（机械制造及其自动化专业论文）压电自适应脉冲式电火花加工机理仿真及实验研究.pdf

摘要 摘要+ 近年来随着科研工作者对电火花加工技术和加工机理研究的不断深入以及对 其加工工艺和加工设备的不断改进和完善，电火花加工技术发展迅速。本课题组 提出的压电自适应脉冲式电火花加工是一种新型电火花j n - v 方法，采用低压直流 电源作为能量输入源，把脉冲能量发生装置与间隙调节装置有机地集成在一起， 实现了脉冲放电与间隙调节的自适应。其主要创新点为通过压电陶瓷的逆压电效 应驱动工具电极伸缩，实现工具电极与工件之间脉冲放电间隙的自适应调节，有 效提高脉冲放电频率和有效脉冲利用率，从而提高电火花加工效率。 本课题组前期主要对压电自适应脉冲式电火花加工装置进行了总体设计并对 其加工系统、加工工艺等进行了研究，但对其加工机理的研究较少。因此，本文 在已有的压电自适应脉冲式电火花加工系统和加工工艺基础上，通过仿真技术及 相关试验对其加工机理进行深入研究。主要是对放电通道粒子流场、温度场和应 力场进行有限元数值模拟研究，并通过单脉冲放电试验对电极表面热传导有限元 模型的预测精度进行检测。具体研究内容如下： 放电通道中带电粒子的运动特性研究是电火花加工机理研究的重要组成部 分。本文采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合的方法，建立压电自适应脉冲式电火花 加工放电电离过程模型，对放电通道的微观形成过程进行仿真，得到放电通道内 电子和正离子的运动状态及空间分布。放电通道内任意横截面上带电粒子的密度 和动能都近似呈现高斯分布。 通过对电火花放电时传递到电极表面的能量和放电通道半径的计算推导电极 表面高斯热源模型的热流密度分布公式；对热源模型中一些关键问题的处理进行 分析，推导出圆柱坐标系下的热传导方程。 利用有限元仿真软件a b a q u s 对压电自适应脉冲式电火花单脉冲放电时电极 表面的温度场和热应力场进行了三维数值模拟和分析，给出放电电压及可调电容 的容值对压电自适应脉冲式电火花加工温度场分布的影响规律，得到工件表面及 内部的应力场分布，最大应力发生在放电通道交界处。 国家自然科学基金( 项目编号：5 1 0 7 5 2 3 9 ) 山东大学硕士学位论文 基于本课题组搭建的压电自适应脉冲式电火花加工装置，在不同放电电压、 可调电容条件下进行单脉冲放电试验，将试验得到的工件表面单脉冲放电凹坑形 貌与仿真形貌进行对比，对有限元仿真模型的预测精度进行检测，检测结果表明 有限元仿真模型的预测误差在1 5 以内，能满足工程实际需要。 本文从压电自适应脉冲式电火花加工机理的研究中得到的研究成果为压电自 适应脉冲式电火花加工技术的进一步研究和发展提供了理论基础，有利于该技术 的推广和应用。 关键词：电火花加工；压电自适应；放电通道粒子流场；能量分布；有限元仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h ed e e p e rr e s e a r c ha n dc o n t i n u o u si m p r o v e m e n to nt h e m e c h a n i s ma n de q u i p m e n to fe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ，t h et e c h n o l o g yo f e d mh a sd e v e l o p e dr a p i d l y p i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v ep u l s e de d mi san e we d m p r o c e s sp r o p o s e db yo u rr e s e a r c hg r o u p i nt h i sn e wp r o c e s s ，l o wv o l t a g ed i r e c tc u r r e n t p o w e ri su s e da sp o w e rs o u r c e i no r d e r t or e a l i z et h es e l f - a d a p t i v ec o n t r o lo fd i s c h a r g e g a pa l o n gw i t ht h es t a t eo fp u l s ed i s c h a r g e ，t h ee n e r g yg e n e r a t o ra n dt h eg a pa d j u s t i n g d e v i c ea r e o r g a n i ci n t e g r a t e dt o g e t h e r t h e i n n o v a t i o n p o i n t o f p i e z o e l e c t r i c s e l f - a d a p t i v ep u l s e de d mi sa d j u s t i n gd i s c h a r g eg a pb e t w e e nt o o l e l e c