（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助气中放电加工机理及仿真研究.pdf

摘要 摘要+ 超声振动辅助气中放电加工技术是近些年来发展起来的一门新技术，它是一 种高效、绿色环保的加工方法。它以气体作为工作介质实现脉冲火花放电加工， 附加以超声振动，提高了加工效率。这种方法可广泛应用于导电材料的加工，具 有重要的理论意义和实用价值，对推动电火花加工技术的进步具有重要意义。 本文在查阅大量文献的基础上，对超声振动辅助气中放电加工的放电过程进 行了系统的分析，从气体电导和击穿的基本过程入手，着重于热源模型和材料去 除模型的建立从理论上阐述了超声振动及高压气体对材料的强化抛出作用，并 且对此进行了试验验证。 在理论分析的基础上建立有限元分析模型，并借助a n s y s 有限元分析软件 对单脉冲放电加工过程的温度场进行了研究。分析了放电加工过程中随放电电流 变化的温度场分布。并且研究了放电电流变化时，凹坑形状的变化情况，主要是 其熔深和熔宽的变化。试验研究了放电峰值电流对材料去除率及工件表面粗糙度 的影响规律。并与模拟结果进行了对比，结果显示模拟与实验的结论基本一致。 最后，在温度场分析的基础上，通过问接耦合的方法，采用命令流方式对热 应力应变场进行了仿真分析，为下一步研究奠定了一定的基础。 关键词电火花加工，气体介质，加工机理，仿真，a n s y s 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目( 项目编号：2 0 0 3 0 4 2 2 0 1 4 ) i a b s t r a c t u l t r a s o n i cv i b r a t i o ne 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 ( u e d m ) i ng a si san e wt e c h n o l o g y t h a th a sb e e nd e v e l o p e di nr e c e n t y e a r s ，w i t hav i e w t ot h ep r o t e c t i o no ft h e e n v i r o n m e n t d u r i n gt h em a c h i n i n gp r o c e s s ，t h et o o le l e c t r o d ei sf o r m e di n t oa t h i n w a l l e dp i p e ，a n dh i g hp r e s s u r eg a sm e d i u mi s s u p p l i e dt h r o u g hi t u l t r a s o n i c v i b r a t i o no fw o r k p i e c ec o u l di m p r o v et h em a c h i n i n gp r o c e s s a n dt h i sm e t h o dc o u l d m a c h i n ea n ye l e c t r i cm a t e r i a l s s t u d y0 1 1t h em e t h o dw o u l di m p u l s et h ed e v e l o p m e n to f 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 i nt h i sd i s s e r t a t i o n , b a s e do na b u n d a n tl i t e r a t u r e s , d i s c h a r g i n gp r o c e s so fu e d mw a s a n a l y z e ds y s t e m i c a l l y f i r s t l y , t h ec h a r g ef o r m i n ga n dm o v i n gp r o c e s si nt h eg a sm e d i a w a sa n a l y z e d t h e nt h eh e a tc o n d u c t i o np r o c e s sw a sa n a l y z e d 皿em a t h e m a t i cm o d e l a n de x p r e s s i o