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微细电火花加工

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微细电火花加工数值模拟（带cad和文档）,微细电火花加工

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毕业设计（论文）任务书I、毕业设计(论文)题目：微细电火花加工数值模拟II、毕 业设计(论文)使用的原始资料(数据)及设计技术要求：本课题旨在对微细电火花加工进行数值模拟。电火花加工是利用工具电极与工件间 火花放电对工件进行逐层蚀除来实现零件的加工。由于电火花加工受多种因素综合影响、制约着整个放电过程的进行。利用有限元分析软件，可对加工过程进行初步模拟分析。研究主要要求如下：（1）加工材料为不锈钢，厚度为200m，加工电极为直径50m的钨电极。（2）加工间隙为5m，加工孔径为150m，加工速度为30m/min。（3）加工介质为火花油，其介电常数为2.05。（4）进行电场分析，加工电压为0-10V。（5）进行加工温度场分析，设置放电脉宽为50m、100m。III、毕 业设计(论文)工作内容及完成时间：1. 查阅相关资料，外文资料翻译（6000字符以上），撰写开题报告第1周第2周2建立电场分析的数学和物理模型 第3周第5周电极不同形态对电场间电势及电场分布的影响；极性对电场分布的影响。 2011.03.21 2周3分析加工电场分布，电极状态对电场影响 第6周第9周4建立温度场分析的数学和物理模型 第10周第11周5分析脉宽、加工时间等对温度场的影响 第12周第13周6撰写毕业论文 第14周第16周7. 毕业设计审查、毕业答辩 第17周 、主 要参考资料：1 赵万生，王振龙，郭东明.国外特种加工技术的最新进展J，电加工，1999，（5）：9-122 余承业.特种加工新技术M，北京，国防工业出版社，1995：283 基于RC微能电源的微细电火花加工数值模拟和试验研究.南京航空航天大学硕士学位论文，20084 Shankar P. Analysis of spark profiles during EDM processJ, Machining Science and Technology, 1997,(1):1952175 孔祥谦.有限元法在传热学中的应用M，北京，科学出版社，1998：103航空与机械工程 系 机械设计制造及其自动化 专业类 0781052 班 学生（签名）： 填写日期： 2011 年 01 月 03 日指导教师： 助理指导教师(并指出所负责的部分)：机械设计制造及其自动化系（室） 主任： 贺红林 附注:任务书应该附在已完成的毕业设计说明书首页。学士学位论文原创性声明本人声明，所呈交的论文是本人在导师的指导下独立完成的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含法律意义上已属于他人的任何形式的研究成果,也不包含本人已用于其他学位申请的论文或成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式表明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名： 日期：学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权南昌航空大学科技学院可以将本论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 作者签名： 日期：导师签名： 日期：南昌航空大学科技学院学士学位论文 微细电火花加工数值模拟 Numerical simulation of micro EDM 南昌航空大学科技学院学士学位论文 II 摘摘 要要: : 微细电火花加工是一种微细特种加工工艺方法，在微机械以及微细结 构加工领域具有举足轻重的地位。由于 RC 微能电源简单可靠，在微细电火花 加工中得到了大量的应用。为了深入对微细电火花加工机理的认识，进一步提 高微细电火花加工能力和效率，本文进行了相关的数值模拟和试验研究，在理 论研究上和工程应用上取得了一些结论。 本文主要研究内容如下： 1针对 RC 微能电源，建立了极间电场物理模型，采用数值模拟方法，探 讨了电极形状、加工间隙等对电场分布的影响，掌握了相关的电场分布规律。 2根据传热学理论，建立了微细电火花加工工件表面的热物理模型，采 用数值模拟方法，考虑热物性参数、对流换热、相变潜热等随温度变化的影响 因素，掌握了工件表面温度场分布，得出了微细电火花加工极间温度场的分布 规律。 