t r o d ea n d w o r k p i e c ee l e c t r o d et h r o u g ha d j u s t i n gl e n g t ho ft o o le l e c t r o d ea c c o r d i n gt ot h es t a t eo f p u l s ed i s c h a r g eb a s e do nt h ec o n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o e l e c t r i cc e r a m i c ，s oa s t oi m p r o v ed i s c h a r g ef r e q u e n c ya n de f f e c t i v eu t i l i z a t i o no fp u l s ed i s c h a r g e ，a n dt h e n ，a s ar e s u l t ，o b t a i nh i g h e rm a c h i n i n ge f f i c i e n c yo fe d m o u rr e s e a r c hg r o u ph a sd e s i g n e da n dm a n u f a c t u r e dt h ee q u i p m e n to fp i e z o e l e c t r i c s e l f - a d a p t i v ep u l s e de d m ，a n da l s oh a ss t u d i e d i t sm a c h i n i n gs y s t e ma n dp r o c e s s p e r f o r m a n c e ，b u tl i t t l er e s e a r c hh a sb e e nd o n eo ni t sm e c h a n i s m t h e r e f o r e ，b a s e do n t h ew o r km e n t i o n e da b o v e ，t h em e c h a n i s mo fp i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v ee d mi s s t u d i e dt h r o u g hf i n i t ee l e m e n tm e t h o d ( f e m ) a n de x p e r i m e n ti nt h i sp a p e r p a r t i c l e f l o wi n d i s c h a r g ec h a n n e l ，t e m p e r a t u r e f i e l da n ds t r e s sf i e l do f p i e z o e l e c t r i c s e l f - a d a p t i v ep u l s e de d m a r er e s e a r c h e db yf e m t h ep r e d i c t e dp r e c i s i o no ff e m m o d e li sv e r i f i e db yt h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ee x p e r i m e n t c h i e fr e s e a r c hc o n t e n t sa r e a sf o l l o w s t h er e s e a r c ho nm o t i o nc h a r a c t e r i s t i co fc h a r g e dp a r t i c l ei nd i s c h a r g ec h a n n e li sa n i m p o r t a n tp a r ti ne d m m e c h a n i s mr e s e a r c h p a r t i c l e i n c e l lp l u sm o n t ec a r l oc o l l i s i o n m e t h o da r eu s e dt os e tae l e c t r o m a g n e t i cm o d e l ，a n dt h e nt h ee l e c t r o m a g n e t i cm o d e li s u s e dt os i m u l a t et h ep a r t i c l ef l o wi nd i s c h a r g ec h a n n e lo fp i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v e p r o j e c to f n s f c ( g r a n tn o ：5 1 0 7 5 2 3 9 ) i i i s h a n d o n gu n i v e r s i t ym a s t e r st h e s i