no ft h eh e a tc o n d u c t i o np r o c e s sw i t ht h ec h a n g i n go fp a r a m e t e r sa n d p h a s ec h a n g e sw e r ec o n s t r u c t e d a n dm a t e r i a l - r e m o v a l - r a t em a t h e m a t i cm o d e lw a s a l s o e s t a b l i s h e d i nw h i c ht h ee f f e c to fg a sp r e s s u r ew a sc o n s i d e r e d 1 kr e s u l t so f t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n ts h o w e dt h a tu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc o u l de n h a n c et h e m a t e r i a lr e m o v a lr a t et m r r ) a n dt h eu l t r a s o n i cv i b r a t i o nc o u l di m p r o v et h eq u a l i t yo f t h ew o r k p i e c es u f f a c e t e m p e r a t u r ef i e l d so fo n ep u l s em a c h i n i n gi ng a s 忸s i m u l a t e d c h a n g e so ft h e t e m p e r a t u r ef i e f sa n ds h a p e so ft h ed e n t sw i 血t h ec h a n g eo ft h ed i s c h a r g i n gc u r r e n t w e r es i m u l a t e d t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er a t i oo ft h ed e p t ht ot h ed i a m e t c ro ft h ed e n t b e c a m el a r g e rw i t ht h ea u g m e n to ft h ed i s c h a r g ec u r r e n t a l s o ，t h ee f f e c to fd i s c h a r g e c u r r e n to nm a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n ds b r f a c er o u g h n e s sw a ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em a t e r i a lr e m o v a lr a t ea n dt h es n r f a c er o u g h n e s s i n c r e a s e dw i t ht h ec u r r e n t 田地e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e l g es i m i l a rw i t ht h et h e o r e t i c a l f o r m u l aa n dt h es i m u l a t i o n 瑚1 i l t s o b s e r v e df r o ms e m p i c t u r e s t h ec r a t e ri ng a sw a s f o u n dl e s st h a nt h a ti nt r a d i t i o n a lf i q u i d u l t i m a t e l y , t h e r m a ls t r e s sa n ds t r a i n f i e l dw a ss 血n u l a t e db yt h em e t h o do fi n d i r e c t 山东大学硕士学位论文 c o u p l i n g a n dt h es i m u l a t i o nw a se x e c u t e db yo r d e rf l o w s 耶1 er e s u l t sw o u l dh e l pt o l e a dt h en e x ts t e pw o r k k e y w o r d se 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 ，g a sm e d i u m ，m e c h a n i s m ，s i m u l a t i o n ， a n s y s ， ，；，一 ； 。 