3在上述研究基础上，采用微细电解方法在线制作柱状钨电极，合理选 择工艺参数，进行了微细电火花加工试验，并分析了电参数对加工尺度和效率 的影响，获得了三组应用于不同加工场合下优化的电参数。 关键词关键词：微细电火花加工，加工能力，效率，数值模拟，电场，温度场，电参 数 指导老师签名：指导老师签名： 南昌航空大学科技学院学士学位论文 III ABSTRACT: Micro EDM(electric discharge machining) is a kind of special machining technique for micro machining .It has the pivotal status in the domain of micro machine as well as the micro structure processing . To raise the processing scale and the efficiency, this article has carried on the related numerical simulation and experimental study, and has made some progress in the fundamental research as well as the engineering application. Main content of this article is as follows: 1. Using the numerical simulation method, electric field distribution influenced by the electrode geometry and the machining polarly has been discussed. Also, the related electric field distributed rule of the micro EDM has been got. 2. According to heat transfer theory, the thermal physical model of work pieces surface in micro EDM has been established, using the numerical simulation method, considering some factors influenced along with the changing of temperature such as the thermal natural parameter, the heat convection, the latent heat and so on, the temperature field distribution of the work pieces surface has been grasped, and distributed rule of the interelectrode temperature field in micro EDM has been obtained. 3. Basing the research foundation above, using the micro electric chemical machining to manufacture columnar tungsten electrode on-site, choosing the reasonable technological parameter, micro EDM experiments have been carried on. Also, the influence to the working accuracy and the efficiency caused by electrical parameter has been analyzed. Whats more, three groups optimized electrical parameter have been obtained to apply in the different manufacturing places. Key words: Micro EDM, Processing capacity, Efficiency, Numerical simulation, Electric field, Temperature field, Electrical parameter 南昌航空大学科技学院学士学位论文 IV 目 录 第一章 绪论1 1.1 引言1 1.2 数值模拟在电火花蚀除机理研究中的现状2 1.3 微细电火花加工的现状和发展5 1.3.1 微细电火花微能电源的介绍 .5 1.3.2 