s p u l s e de d m t h em o v e m e n ta n dd i s t r i b u t i o no fc h a r g e dp a r t i c l e si nd i s c h a r g ec h a n n e l a r eo b t a i n e d d e n s i t ya n dk i n e t i ce n e r g yo fd i s c h a r g ep a r t i c l e so na n yc r o s ss e c t i o no f d i s c h a r g ec h a n n e la r eb o t h g a u s s i a nd i s t r i b u t i o na p p r o x i m a t e l y h e a tf l u xd e n s i t yd i s t r i b u t i o nf o r m u l ao fg a u s s i a nh e a ts o r r c em o d e lo nt h e e l e c t r o d es u r f a c ei sd e r i v e db a s e do nc a l c u l a t i n gt h ee n e r g yo ft h ee l e c t r o d es u r f a c ea n d d i s c h a r g ec h a n n e lr a d i u s h e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o ni nt h ec y l i n d r i c a lc o o r d i n a t es y s t e m i sd e r i v e db ya n a l y z i n gt h ek e yp r o b l e m so ft h eh e a ts o u r c em o d e l t h et e m p e r a t u r ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fs i n g l ep u l s ed i s c h a r g i n gi np i e z o e l e c t r i c s e l f - a d a p t i v ep u l s e de d m a r es i m u l a t e db ya b a q u s t h el a wo fd i s c h a r g ev o l t a g e v a l u e sa n da d j u s t a b l ec a p a c i t o rv a l u e si n f l u e n c i n gt e m p e r a t u r ef i e l dd i s t r i b u t i o no f p i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v ep u l s e de d m i sg i v e n ；a n dt h es t r e s sf i e l dd i s t r i b u t i o no nt h e s u r f a c ea n dt h ei n n e ro fw o r k p i e c ea l ea l s oo b t a i n e d t h em a x i m u ms t r e s si sg o to nt h e b o r d e ro fa d j a c e n td i s c h a r g ec h a n n e l s b a s e do nt h ep i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v ep u l s e de d md e v i c ew h i c hi sc o n s t r u c t e d b yt h i sr e s e a r c hg r o u p ，s i n g l ep u l s ed i s c h a r g i n ge x p e r i m e n ti sd o n eu n d e rd i f f e r e n t d i s c h a r g ev o l t a g ea n da d j u s t a b l ec a p a c i t o r t h ec o m p a r i s o nb e t w e e nt h e r e s u l t so f s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n ti sd o n e t h ep r e d i c t e d p r e c i s i o no ft h ef i n i t ee l e m e n t s i m u l a t i o n ( f e s ) m o d e li sv e r i f i e db yt h ee x p