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导 下，独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科 研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：噩垒亟日期：星丝i ：篁：! 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本 学位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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在 论文作者签名：日期：型 第1 章 1 1 引言 第1 章绪论 电火花加工( e l e c 扭i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) 是利用两极间脉冲 放电时产生的电腐蚀现象，对材料进行加工的一种方法。加工时分别将工件和工 具电极接在脉冲电源的两端，利用电极间火花放电产生的热能将材料熔融、气化 和抛出。 早在十九世纪，人们就发现了电插头或电器开关的触点闭合或者断开时，会 产生放电现象而使其接触部位烧蚀损坏。长期以来，人们为了延长电器触头的使 用寿命，曾对电腐蚀现象进行了大量研究，并提出了许多有效的抗腐蚀方法。当 人们掌握了它的规律之后，便创造条件，转害为益，把电腐蚀应用于生产。到十 九世纪末，美国发明了用低压大电流施加在电极与工件之间的方法来刻印文字和 花纹。二十世纪初，人们又发现，在介电液中放电时，会产生许多金属粉末。苏 联学者拉扎连柯夫妇为了解释和应用这种现象，积极开展研究工作，并于1 9 4 3 年 成功地利用电腐蚀原理在金属工件上打出了小孔，创立了所谓的。电蚀加工法”， 也称“电火花加工法”。次年，苏联制造出了第一台电火花穿孔机床。 电火花加工一问世就受到广泛的重视，并且成为一种重要的加工手段。尤其 在模具加工中，电火花加工占有及其重要的地位。当今的电火花加工随着计算机 技术、软件技术、c a d ，c a m 技术等技术的发展，自动化程度越来越高，加上移植 ， 各种机械加工中心的技术，使电火花加工的各种功能得到了加速发展。不难预见， 电加工技术在未来的2 l 世纪尽管还有许多需要探索的课题，但依然会借助当今科 技进步而飞速发展，发挥越来越大的作用，显示出不可取代的地位。 1 2 e d m 研究现状 1 2 1 基础理论研究 在电火花加工基础理论研究领域，由于放电过程本身的复杂性、随机性，人 山东大学硕士学位论文 们对放电间隙物理状态和过程的研究，近几年未取得突破性进展，但仍取得了一 些创新性成果。 上海交通大学的亓利伟等人研究发现，在脉冲放电持续期间，放电通道出现 扭折，表现出波动特性哪。这使得放电通道中心带电粒子密度最大的点在放电区域 内游动。这种情况下，电极表面上的放电区域内某一点所受到的冲击压力是变化 的，放电所形成的凹坑也随之变化。放电通道达到位形平衡后，其横振对材料的 抛出起主导作用。日本东京农工大学的m k u n i e d a 等人圆对此也进行了类似的研 究 澳大利亚的yc h e a 和s m m a h d i v i a n l 3 j 对电火花放电加工过程进行了系统 地分析，建立了放电加工中材料去除率和加工表面粗糙度的理论模型，推导出材 料去除率公式，并经过实验对模型进行了验证。 印度的a j i ts i n g h 等人【4 】通过大量的研究得出，放电加工过程中，材料的熔化 是材料去除的主要原因，但对短脉冲( 小于5 雄) 放电加工，材料的去除主要靠作 用在工件表面的静电力。文中推导出了计算短脉冲放电加工中的静电力公式 c c o g u n 习发现，在e d m 不同加工条件下，不同放电延迟脉冲数量存在着系 统的变化。