微细电火花加工的研究现状和发展 .6 1.4 课题背景意义9 1.5 本文主要内容及章节安排.10 第二章 微细电火花加工数值模拟.12 2.1 基于微能电源电火花加工极间电场分析.12 2.1.1 概述及物理模型 12 2.1.2 电火花电场数学模型 13 2.1.3 电火花电场的求解 14 2.1.4 ANSYS 电场的仿真 .16 2.1.5 影响电场分布因素的探究 20 2.2 放电状态下的极间的物理过程.22 2.2.1 温度场模型的建立 22 2.2.2 温度场模型的求解 24 2.2.3 温度场的仿真 27 2.3 本章小结.32 第三章 微细电火花加工试验研究33 3.1 试验设备微细电火花机床介绍.33 3.2 试验电极的制作.34 3.3 常用材料性质.35 南昌航空大学科技学院学士学位论文 V 3.4 极性及电参数对微细电火花加工的影响.36 3.4.1 极性对微细电火花加工的影响 .36 3.4.2 电容对微细电火花加工的影响 39 3.4.3 空载电压对微细电火花加工的影响 40 3.4.4 脉宽对微细电火花加工的影响 42 3.4.5 脉间对微细电火花加工的影响 45 3.4.6 试验结果及讨论 47 3.5 本章小结.50 第四章 总结和展望.46 4.1 全文总结.46 4.2 研究展望.47 参考文献.48 致谢.51 南昌航空大学科技学院学士学位论文 VI 图表清单 图 1.1 融合多学科的放电加工技术2 图 1.2 独立式微能脉冲电源6 图 1.3 微小孔、微缝样品7 图 1. 4 微细轴加工实例8 图 1.5 4.5m 的微细轴8 图 1.6 槽阵列9 图 1.7 微细电火花加工中心加工出的样品9 图 2.1 电火花加工物理模型13 图 2.2 电火花加工边界示意图13 图 2.3 二维模型及网格划分示意图15 图 2.4 ANSYS 中建立的模型17 图 2.5 模型的网格划分18 图 2.6 极间电场分布云图19 图 2.7 极间电势分布云图19 图 2.8 极间电场矢量图20 图 2.9 不同电极形态下的极间电场分布21 图 2.10 不同加工间隙下的极间电场分布22 图 2.11 电火花加工极间热模型23 图 2.12 固液相变区随温度变化的曲线26 图 2.13 传热模型的建立29 图 2.14 模型的网格划分30 图 2.15 不同脉宽作用下的工件温度场分布31 图 2.16 不同热流密度作用下的工件温度场分布32 图 3.1 微细电火花加工系统机械构成图34 图 3.2 空载电压对加工间隙和 N 的影响38 南昌航空大学科技学院学士学位论文 VII 图 3.3 脉宽对加工间隙和 N 的影响40 图 3.4 脉间对加工间隙和 N 的影响42 图 3.5 电参数（一）加工结果43 图 3.6 电参数（二）加工结果44 图 3.7 电参数（三）加工结果44 表 2.1 各物性参数随温度变化28 表 3.1 常用材料的热学物理常数35 表 3.2 不同空载电压下的试验数据37 表 3.3 不同脉宽下的试验数据39 表 3.4 不同脉间下的试验数据41 表 3.5 优化放电参数（一）43 表 3.6 优化放电参数（二）43 表 3.7 优化放电参数（三）44 南昌航空大学科技学院学士学位论文 VIII 注释表 脉冲放电蚀坑直径D 脉冲电流幅值 m I 脉冲宽度 k t 直流电源电压U 充电电压上限阀值 h U 放电电压下限阀值 l U 放电间隙平均维持电压 e V 电容器储存能量 c W 单次脉冲放电能量 g W 充放电频率f 单个脉冲能量 s W 放电时随时间而变化的电压 ( )u t 放电时随时间而变化的电流 ( )i t 单个脉冲实际放电时间 e t 比热容c 密度 导热系数 放电中心处最大热流密度 m q 热量集中系数k 熔化温度 m T 温度范围 0m T 误差补函数 erfc 南昌航空大学科技学院学士学位论文 0 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 引言引言 随着微型机械、精密机械、微机电系统、生物医学以及医学工程等技术的 发展对微细加工技术提出了更高的要求，强有力地推动了微细加工技术的发展。 微细加工技术己逐步成为当今生产制造技术中的一个重要分支1。微细电火花 加工技术作为一种经济适用的微细加工技术，正受到世界各国学者的普遍关注， 特别是在通用电火花机床上实现微细电加工有着较为现实的实用意义。 电火花加工的方法，是利用工具电极与工件间的火花放电对工件进行逐层 蚀除来实现零件的加工2。相对于其它微细加工技术而言，微细电火花加工设 备简单、可实施性强。电火花加工的加工力小，对机床的刚性要求不高，适合 进行高精度加工，所以在学术界和工业应用领域对微细电火花加工的研究日益 活跃3。 由于电火花加工是一种极为复杂的随机过程，多种因素综合影响、制约着 整个放电加工过程的进行。