e r i m e n li t sp r e d i c t i v ee r r o r i sw i t h i n15 ， a n dm e e t sp r a c t i c a le n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t s t h er e s u l t , w h i c hi so b t a i n e df r o mt h em e c h a n i s mr e s e a r c ho fp i e z o e l e c t r i c s e l f - a d a p t i v ep u l s e de d m ，p r o v i d e st h e o r e t i c a l b a s i s f o r t h e f u r t h e rr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n to ft h ep i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v ep u l s e de d mp r o c e s s t h em e c h a n i s m r e s e a r c hi nt h i sp a p e ri so fb e n e f i tt op o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no ft h ep i e z o e l e c t r i c s e l f - a d a p t i v ep u l s e de d mp r o c e s s k e y w o r d s ：e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) ；p i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v e ；p a r t i c l e f l o wi nd i s c h a r g ec h a n n e l ；e n e r g yd i s t r i b u t i o n ；f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n i v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 自上世纪9 0 年代以来，世界各国都把各种新型制造技术的研究与开发作为关 键技术进行优先发展，例如日本的智能制造技术( i m s ) 国际合作计划、美国的先 进制造技术a m t p 、欧共体的e s p r i t 和b r i t e e u r a m 计划、韩国的高级现代技 术国家计划( g 7 ) 和德国的制造2 0 0 0 计划等【l 】。世界各国的经济竞争可以看作是 制造技术的竞争，而各国所生产产品的市场占有率则体现了其竞争能力的强弱。 随着市场环境的日新月异、经济技术的快速发展，制造技术的竞争日趋激烈，世 界各国对制造技术的研究更加重视。 特种加工技术是制造技术的重要组成部分，其中特种加工技术中的电火花加 工技术经过半个多世纪的发展已成为制造技术领域不可或缺的重要组成部分，其 应用范围也越来越广吲。 1 2 电火花加工技术的现状与发展趋势 1 2 1 电火花加工技术介绍 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，英文缩写e d m ) 又称放电加工， 是诞生于2 0 世纪4 0 年代的一种特种加工方法。电火花加工是在一定介质中，利用 两极( 工具电极与工件电极) 之间脉冲性火花放电时产生的电腐蚀现象对工件材 料进行加工，以达到具有一定的形状尺寸和表面粗糙度要求的一种加工方法。主 要特点是加工过程中工件和工具电极之间非接触，利用瞬时火花放电的电能和热 能去除金属材料。 电火花加工是与机械加工性质完全不同的一种新工艺、新技术。机械加工是 通过机床部件的相对运动，用比工件材料硬的刀具去除工件上多余的部分以得到 成品零件。但是随着工业生产的发展及各种高熔点、高硬度等难加工材料的出现， 采用传统的机加工方法难以加工，而电火花加工方法则在难加工材料的加工方面 山东大学硕士学位论文 显示出优异的性能【3 1 。 1 2 2 电火花加工技术研究现状 目前电火花加工技术在机械制造业中占十分重要的地位。在很多情况下( 高 硬度、高韧性、高脆性、高弹性材料的零件) ，电火花加工方法是唯一有效的加工 手段，可以实现常规加工不可能完成或需花费昂贵代价的n i t 4 羽。近年来，电火 花加工在加工方法、加工技术和理论研究等方面都取得了新的进展，电火花加工 技术已经成为现代制造技术重要的组成部分【7 。9 1 。 在电火花加工方法方面，近年来出现了一些新的加工方法，主要有液中放电 表面改性处理、弯曲孔电火花加工、单次放电微细电极加工、绝缘陶瓷电火花加 工、钛合金表面电火花放电着色、线电极电火花磨削精微、微细电火花加工、混 粉镜面电火花加工以及双电极电火花加工等。 