不同放电延迟脉冲的频率曲线具有左斜和高顶点特征，改变脉宽、脉 冲间隔和放电频率，频率曲线的斜度和高度会发生系统变化。 西北工业大学的赵伟阐在研究电火花放电通道中带电粒子运动规律时发现放 电通道中主要是电子在运动，即使在大脉宽条件下放电正离子的运动也远弱于电 子的运动。此结论打破了传统的放电通道是由数量大体相等的带正电和带负电以 及中性离子组成的观点。： 燕山大学的苏景云川利用量子力学隧道效应原理，对电火花加工机理进行了研 究，给出了电火花加工本质的新解释。 还有一些研究工作者针对电极损耗进行了理论研究。南京航空航天大学的周 勇、刘正埙司认为，采用负极性进行电火花加工时，工具电极的损耗主要是由于火 花放电前几百纳秒出现的电子流对工具表面的轰击造成的，并指出所造成的工具 损耗仅与脉冲电压、电流及极间介质常数有关。j r c r o o k a l i e 9 1 贝u 从理论上推导了 电极磨损锥度公式，建立了多电极重复精加工使用电极数与加工的槽孔锥角之间 2 纛 第l 章 的关系，为选择精加工电极数量提供了依据。 1 2 2 加工工艺理论研究 电火花加工工艺理论研究是电火花加工中研究比较活跃的一个领域，其研究 成果可直接指导生产实践，提高电火花加工的加工性能。评价e d m 加工性能的指 标主要有加工速度、表面粗糙度、电极损耗率和过蚀等。另外，开拓电火花加工 的加工范围，探索细微复杂结构的加工，也是当前的研究热点之一。 ( 1 ) 高效加工技术日本的m k u n i e d af 1 蜘等采用水作工作液，并向放电间隙通入 氧气，可以观察到更大的放电凹坑和更加频繁的放电，加工速度也相应提高。法 国的d k r e m 盯等人【n 1 在研究中使工具电极振动，大幅度地提高了加工速度。 在传统的纵向进给e d m 中，间隙中蚀除微粒的运动方向与吸入工作液的运动 方向相反，较大的颗粒可能聚集在下部，底部区域存在不流动点，形成稳定的电 弧放电点。m k u n i e d a 等a r m 把纵向进给变为横向进给，研究表明：在横向进给 的e d m 中，蚀除微粒沿着放电间隙端面上升，而清洁的工作液从下部吸入，在加 工间隙内不存在静止点。 ( 2 ) 镜面加工技术镜面电火花加工技术的研究起步于2 0 世纪8 0 年代。所谓镜 面电火花加工一般是指加工表面粗糙度值k 在0 2 以下的电火花加工，此时的加 工表面具有镜面反光效果。具有镜面加工效果的电火花加工表面，其表面变质层 厚度均匀、极少有微裂纹，并且有较高的耐磨性和耐蚀性，无需抛光即可用作零 件的最终表面嘲。 ， 混粉电火花镜面加工技术最先由日本的毛利尚武等人发明，很快就受到世界 各国的重视，被认为是二十一世纪电火花加工技术发展的重要方向之一【1 4 】jys w a n g 等人1 5 1 对混粉加工中的火花放电机理进行了研究。哈尔滨工业大学何广敏、 李立青等人n 蜘研究电火花镜面加工技术时在工作液中混入气体，提高了加工稳定 性。合肥工业大学的高正一在混粉电火花镜面加工技术基础上又附加了超声波振 动，进一步改善了工件表面放电痕的分布，使放电痕变得浅而均匀 r l 。 ( 3 ) 低损耗技术工件接负极和长脉冲加工，可使电极损耗降低，甚至可以出现 电极无损耗加工 山东大学硕士学位论文 浙江大学的张云 1 8 1 对电火花加工硬质合金时的电极损耗进行了研究，选用较 大峰值电压电流和较小脉宽的加工参数组合，提高了加工效率，并能相对减少表 面微观裂纹的产生和减少电极的损耗。日本三菱电机公司开发出大幅度减小电极 损耗的s c 电路，当脉冲较宽时，可实现电极无损耗加工嗍。 ( 4 ) 微细加工技术电火花微细加工主要指小于0 3 m m 的孔径、沟槽、型腔等的 加工。目前，应用电火花加工技术已经可以稳定地得到尺寸精度高于0 1 御，表 面粗糙度r i 小于0 0 1 朋的加工表面嘲。 日本的t m a s u z a w a 2 t 和z y ，1 u 以水作工作液，用线电极磨削法制作微细电 极，利用水平电火花加工法加工出直径为5 0 a n ，深径比大于1 0 的微孔。此外，宋 小中、刘正埙 2 3 j 指出了要获得适合于微细加工的放电痕形状，最大脉冲放电能量 必须控制在l o 。6 焦耳量级以下。 ( 5 ) 非导电材料加工技术对非导电材料，难以形成火花放电，因此也就难于进 行电火花加工。但是随着非导电的工业陶瓷材料的广为采用，以及其形状的日趋 复杂，研究针对这类材料的电火花加工技术，已经成为电火花加工领域的新趋势 之一。 近年来有人试图用电火花技术加工非导电材料，取得了不错的效果。