因此近几年来，电火花放电机理研究没有取得突破 性进展4。脉冲参数、冲液方式以及碎屑的排出等因素，使整个电火花放电过 程在正常放电、拉弧、短路和空载 4 种基本状态的变化中进行转换。就单个脉 冲而言，也存在上述状态之间的转化。因此在进行电火花加工研究时，监测、 识别放电状态，辨别各种放电对加工结果的影响，以便对放电参数进行相应调 整，避免有害放电，保证电火花放电加工顺利进行。随着电火花加工技术的不 断发展，尤其是工艺理论及控制理论的不断发展，电火花加工基础理论的发展 相对落后。这使得整个电火花加工技术的发展受到限制。这种状况主要是由放 电加工过程的复杂性和随机性决定的。放电加工是一个涉及传热学、冶金学、 流体力学、物理化学及电磁学等多学科的复杂的加工过程，如图 1.1 所示。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 1 图 1.1 融合多学科的放电加工技术 许多学者己对放电加工的基本原理进行了研究，人们对放电加工机理的认 识也在不断深入，但由于放电过程过于复杂，并且具有一定的随机性，至今还 没有一套完整的理论可以解释极间放电过程5，极大地限制了电火花加工的进 一步发展。对极间状态的探索是电火花机理的研究重点，越来越多的研究者通 过有限元法对极间状态方程进行数值求解，并得出一些结论。 同时，微细电火花加工技术在机械、仪器、电子、生物医学和航空等领域 的应用越来越广泛，特别是在机械领域，这项技术在微细轴、微细孔加工以及 微三维结构制作(不只限于微小零件)及精密模具制造方面所显示出的潜力无疑 是十分巨大的。对于微细电火花加工而言，我们不仅要降低其宏观尺寸，更重 要的是控制加工精度。精度是其生命线，如何控制精度，正逐渐成为研究重点。 1.21.2 数值模拟在电火花蚀除机理研究中的现状数值模拟在电火花蚀除机理研究中的现状 南昌航空大学科技学院学士学位论文 2 由于电火花极间物理状态复杂，所以描述极间状态的数学方程也非常复杂， 求得方程的解析解将十分困难。随着计算机仿真技术在工程中的应用越来越广 泛，更多的研究人员、工程技术人员利用仿真技术辅助研究，以指导、优化工 程应用。仿真技术是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统的物理量及其随 时间变化过程。通过对仿真试验过程的观察和估计，得到被仿真系统的仿真输 出参数和基本特性，由此来估计和推断实际系统的真实参数和实际性能，以便 适当选择、优化工艺参数。通过计算机仿真技术对电火花加工过程中的电场进 行模拟，以便更好的认识放电机理及其过程。目前研究主要集中在对工件的温 度场的研究，另外，也有一些学者开始对极间的流场进行研究。 有限元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。通过对单元划分进行控制，可以在要求的精度范围内逼近原问 题的真解。自上世纪 80 年代以来，国内外很多研究机构和学者都对有限元法 在电火花加工中的应用进行了大量的研究，在温度场、应力场、放电通道形状、 材料相变、电蚀坑形状等方面的研究取得了显著进展。 Yadava Vinod 等6用基于数学模型的有限元法来模拟电火花磨削加工中的 温度分布。由于磨削加工和电火花加工的热源不同，磨削热源采用移动矩形热 源模型来确定，电火花加工热源用高斯分布热源模型来模拟，采用两者叠加的 原理，应用有限元计算，得到电火花磨削加工中工件的温度分布。计算结果显 示在火花放电点温度急剧上升，预测结果可以用来计算热应力。 广东工业大学郭钟宁等7利用有限元法模拟了放电加工的电热过程，模型 抽象为均匀圆柱体热源和定半径表面热源的有限开放系统模型，并对放电后电 极与工件的温度场进行了分析。基本上反映了单脉冲电火花加工的实际温度场 分布情况。 山东大学的张建华8等人对单脉冲放电加工温度场进行了研究，理论推导 了单脉冲放电温度的计算公式。实验研究了单个脉冲火花放电蚀除工件材料的 凹坑。研究结果表明，凹坑的大小随着放电电压、放电电流和脉冲宽度的增大 南昌航空大学科技学院学士学位论文 3 而增大。对单脉冲放电加工温度场进行了模拟，分析了放电凹坑形状的影响因 素，为实际加工中加工参数的优化提供了理论依据。 哈尔滨工业大学闫换新9从流场理论出发，采用固液两相流理论建立了间 隙流场体运动数学模型，对间隙流场中流体的运动和浓度分布进行了实时仿真， 通过流体运动和电火花加工实验，证明建立的数学模型和计算方法是正确的， 并提出了电火花加工间隙流场研究的方法。 Mulik R S 等10应用有限元法研究单脉冲电解电火花加工中的热应力。应 用高斯分布热流模型，在单脉冲放电的影响区域内应用有限元模型来预测温度 分布，基于温度分布计算热应力。热应力分析结果显示在高温梯度区域和大应 力区域，热应力有时超过材料屈服强度。 