在电火花加工技术方面，近年来计算机、自动控制以及微电子等现代科学技 术迅速发展，基于这些技术之上的电火花加工技术也得到了飞速发展。目前电火 花加工技术的研究热点主要集中在高精密加工技术( 如镜面加工技术) 、高效加工 技术、微细加工技术、环境保护以及智能控制技术( 如人工神经网络技术、模糊 控制技术) 等方面。 在电火花加工理论方面，对电火花加工过程中放电通道、材料蚀除等加工机 理的研究，众多学者虽然在试验和研究方法等方面取得了一些新的进展，但在电 火花加工基础理论研究方面并没有取得大的突破。近年来对于电火花加工理论的 研究主要集中在控制理论和加工工艺理论方面。今后电火花加工理论研究的发展 趋势将是在进一步探讨加工工艺理论和控制理论，提高电火花加工的加工性能及 加工范围，取得更好控制效果的同时，重点研究放电过程的机理。由于电火花放 电过程本身所存在的随机性、复杂性以及在其研究方法和手段上缺乏创新性，导 致对电火花加工机理的研究至今仍没有取得突破性进展。因此，有必要在对电火 花加工理论研究时引入先进的试验技术和研究方法，以指导电火花加工工艺理论 和控制理论的研究。计算机仿真技术是实现这一过程的有效工具。 2 第1 章绪论 1 2 3 电火花加工技术发展趋势 随着现代科学技术，尤其是微电子、计算机和自动控制技术的不断进步，电 火花加工技术得到了飞速发展【1 0 1 ，其发展趋势可以归纳为以下五个方面： 图1 - 1 电火花加工技术的发展方向i u ( 1 ) 高速化。近年来随着电火花加工技术的不断变革，电火花成型加工的效 率得到了显著提高【1 1 1 。电火花成型加工机在工作液中加入添加剂或利用非可燃性 工作液可以使其加工速度成倍提高，如日本的三菱电机公司、s o d i c k 公司相继开发 出了利用水基工作液的电火花成型加工机，西德a e g “艾洛特姆 公司也利用水 进行了电火花力i l q - 1 2 j ；在水基工作液中加工钢材时，在相同的平均加工电流下， 其加工速度比煤油工作液高出了2 3 倍【l3 1 。另外，日本牧野铣床公司首先开发了可 高速加工的无烟加工装置【1 4 和具有柔性、多功能的新型电火花复合加工机床【15 1 。 近年来我国在普通电火花加工机床的加工性能和指标上也有了新的突破。如苏州 电加工机床研究所研制的电火花成型机d 7 1 4 0 t 在5 0 a 的工作电流下加工时，最高 加工效率可高j 2 垦9 0 0 m m 3 m i n ，在1 0 0 a 工作电流加工时，最高可达1 7 5 0 m m 3 m i n 【1 6 】。 ( 2 ) 微细化。微细加工在近代加工技术中是一个新的加工领域。对于电火花 微细加工而言，主要指小于0 3 m m 的轴孔、沟槽、型腔等的加工。在众多的微细加 工方法中( 切削、磨削、线切割、激光加工、电子束加工、超声j n - r 等) ，电火花 微细加工的应用范围最广，说明电火花微细加工在众多微细加工方法中的重要性 山东大学硕士学位论文 【1 7 】。在微细电火花加工领域，日本东京大学生产技术研究所的增浞隆久教授等人 采用电火花线电极磨削法的微细电火花加工技术，成功加工出6 6 4 3 1 t m x 5 0 9 m 的微 细轴，轴径精度达士0 2 i t m 1 8 】。国内南京航空航天大学加工出孔径为多0 0 1 9 m m ， 深径比为3 1 的试件，哈尔滨工业大学加工出多o 0 2 m m 的孔【1 9 】。 ( 3 ) 应用范围扩大化。电火花加工不仅可以加工复杂型腔和各种高硬度、高 韧性金属材料，还能加工半导体材料、陶瓷材料、非导电材料以及聚晶金刚石等。 电火花加工最终得到的工件表面具有很低的表面粗糙度和很高的加工精度，尺寸 误差可达微米以下。随着电火花加工技术应用范围的扩大，可用作电极的材料种 类也越来越多，除了常用的钢、铜以及石墨以外，国外还研究出由短纤维和各种 不同粉末通过烧结和挤压制成的复合电极材料【2 0 】。 ( 4 ) 精密化。自2 l 世纪以来，随着电子、信息技术、国防、航空航天等尖端 科学技术的发展，对机械制造业特别是模具制造技术提出了越来越高的要求。精 密产品零件以及精密化模具的加工促进了电火花加工技术的发展。与依赖于手工 抛光的零件和模具型腔相比，电火花成型加工在复杂零件和型腔加工方面具有极 大的优越性。因此，电火花精密成型加工成为电火花加工的一个重要发展方向【2 1 1 。 电火花镜面加工是电火花加工走向精密化的一个表现。为实现镜面电火花加工， 日本的m i t s u b s h i 和s o d i c k 公司开发了采用混粉工作液作为加工介质的电火花加工 机床，日本学者毛利尚武提出了采用混粉工作液作为加工介质的镜面电火花加工 技术。目前国内外研究人员正在为使电火花加工技术向精密化发展而不懈努力 2 2 1 。 ( 5 ) 智能化。电火花放电过程比较复杂且具有较强的随机性，受到的干扰因 素很多。因此为了保证电火花加工过程能够高效、稳定的进行，人们研制出电火 花加工的自适应控制系统。该系统除了能够使加工过程稳定进行之外，还考虑了 状态优化、自动跟踪、多轴协调等因素。目前国外电火花成型机几乎都使用了模 糊控制( f c ) 技术【2 3 】。在电火花加工时采用模糊控制技术可以代替一个熟练的操 作人员。