材料参数的工程数据库。模拟中电 极材料为黄铜，工件材料为普通高速钢，它们的材料热物性参数随温度变化曲线如图 3-16 所示。 29 a) 导热系数随温度变化曲线 b) 比热容随温度变化曲线 30 c) 密度随温度变化曲线 图 3-16 普通高速钢及黄铜的热物性参数随温度变化曲线 3.3.3 模拟结果分析 通过模拟得到微细电火花加工的工具电极和工件的单脉冲温度场如图所示，其中 工具电极为黄铜，工件为普通高速钢。选取参数为：脉冲电压 25v ；峰值电流 2.2a ；脉宽 8m ；脉间 120m 。 1、在空气介质中的温度场模拟 （1）工具黄铜接阳极，工件高速钢接阴极。温度场如图3-17和图3-18。 图 3-17 工具电极黄铜温度场 31 图 3-18 工件高速钢温度场 在空气介质中，由工具铜接阳极，工件高速钢接阴极的温度场模拟结果可知，接 阳极的工具电极的中心点温度场的温度高于接阴极的工件的中心点温度场的温度。 （2）工具黄铜接阴极，工件高速钢接阳极。温度场如图3-19和图3-20。 图 3-19 工具电极黄铜温度场 图 3-20 工件高速钢温度场 32 在空气介质中，由工具电极铜接阴极，工件高速钢接阳极的温度场模拟结果可知， 接阳极的工件的中心点温度场的温度高于接阴极的工具电极的中心点温度场的温度。 对比空气中对换极性的工具电极和工件的温度场变化，可以看出，微细电火花加 工中阳极的温度场温度总是高于阴极的温度场温度。但是，在同一电极上，不同的电 极材料所对应的温度场温度不同，铜的中心点温度场的温度高于高速钢的中心点温度 场的温度。 2、在液体介质中的温度场模拟 （1）工具黄铜接阳极，工件高速钢接阴极。温度场如图3-21和图3-22。 图 3-21 工具电极黄铜温度场 图 3-22 工件高速钢温度场 在煤油介质中，由工具电极铜接阳极，工件高速钢接阴极的温度场模拟结果可知， 接阳极的工具电极的中心点温度场的温度高于接阴极的工件的中心点温度场的温度。 （2）工具黄铜接阴极，工件高速钢接阳极。温度场如图3-23和图3-24。 33 图 3-23 工具电极黄铜温度场 图 3-24 工件高速钢温度场 在煤油介质中，由工具电极铜接阴极，工件高速钢接阳极的温度场模拟结果可知， 接阳极的工件的中心点温度场的温度高于接阴极的工具电极的中心点温度场的温度。 对比煤油中对换极性的工具电极和工件的温度场变化，可以看出，微细电火花加 工中阳极的温度场温度总是高于阴极的温度场温度。但是，在同一电极上，不同的电 极材料所对应的温度场梯度不同，铜的中心点温度场的温度高于高速钢的中心点温度 场的温度。 通过对微细电火花加工过程中工具电极和工件蚀除温度场进行模拟，可以得出微 细电火花加工中电极温度场的以下规律特点： （1）阳极的温度场温度高于阴极的温度场的温度，即阳极获得的能量高于阴极获 得的能量。在微细电火花加工中存在的这种极性效应可以作为选择微细电火花加工方 式的重要依据之一。 （2）不同材料作为电极所模拟的温度场变化不相同，在相同条件下，其中铜电极 34 的温度场温度高于高速钢电极的温度场温度。从热导率方面考虑，铜的热导率高于高 速钢的热导率，所以我推断，热导率高的材料作为电极，在相同的条件下，其模拟的 温度场的温度越高。 （3）和在液体介质中相比，在气体介质中进行微细电火花加工时，电极材料获得 的能量更高，相应模拟的的电极的温度场的温度也更高。 3.4 本章小结 本章通过选取合适的热边界条件和放电通道半径等，建立了微细电火花加工的热 源模型，并通过 marc 软件，模拟了单脉冲条件下微细电火花加工中工具电极和工件 的温度场变化规律。在本章中，我分别在气体介质中和液体介质中模拟了工具电极和 工件的温度场，并且在每种加工方法中，都对互换极性的情况进行了模拟。这对于分 析微细电火花加工中工具电极和工件在不同极性、不同边界条件下的温度和能量分布 有重要的作用，通过对温度场模拟仿真，可以知道在不同加工条件下下更适合于什么 加工，这无疑也让我对微细电火花加工有了更深入、更直观的理解。 结论 35 微细电火花加工方法的出现，对整个电火花加工技术和微型机械制造领域的进步 有着重要的意义。温度场模拟对于分析微细电火花加工放电过程中微观的物理本质可 以更直观的，更容易的理解其机理。因此，本文通过理论分析软件仿真技术，对微细 电火花加工的过程中的电极进行了温度模拟，主要工作及结论如下： 1、以传统电火花加工理论为基础，理解了微细电火花加工的基本原理，技术特点 和应用领域。 2、建立了微细电火花加工热源模型。为了便于分析和建模，模型中认为放电通道 半径是等径的，考虑了材料物性参数随温度的变化，应用了有限元方法对单脉冲条件 下的工具电极和工件的温度场进行数值模拟。 3、根据对模拟的结果进行比较，同时也验证了电极间能量分配不均的现象，通过 对比结果可知，在阳极上的能量分布多于阴极的，所以即使是同种材料，同种加工条 件和边界条件下，在阳极上的温度梯度要高于阴极上的温度梯度，即阳极能量分配高 于阴极的能量分配。 4、因为阳极能量分配高，所以在加工时对阳极的蚀除也就相对较大，所以，若是 把加工工件放在阳极上是进行去除加工的必要条件之一，相反，把加工工件放在阴极 上也是进行沉积加工的必要条件之一。 5、通过模拟可以得知在不同峰值电流条件下工具电极和工件中心温度的变化规律， 可以用来预测微细电火花加工的工艺参数范围。这对于选取合适的工艺参数，提高加 工速度和加工质量有着重要的作用。 参考文献 36 1 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