Yadava Vinod 等1112应用有限元法来预测电火花金刚石磨削中的热应力。 首先，用有限元法计算工件的温度，然后用这个温度场估计热应力。对热应力 分布的磨削和进给的时间效应给出了分析。同时，应用有限元法分析电火花加 工中的热应力。分析不同的工艺参数(电流，工作载荷)在温度分布和热应力分 布中的不同效果，分析显示高温梯度区和大应力区，热应力有时超过材料的屈 服强度。 Das Shuvra13等对电火花加工过程提出一种基于有限元的模型。模型用脉 冲宽度等加工参数来预测瞬时温度分布，液、固态物质的转换，单脉冲放电产 生的残余应力。在一定的范围内，该模型通过数据验证是有效的。 Rebelo J C14等应用有限元法对残余应力进行分析，建立了基于有限元的 单脉冲模型来计算电火花加工中不同放电能量所造成的残余应力。模型采用轴 对称单元，计算的残余应力层与试验结果一致。 Shankar P15用有限元法对电火花加工中放电通道形状进行分析。基于放电 电弧的物理性质和热传导理论，应用有限元法，同时得到了火花放电区域的电 势和温度的平衡场。用在放电的每个横截面上电流恒定的原则，不同横截面上 的电弧半径直到收敛才被修正。最终获得的放电通道形状是非圆柱形的，即在 不同的横截面上半径不同。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 4 1.31.3 微细电火花加工的现状微细电火花加工的现状和发展和发展 1.3.11.3.1 微细电火花微能电源的介绍微细电火花微能电源的介绍 在电火花加工中，脉冲电源的作用是把工频交流电转换成一定频率的单向 脉冲，供给电极放电间隙所需的能量来蚀除金属，按间隙状态对脉冲参数的影 响可将微能脉冲电源分为非独立式和独立式。从目前的使用来看，非独立式多 使用 RC 线路脉冲电源，所谓“RC 线路”是指电阻电容串并联组成的电路，而 独立式则主要使用功率开关管作为主回路的开关控制元件。 独立式脉冲电源的特点是放电脉冲的发生与间隙状态无关，而是由置于直 流电源和放电间隙之间的开关元件控制的。脉冲发生部分控制功率级开关管的 导通和关断，实现电火花加工过程的击穿延时、火花放电、消电离 3 个状态的 循环往复。在使用独立式晶体管脉冲电源进行电火花加工时，放电间隙存在 2030 V 的维持电压，因此要减少单次脉冲放电能量至微细电火花加工要求的 10-610-7J ，主要是减小脉宽和峰值电流，最小脉冲宽度应压缩到 1s 以下， 峰值电流应小于 1 A。 为了减小间隙状态对电路关断过程的影响，R.Snoey 等人采用了加速电路 的办法，即在间隙两端并联了一个同类型的 MOSFET 功率开关管来加速极间 电压的关断过程，并得到了脉宽小于 100 ns 脉冲16 。哈尔滨工业大学的何广 敏博士和张勇博士深入研究了影响脉冲电源获得窄脉宽的因素，并对 R. Snoey 的电路进行改进。进一步分析发现，间隙电阻在采用加速电路后的电路中的作 用并不大，其主要作用为对电源分压后产生脉冲电源的开路电压。因此张勇直 接用一个开关管代替间隙电阻，不但省略了分压环节，使电路得到简化，且也 能达到同样的效果17 18 。 在日本农业科技大学做研究的韩福柱开发了一种微能脉冲电源，该电源使 用等脉冲模式，可将电流脉宽控制在 30 ns19 。电路原理如图 1.2 所示。该电 路可以进行中、精加工，通过转换开关 P1 和 P2 来切换，处于下面位置时为 中加工，扳到 SW 位置时为精加工。检测电路使用了一种电流感应器，它的响 应频率高达 2 GHz ，输出为电压低于 5 V ，可直接用来接入脉冲控制电路， 南昌航空大学科技学院学士学位论文 5 免去了传统的脉冲电源检测电路中存在的分压和隔离等环节，使得电路简化且 反馈的电路延迟很小。在精加工时，加工电流为分组脉冲方式。当间隙击穿时， 电流感应器检测到有电流，于是能推动三极管电路将开关管 FET2 关断，使放 电过程结束;当电流传感器检测不到电流时又使开关管 FET1 打开，经过击穿延 时后间隙再次击穿放电，如此循环，可看出，放电的时间只是在检测环节的电 路延时，故可把频率做得很高。当加工进行一段时间以后，可关断 FET1 来产 生一个较长的消电离时间使间隙恢复绝缘防止电弧型放电。对比试验表明，该 电源比相同加工参数时的 RC 电源加工速度提高两倍以上，加工的微细轴表面 粗糙度值也有明显降低。 图 1.2 独立式微能脉冲电源 RC 式脉冲电源结构简单，工作可靠，成本低，最重要的是它可以产生脉 冲宽度很小的窄脉冲，并且理论充放电频率可以达到 20MHz，因此目前微细电 火花加工多数使用 RC 式脉冲电源。当存在极间电压检测回路时，接在两极间 的导线上存在的寄生电容也会增大放电回路的寄生电容值，使微细电火花放电 时的能量增大。