模糊控制技术的原理为首先通过模糊推理检测间隙的放电状态，以识别 加工过程是否稳定、高效，然后在此基础上确定下一阶段所使用的新加工参数， 从而实现加工过程的最优化。采用该技术一般能使加工速度提高2 0 3 0 ，其加 工效果对于深槽、筋肋、多腔多件以及截面面积变化较大的零件来说更为显引2 4 1 。 4 第1 苹绪论 在电火花成型机床的专家系统编程方面国外的一些公司获得了新的进展。例如瑞 士夏米尔公司的r o b o f o r m2 0 0 0 l 机床配置了新的p r o g r a me x p e r t 2 自动编 程系统，j n - v 时只需要按照画面提示输入少量数据，加工时还可自动选取最优参 数，自动监控加工过程，从而实现自动化的最优控制【2 5 】。 1 3 计算机仿真理论研究以及在电火花加工中的应用 电火花加工过程极其复杂，至今仍然没有一个确切的理论能准确的概括和描 述电火花加工过程及其蚀除机理。因此，只能依靠不断进行试验所获得的经验来 评价和优化电火花加工性能，这样可能造成盲目加工，从而影响加工效率。近些 年来发展起来的有限元法为解决这个问题提供了新的思路。所谓有限单元法就是 通过把实际中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，并依靠计算机的强大计算功能，对原问题进行近似求解 的一种工程计算方法。在建模时通过控制单元网格划分，就可以在要求的精度范 围内逼近原问题的真解【26 i 。 目前虽然我们对电火花加工的蚀除原理研究的还不够深入，但是在目前研究 的基础上可以利用有限元法对电火花加工过程进行仿真分析，对其加工过程进行 的预测具有一定的准确性。电火花加工参数的优化、表面粗糙度和加工速度的预 测、速度建模、电火花加工机理研究如电流波形对加工性能的影响以及材料特性、 脉宽、电流等对d n - r 性能影响的理论分析等都可以用计算机仿真技术进行分析， 该技术为电火花人工智能系统的研发打下了良好基础1 2 7 | 。 1 3 1 电火花加工计算机仿真理论研究现状 在对电火花加工的计算机仿真中，建立数学模型时需考虑放电通道热源模型、 放电半径、能量分配等众多因素。下面就现阶段电火花加工计算机仿真中对各因 素的研究现状作相关介绍。 ( 1 ) 放电通道研究 上海交通大学的亓利伟等人研究发现，在持续脉冲放电期间，放电通道表 现出波动特性存在扭折现象。因此，电极表面放电区域内同一点在脉冲放电期间 山东大学硕士学位论文 所受到的冲击压力是不断变化的，火花放电所形成的凹坑位置也随之变化。放电 通道经过一段时间达到位形平衡后，其横向振动对材料的抛出起主导作用。放电 通道达到位形平衡时的示意图如图1 2 所示。日本东京农工大学的m k u n i e d a 等人对 放电通道的位形也进行了类似的研究。 物黝钐 图i 2 放电通道达到位形平衡时的示意图 d e s c o e u d r e s 等【冽对放电通道进行了研究，利用高速摄影手段对一次脉冲放电 过程中放电通道的变化情况进行了拍摄，如图1 3 所示。发现在整个放电过程中， 放电通道一直处于不稳定状态。 a ) 延迟时间：3 雌b ) 延迟时间：7 肛c ) 延迟时间：1 0 p s i 国，| d ) 延迟时间：2 0 1 x se ) 延迟时间：3 0 芦f ) 延迟时间：4 0 邺 图卜3 高速摄影仪拍摄放电通道发展变化图【3 0 l 使用计算机仿真方法研究材料蚀除机理时，首先需要知道放电通道的半径， 也就是热源在材料表面的加载半径大小。为了计算放电通道半径，很多学者进行 6 第1 苹绪论 了相关研究。井上洁3 1 1 根据大量的试验得到电极表面的放电痕半径公式为： r = 日：。4 砖5( 1 1 ) 式中k 放电凹坑的半径( 岬) ； k 常数； 脉冲放电峰值电流( a ) ； 乃，广放电脉冲宽度( “s ) 。 式( 1 1 ) 具有一定的预测精度和较强的可操作性，被许多国家的电加工专家多 次引用。但实际上放电通道半径不同于放电痕半径且存在较大差别，所以不能只 是进行简单的类比。 上海交通大学的楼乐明【3 2 】博士在井上洁的放电痕半径公式的基础上，对其进 行优化分析得到放电通道半径公式： f 2 8 5 ；j 3 t n 3 3( f 瓦) 烈d 2 1 2 8 5 i ；矿( 嘲) ( 1 。2 ) l5 3 瓦n 3 8 ( f 瓦) 、。 式中r ( f 卜放电凹坑的半径( 岬) ； 珏一放电脉冲宽度( “s ) 。 哈尔滨工业大学的陆纪培等【3 3 】研究认为电火花放电通道的半径公式为： r ：兰：竺笔02 5 生05(1-3)r = = - 、2 式中卜放电通道的位形半径( 岬) 5 卜放电峰值电流( a ) ； 卜放电脉冲宽度( p s ) 。 由式( 1 3 ) 可知，电火花放电通道半径与放电脉宽和放电时的峰值电流相关且 都成正比关系。 ( 2 ) 热源模型研究 电火花加工研究的热点之一为通过计算机仿真从热传导的角度研究电火花加 工过程中电极材料的蚀除机理。电火花加工过程涉及多种影响因素如电、磁、热、 力学作用和流体动力等，其中热对电火花加工过程计算机仿真影响最大，且放电 山东大学硕士学位论文 通道中热流密度载荷的分布即热源模型是建立热分析模型的关键。 