要减小单次脉冲放电的能量，就要减小 RC 线路的电容和电压。 为了减小寄生电容，常常使用陶瓷部件或用花岗岩制作机床的工作台和基座。 RC 式脉冲电源也存在不足之处，用于微细加工必须要采取相应的措施，提高 放电的可控性和工艺参数稳定性。 1.3.21.3.2 微细电火花加工的研究现状和发展微细电火花加工的研究现状和发展 南昌航空大学科技学院学士学位论文 6 微型机械与微机电系统的发展强有力的推动了微细电加工技术研究的不断 深入与进步。目前对微细电火花加工技术的研究可以分为两大类：微细电火花 工艺研究和微细电火花设备研究。其中微细电火花工艺研究从工艺方面入手， 包括微细电极制备工艺、微细孔加工工艺技术的研究等；而微细电火花设备研 究主要从设备出发，研究适合微细加工的机床结构、更小的放电电源、微细电 极制备装置以及微细孔加工辅助装置等。 目前，发达国家的微细电火花加工技术已进入工业应用阶段，甚至商业销 售阶段，如日本松下精机、瑞士夏米尔等公司都有较成熟的产品。其中日本松 下精机的产品性能最优，约需 20 万美元左右，且对我国禁运。另外，日本东 京大学的增泽隆久、丰田工业大学的毛利尚武等学者正在研制开发的机床也都 具有很高的水平，是该研究方向上的主要代表20。日本松下精机生产 MGED82W 是目前国际上功能最强的一种商品化高精度微细电火花加工机床。 该机床的脉冲电源采用 RC 微能驰张式电源，其最小脉冲能量可达 10-7 J，是传 统电火花加工电源能量的 1/10 到 1/100。为了减少寄生电容对加工过程的影响， 机床采用了陶瓷材料做主要零件。此外，机床还配有加工状态监测的显微测量 系统和 WEDG 单元。在机床上可完成微细电火花微轴加工(WEDG)、微孔加工、 三维结构铣削加工、成型加工等多种电火花加工。图 1.3 为用 MGED82W 加 工的 10m 和宽 10m 的微孔和微缝的样件照片。该机床可用于各种微小 轴、孔、三维曲面、型腔的加工，适用于微加速度计、微力传感器、微喷头等 微机电系统的研制生产。 图 1.3 微小孔、微缝样品 南昌航空大学科技学院学士学位论文 7 国内在微细电火花加工研究方面，南京航空航天大学起步较早，上世纪九 十年代宋小中博士利用研制以步进电机为执行件的电火花微细加工装置进行了 微细电极、微细轴类零件的工艺实验，曾经加工的微细轴轴径达到 20m200m21。 近几年，哈尔滨工业大学在微细电火花加工研究方面取得了令人瞩目的成 果。研制的微细电火花机床的基座部分全都有花岗岩组成。x，y，z 精密伺服 机构构成了实现三维运动的基本部件，每个方向上的运动部件由直流伺服电机 驱动。图 1.4 为该装置加工的 300m12m 的微细轴 SEM 照片22。 图 1.4 微细轴加工实例 2003 年，哈尔滨工业大学在赵万生教授的领导下，设计并研制出了一台高 精度微细电火花加工系统原理样机。图 1.5 为该高精度微细电火花加工系统加 工出的 4.5m 的微细轴。 图 1.5 4.5m 的微细轴 清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所在微细电火花加工方面也有 一定的研究。该装置的 X 、Y 两维运动采用高精度丝杠的 X Y 工作台，Z 轴 采用摩擦进给机构， 精密旋转主轴由小支架整体固定在竖直导轨的滑块上， 南昌航空大学科技学院学士学位论文 8 与上端摩擦传动机构通过圆盘磁性吸合连接，中间利用小钢珠保持磁间隙；主 轴通过高精度轴承固定在小支架上，自身仅有旋转运动，由 Z 轴运动部件带动 旋转主轴作上下进给运动， 旋转与进给运动独立；在旋转主轴下方引入固定 导向机构。图 1.6 是该装置加工的长度为 1mm，宽度为 0.2mm，深度分别为 0.3mm、0.3mm 和 0.1mm 的槽阵列23。 图 1.6 槽阵列 随着微细电火花加工研究的不断深入，在微细电极制造技术、超低电压微 细电火花加工技术及其微细电火花三维结构铣削等方面都有较大的发展，并逐 步成为新的研究热点。德国柏林技术大学生产技术研究中心(Production Technology Center)在夏米尔公司的 Robofil 2000 五轴线切割机床的基础上改进 而成的该加工中心能实现微线切割、微型腔加工、微线电极磨削、微电火花钻 削和铣削等多种微电火花加工。图 1.7 是用此加工中心上加工出的零件样品。 图 1.7 微细电火花加工中心加工出的样品 1.41.4 课题背景意义课题背景意义 南昌航空大学科技学院学士学位论文 9 随着生产发展和科学实验的需要，许多工业部门，尤其是仪器仪表、国防、 航空航天等等部门要求尖端科学技术产品向高精度、高速度，大功率、小型化 等方向发展，它们使用的材料越来越难加工，零件形状越来越复杂，微细加工 向着更小尺度的方向发展，加工精度和表面质量要求越来越高，这进一步促进 了电火花加工的应用和发展。