e r d e n 等【3 4 】认为电火花加工时，作用在电极表面的热源是一个加在半无限大物 体上的定常平面热源，其热流密度不随空间和时间变化；d i b i t o n t o 等【3 5 】假设极间 放电通道在电极表面产生的热源为点热源，并且在建模时用功率作为电极表面和 放电通道的边界条件而不是常用的温度；mrp a t e l 等【3 6 】提出的热源模型为扩张圆 形，即认为放电通道在电极表面形成的热源为随时间不断扩张的高斯分布热源模 型，该模型可以解释由于电极材料重凝导致的长脉冲加工时蚀除率低的现象，并 且给出了蚀除率曲线；r y k a l i n 等【3 7 】提出了电火花加工计算机仿真热传导模型的解 析解，但其计算结果存在一定误差，与实际相差较大。 ( 3 ) 极间能量分配研究 很多学者都对极间放电能量的分配问题进行了较为深入的研究，但是目前还 没有很精确的关于能量分配的公式可以应用。e t e u b a n k 和m r p a t e l 3 8 】经过大量试 验研究发现分配到两极板的放电能量大概占极间总能量的2 6 ；h a y a k a w a 和 k u n i e d a 3 9 】经理论推导得出分配到两极的能量约占放电总能量的一半且两极板得 到的能量基本相同；b r e v a z 和m r p a t e l l 4 0 】经过试验研究发现消耗在放电通道中的 能量占总能量的7 0 以上；h a s h i g u c h i 4 l 】通过对电火花单脉冲放电得到的放电痕迹 尺寸和形貌分析得出，分配到钢阴极和铜阳极的能量大约分别占放电总能量的6 0 和3 0 ；夏恒【4 2 】通过测量流过极间放电间隙的介质温度和采用有限差分理论进行 计算得出，放电过程中阳极和阴极得到的能量基本相等，约占总能量的1 5 3 0 左右，增大极间距离会导致阴极能量的上升和阳极能量的下降，脉冲宽度的变化 对能量分配影响不大，但是使用不同的计算方法和测量装置研究时发现无论脉冲 宽度如何变化，工件阴极获得的能量总是比工具阳极少得多，所占比例分别为2 5 和4 0 左右，与分配到两电极的能量相比工作液得到的能量很少。由以上资料可知 关于极间能量分配的研究还没有形成一致的结果，因此还需要进一步研究。 1 3 2 粒子模拟在电火花放电通道研究中的应用 在电火花加工过程中对放电通道的研究至关重要，它对表面质量、加工精度 和加工效率等都有决定性的作用，但放电通道的形成是一个由电磁力、电动力、 8 第1 章绪论 s f 6 、c f 4 等多原子分子间的粒子碰撞仿真4 8 ，4 9 】；国内的邵福球、王闽等最先：t 4 p i c 教授在高电压绝缘s f 6 混合气体放电参数计算中使用了p i c 方法【5 2 1 。沈阳工业大学 算一缀酗妻 。i 。，l ，荔4 瑷 移雾：。”- z ，：泛：- “雾一嘞绐绽r f 2 一t 2 ，5 秘裁q 2i 一 0f 蜒；襄曲静i 二摹囊群j 弘。9 j a ) 电子的相空间分布b ) 正离子的相空间分布 图1 4 通道平衡状态带电粒子空间相图【5 4 中国石油大学的于丽丽等【5 5 1 采用粒子模拟和蒙特卡罗相结合的方法模拟了放 电通道中电子的微观运动过程，她采用粒子模拟方法模拟粒子运动，而粒子间碰 撞用蒙特卡罗方法模拟。其模拟结果如图1 5 所示，模拟得出放电通道内主要是电 子在高速运动，离子的运动并不明显。 9 山东大学硕士学位论文 8 g 一 也罴 麦墨 o a ) 户1 5 0 p sb 、t = 2 5 0 p s o c ) t = 4 0 0 p sd ) t = 5 0 0 p s 图1 5t = 1 5 0 p s 、2 5 0 p s 、4 0 0 p s 、5 0 0 p s 时电子相副5 5 1 应用粒子模拟方法可以通过对放电通道的形成过程以及放电过程中通道的波 动振荡等问题进行研究，发现电火花放电通道的运动规律。 1 3 3 有限元方法在电火花加工温度场预测中的应用 热分析是电火花加工机理研究的重要组成部分。由于电火花加工时脉冲时间 短且瞬时温度高，温度场分布情况不易测量，因此可以用有限元方法进行近似模 拟研究。y a d a v av i n o d 、r e v a zb 等【5 6 , 5 7 1 分别对电火花加工电极表面的温度场进行 了仿真研究。k u l k a n l i 【5 8 】等应用有限元法对温度场进行仿真分析，为放电凹坑和放 电能量之间量化关系的研究奠定了基础。 国内山东大学的张建华教授【5 9 】将超声振动辅助气中放电加工过程中电极表面 的温度场用a n s y s 进行了仿真模拟，其模拟结果基本与试验结果基本保持一致。 哈尔滨工业大学的孟庆国【6 0 】和广东工业大学的黄志刚等也应用有限元方法对电 火花加工温度场进行了数值模拟研究。 l o 第1 章绪论 1 3 4 有限元方法在电火花加工应力场分析中的应用 电火花加工过程中电极的受力情况以及加工完成后在工件表面产生的残余应 力可以由热应力的有限元仿真进行模拟分析。y a d a v av i n o d 、m u l i krs 等 6 2 , 6 3 】采用 有限元法对单脉冲电解电火花加工过程中产生的热应力进行了研究；r e b e l ojc 等 【删对电火花加工之后的残余应力进行了有限元法分析，通过建立单脉冲有限元模 型对电火花加工过程中采用不同放电能量时造成的残余应力分别进行了计算。 