但同时对电火花加工尺度和加工效率等方面也提 出了更高的要求，电火花加工的效率仍然较低，限制了电火花加工在批量生产 中的广泛应用。此外，新型电火花加工电源的研制开发、新型电火花加工工作 液的开发等都是电火花加工技术研究的热点。 电火花微细加工技术，其进一步发展和实用化都必须解决一个共同的难题， 即认识极间的物理过程，揭示电火花加工放电机理和材料蚀除机理。火花放电 时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观过程的物理本质 即是所谓电火花加工的机理。了解这一微观过程，有助于理解和掌握电火花加 工的基本规律，从而对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求和正 确的使用。从大量试验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、 热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目前为止，人们对 于电火花加工微观过程的了解还很不够。如工作液成分的影响、间隙介质的击 穿、放电间隙内的状况、正负电极间能量的转换与分配、材料的抛出、电火花 加工过程中温度场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡等等，都还需要进 一步研究。因此，电火花加工极间物理过程的研究是实现电火花微细加工、电 火花高速加工的重要基础。对提高电火花加工效率、加工质量，扩大电火花加 工应用领域来说都具有重要意义。 1.51.5 本文主要内容本文主要内容及章节安排及章节安排 本文主要讨论了数值模拟在微细电火花加工电场和温度场分析中的应用， 并进行微细电火花试验研究，探究不同的电参数对微细电火花加工精度和效率 的影响。 论文章节安排如下： 南昌航空大学科技学院学士学位论文 10 第一章 绪论 本章介绍了数值模拟在微细电火花中的应用现状和发展，以及微细电火花 加工技术的国内外发展水平及发展方向。结合课题背景意义，提出本文主要内 容。 第二章 微细电火花加工数值模拟 本章通过计算机仿真技术对电火花加工过程中的电场进行模拟，采用有限 元方法，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。分别对极间电 场和加工时工件表面的温度场进行了模拟：对极间电场建立物理模型，并进行 数学求解，借助 ANSYS 求得数值解，得到电场的分布及电场分布与电极形状、 加工间隙等因素的关系；对放电加工时工件表面建立传热物理模型，并进行数 学求解，借助 ANSYS 求得数值解。 第三章 微细电火花加工试验研究 本章首先详细介绍了微细电火花试验系统，并对微细电火花加工中电极的 制作方法进行了探讨，通过试验获得一种快速获得 10 到 100m 直径的电极的 方法。结合试验，验证电火花数值模拟的结论，讨论电火花加工电参数对于加 工间隙和加工效率的影响，获得加工间隙和加工效率随各种电参数变化而变化 的曲线。总结上述试验，分别从加工间隙、效率及二者的折中这三个角度出发， 选择了三组优化的放电参数，用于指导工程实践。 第四章 总结与展望 本章总结了全文的研究工作，并提出了进一步的研究方向。111 南昌航空大学科技学院学士学位论文 11 第二章第二章 微细电火花加工数值模拟微细电火花加工数值模拟 火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观的 物理过程即所谓的电火花加工机理。从大量的试验资料来看，每次电火花腐蚀 的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力电化学等综合作用的过程。对于 电火花的间隙状态，许多学者对其进行了研究，由于电火花极间物理状态复杂， 所以描述极间状态的数学方程也非常复杂，求得方程的准确的解析解将十分困 难。通过计算机数值模拟技术对电火花加工过程中的极间电场和工件表面温度 场进行模拟，以便更好地认识放电过程，深入对微细电火花加工机理的认识。 2.12.1 基于微能电源电火花加工极间电场分析基于微能电源电火花加工极间电场分析 2.1.12.1.1 概述及物理模型概述及物理模型 电火花加工一般都是在某种介质中进行的。只有击穿介质，才能形成放电 通道，进而才能进行电能与各种能量间的转换，实现对工件的加工。如何实现 介质击穿？当采用纯净的火花油时，它的抗电强度很高，通常放电间隙很小24。 当脉冲电压加在两极之间时，极间介质将迅速极化，并随电压的上升而使阴极 表面形成很高的场强。特别是阴极表面的局部尖端，场强可以高达 107108V/m，使电子通过隧道效应产生场致发射。这种场致发射出来的电子又 在电场作用下进一步加速，并在介质中发生雪崩式的碰撞电离，进而介质击穿。 电火花加工的物理模型如图 2.1 所示。 电场问题，可归结为给定边界条件下求解其控制方程（一般为常微分方程 或者偏微分方程）的问题25。对于大多数工程技术问题，方程性质较复杂，几 何边界条件不是很规则，很难获得精确的解析解。为了解决这个问题，我们借 助数值方法来求近似解。解析解在系统任何节点都是精确的，而数值解只有在 节点上才近似等于解析解。有限元法就是一种用于求解工程中各类问题的数值 南昌航空大学科技学院学士学位论文 12 方法，ANSYS 是一种通用有限元软件，本章借助有限元对电火花加工模态的 一些物理量进行近似求解，以此探究电火花的蚀除机理。 火花油 工件 电极 S 图 2.1 电火花加工物理模型 2.1.22.1.2 电火花电场数学模型电火花电场数学模型 根据电场及电火花理论，在阴、阳极之间的封闭区域内，通常用拉普拉 斯方程计算电场的电势的分布。边界如示意图 2.2 所示。 22 2 22 0 xy 图 2.2 电火花加工边界示意图 阴极接电源的负极，阳极接电源正极，所以阴阳极表面形成两个等位面， 也就是在两个边界上各加一个第一类边界条件： 阳极： (2.1) 1,2 0 南昌航空大学科技学院学士学位论文 13 阴极： (2.2) 5 U 此外，除去阴阳极边界外，其他边界应该封闭，或近似封闭。在这些边界 中，电力线与边界法向垂直，也就是在这些边界上加第二类边界条件： 其他边界： (2.3) 3,4,6,7 0 n 综合 2.1、2.2、2.3 式，得到描述电火花电场分布的数学模型： (2.4) 2 5 1,2 3,4,6,7 0 0 0 U n 从上面的模型计算可以容易得到在区域内任何一点 P(x,y)处的电势， P 由此可以导出该处电流密度： PP E 下面，介绍求解由式 2.4 所描述的电场数学模型的有限元方法。 2.1.32.1.3 电火花电场的求解电火花电场的求解 求解整体区域的拉普拉斯方程，通常采用有限元方法，其具体步骤如下： （1）区域离散化。将整体区域分割成很小的子区域，分割后的区域成 网格状，这些网格就是各种形状的有限元。一般二维有限元可以取各种多边形， 如三角形、四边形等等。在轴对称的三维区域分析中，既可以取其截面的二维 区域作为分析对象，也可以把它作为普通的三维区域来分析27。 实体模型通常是以阴、阳极边界构造出封闭的三维区域。在此用与阴极同 样轮廓的边界曲线作为阳极的初始轮廓，采用二维区域作为分析模型，如图 2.3。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 14 图 2.3 二维模型及网格划分示意图 每个区域分割所得的单元“e” ，其顶点分别记 i、j、k。每一个顶点都分别 对应于一个形函数、，相当于这些顶点对于单元 e 中任何一点电势 e i e j e k 的影响权值。形函数可由一个线性函数表达： , , e i j k (2.5) , , , , , eeee i j ki j ki j ki j k xy 现在令 ， ， (2.6) 1 0, e i i j k 1 0, e j j i k 1 0, e k k i j 这样就可以用单元 e 的顶点 i、j、k 的坐标来表示这些形函数： (2.7) ( ,) ( ,) ( ,) e iiijjkk e jiijjkk e kiijjkk f x y xyxy g x y xyxy h x y xyxy 将电势在子区域（即单元 e）上的分布值用线性插值的方法表示： (3.8) eeee iijjkk 把以上原则推广到整个区域，每一个单元上的电势值都依照线性插值 的原理用形函数和节点电势表示，就能解出电势在整个区域上的分布函数： (2.9) 11 NN eeee iijjkk ee 式中 N 表示单元的个数。 南昌航空大学科技学院学士学位论文 15 （2）电势的矩阵方程的组装与计算。 根据变分原理，求（2.4）式电势分布等价于求使下列泛函最小： 2 22 1 11 ( )()() () 22 N eee iijjkk e Idd xy (3.10) 对式 2.10 求关于各个节点电势的导数，并使之为零，得到求解这些节点 电势的线性方程组： (2.11) 1 1 1 0 0 0 e e e n eeee iijjkki e i n eeee iijjkkj e j n eeee iijjkkk e k I d I d I d 按照节点对应关系，将求解电势值的方程组 2.11“拼装”在一起，得到总 体系数矩阵方程： (2.12) 0K 式中的为 nn 阶系数矩阵，为 n1 阶节点电势函数矩阵。系数矩 K 阵的各元素依照每个单元逐一计算，即整体矩阵的每一元素都由每个单元的贡 献叠加而成，如下式所示： (2.13) 11 e NN eee ijijij ee KKd A 至此，用总