1 4 课题的研究目的和意义 压电自适应脉冲式电火花加工是一种不同于普通电火花加工的新型电火花加 工方法。它采用低压直流电源作为能量输入源，通过把脉冲能量发生装置与间隙 调节装置有机地集成在一起，从而实现脉冲放电能量与间隙调节的自适应。其创 新点为通过压电陶瓷的逆压电效应驱动工具电极伸缩，实现工具电极与工件之间 的脉冲放电。本课题组前期主要对该加工装置进行总体设计，并对加工工艺等进 行了研究，但对其加工机理的研究较少，为使该技术更好的应用于实际生产，对 其加工机理的深入研究非常重要。因此，本课题在压电自适应脉冲式电火花加工 已有的加工装置和加工工艺的基础上，通过有限元仿真软件及相关试验对其加工 机理进行研究。 通过本课题的研究，不但对压电白适应脉冲式电火花加工技术中工件材料的 去除机理、工具电极的损耗及性能要求有了深入的认识，而且提出了新的完整的 压电自适应脉冲式电火花加工机理，并对其加工过程中的放电通道粒子流场、温 度场以及应力场进行了计算机模拟，建立了完整的压电自适应脉冲式电火花加工 材料去除模型。新理论的建立和新型压电自适应脉冲式电火花加工技术的研发为 打破传统微细加工限制，拓展电火花加工领域具有非常重要的意义，并且其经济 和社会效益十分显著。 1 5 课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金资助项目( 项目编号：5 1 0 7 5 2 3 9 ) 。 山东大学硕士学位论文 本文对压电自适应脉冲式电火花加工进行了有限元仿真研究。主要工作是对 压电自适应脉冲式电火花加工放电通道粒子流场、温度场和应力场做了有限元数 值模拟研究，并通过单脉冲放电试验对放电点热传导有限元仿真模型的预测精度 进行检测。本文的具体研究内容如下： ( 1 ) 放电通道的数值模拟研究。采用粒子模拟( p a r t i c l ei nc e l l ) 与蒙特卡罗 碰撞( m o n t e c a r l oc o l l i s i o n ) 相结合的方法对压电自适应脉冲式电火花加工放电 通道进行建模及微观粒子计算机数值模拟，得到带电粒子在放电通道内的运动及 分布规律。 ( 2 ) 通过对电火花放电时传递到电极表面的能量和放电通道半径的计算推导 电极表面高斯热源模型的热流密度分布公式；对热源模型中一些关键问题的处理 进行分析，推导出圆柱坐标系下的热传导方程。 ( 3 ) 温度场仿真研究。通过建立压电自适应脉冲式电火花加工单脉冲火花放 电的温度场模型，对火花放电过程中工件温度场进行二维和三维仿真，研究不同 电压和电容对工件温度场分布及放电凹坑尺寸的影响。 ( 4 ) 应力场仿真研究。在压电自适应脉冲式电火花加工单脉冲放电温度场仿 真的基础上对其应力场进行仿真，得到工件表面的应力场分布规律。 ( 5 ) 单脉冲放电试验研究。分析不同电压、电容对工件蚀除特性的影响规律， 通过将试验得到的工件表面放电凹坑实际尺寸与仿真尺寸进行比较，检测所建有 限元仿真模型的预测精度。 第2 章压电自适应脉冲式电火花放电通道形成过程微观模拟 第2 章压电自适应脉冲式电火花放电通道形成过程微观模拟 放电通道中带电粒子的运动特性研究为电火花加工机理研究的重要组成部 分。放电通道的形成过程是一个受多因素影响的瞬时、复杂过程，目前还没有较 为成熟的研究方法和实验手段对其进行定量的测量和分析。放电通道作为电极表 面材料去除时的外部环境，其微观状态的变化将直接影响电极材料的去除过程。 因此，对火花放电时放电通道中各物理量变化规律的分析研究成为目前电火花加 工机理研究的重点之一。本章将利用专业的等离子体物理仿真软件o o p i cp r o ，采 用粒子模拟( p a r t i c l ei nc e l l ) 与蒙特卡罗碰撞( m o n t e c a r l oc o l l i s i o n ) 相结合的 方法对本课题组提出的压电自适应脉冲式电火花加工放电通道进行微观粒子模 拟。该方法通过建立气中放电通道模型对电火花放电过程中等离子体放电通道的 形成过程进行微观粒子模拟，以得到带电粒子( 电子和正离子) 在放电通道内的 运动及分布规律。放电通道的仿真分析对压电自适应脉冲式电火花加工机理的研 究具有重要意义。 2 1 压电自适应脉冲式电火花j j 口- r 方法 压电自适应脉冲式电火花加工方法是本课题组提出的一种新型电火花加工方 法，该加工系统的原理示意图如图2 1 所示，系统主要由r c 电源、工具电极、工件、 机床主轴、限流电阻、电容器和压电陶瓷致动器组成。为了使放电过程保持稳定 状态，本系统利用压电陶瓷致动器本身所具有的高频振动特性来实现对放电间隙 的微调。压电陶瓷致动器下端固定在工作台上，上端通过工作液槽与工件固定。 在火花放电过程中，工件随着压电陶瓷致动器的伸缩而上下振动。主轴下端与工 具电极固定，上端与宏动进给轴z 聋由固定。加工时工具电极的旋转和宏动进给运动 分别是通过跟随主轴的旋转和z 轴的进给运动来实现的。直流电源为压电陶瓷致动 器的上下伸缩振动提供能量。直流电源分别与工件、工具电极和压电陶瓷致动器 组成回路且相互并联。压电陶瓷致动器与限流电阻7 串联构成等效r c 电路，由于压 电陶瓷致动器具有储能作用，因此在电路中可以将其视为一个电容。为了适应不 同加工规准的压电自适应脉冲式电火