日本的 yf u k u z a w a h e 等人嗍采用辅助电极法实现了对非导电陶瓷的电火花加工。哈尔滨 工业大学的刘永红嘲也作了有益的尝试，利用物理充气和工具电极超声振动的方 法可以提高非导电材料的电火花加工效率。 ( 6 ) 弯曲孔电火花加工技术电火花加工一般只适于加工轴线为直线的孔f 但近 几年有人研制成功弯曲孔的电火花加工技术。日本电气通信大学的石田等人啪和 东京大学的m f u k u i 2 7 1 应用各自发明的装置实现了弯曲孔的电火花加工 ( 7 ) 机械脉冲放电加工技术机械脉冲放电加工技术是近几年出现的一种新的 加工技术，它是在直流电源的作用下，通过工具电极与工件的机械相对运动来实 现脉冲放电。目前比较成熟的有磨肖l 机械脉冲放电复合加工、超声振动一间隙脉 冲放电复合加工、超声振动一磨削词隙脉冲放电复合加工等。 法国的d k r e m e r 等人系统地研究了超声振动对电火花加工性能影响】，结果 4 1 l 第l 章 表明超声振动提高了加工速度，使加工过程稳定。在国内，山东大学张建华教授嗍、 香港理工大学李大超教授捌和北京科技大学贾志新博士嗍都在作这方面的研究。 ( 8 ) 电火花铣削加工技术电火花铣削加工技术也称为电火花创成加工技术，它 是一种替代传统的、用成型电极加工型腔的新技术。它是近年来发展起来的进行电 火花高速加工的一种有效手段。 从上世纪8 0 年代开始，国内外众多学者纷纷研究借鉴数控铣削的思想进行三 维轮廓加工的电火花铣削术。如东京大学的增沉隆久、余祖元等人口”对用简单电 极进行三维微细电火花加工进行了研究，并在实际加工中获得了良好的效果。进 入2 0 世纪9 0 年代后，随着数控电火花加工技术的发展，有关电火花铣削加工技术 的研究非常活跃。目前国外二维半的电火花铣削加工技术取得了较大进展，部分 三维微细电火花铣削加工技术也正在进行，三维电火花铣削最为关键的技术是电 极损耗的在线补偿，一旦在关键技术上取得突破，电火花铣削加工将有可能取代 传统电火花成型加工的地位啕。 ( 9 ) 表面改性加工和堆积加工电火花表面改性技术是利用工件和电极之间的 电火花放电，在工件表面形成一层所要求性能的处理层，来实现对工件表面进行 强化、改性的技术。 毛利尚武教授、斋藤长男教授和三菱电机名古屋制作所合作，对液中电火花放 电表面改性处理进行了研究，在$ 4 5 c 钢上成功地堆积出w c 厚膜( 层) 。毛利尚武 教授还用钨电极( 由o 1 m m ) 成功地进行了电火花堆积。此外，日本名古屋工业大学 早川伸哉博士等在空气中进行了电火花堆积造型试验 3 3 1 。 1 2 3 气中放电加工新技术 。； 1 2 3 1 气中放电加工的提出电火花加工在近半个世纪的发展过程中，一直存在着 这样一种观念：电火花加工必须在煤油或水等加工液中进行。实践中发现，使用工 作液时会产生以下方面的问题：使用煤油或含有添加剂的工作液加工时，高温放电 通道使加工液发生裂变和化学反应，易使煤油等附着在加工面上，增加了加工的不 稳定性，导致降低加工速度及精度。用煤油加工钢时，加工面上将形成含有微裂纹 等缺陷的白层使用去离子水进行电火花线切割时，会发生电解腐蚀，使工件表面 5 山东大学硕士学位论文 上产生微空洞。使用油工作液，还存在着火灾隐患，难以实现无人看管加工。使用 煤油或有添加剂的水工作液加工时会产生有害气体。此外，也存在着废液处理等问 题。 针对上述存在的问题，东京农工大学国枝正典教授所领导的国枝研究室，于 1 9 9 5 年前后率先开展了气中( 干式) 电火花型腔加。气中电火花加工，是指 放电加工的过程中，用高速气体流替代传统的加工液，实现加工间隙内加工屑的 排除及其冷却作用的一种新型加工方法。这一概念一经提出便引起了业界的重视， 被认为是2 l 世纪很有发展前景的绿色加工方法之一。 继气中电火花型腔加工研究之后，国枝正典和王彤等人又进行了低速走丝气 中电火花线切割的开发研究工作。 1 2 3 2 气中放电加工的研究进展气中放电加工是东京农工大学国技正典教授于 1 9 9 5 年前后率先开展起来的。但是，目前国际上对气中放电加工的研究还比较少， 相关文献也很少。在国内，也只是有少数学者在展开这方面的研究工作。 其中山东大学的张建华教授和张勤河教授对超声振动辅助气中放电加工进行 了初步的研究。日前已经实验验证了超声振动辅助气中放电加工的可行性。实验 结果表明，超声振动辅助气中放电加工中产生的火花明显地比常规脉冲火花放电 明亮，其加工过程中的反应比常规脉冲火花放电更剧烈。理论推导了超声振动辅 助气中放电加工材料的去除率公式，得出的理论公式表明：材料去除率与放电电 流和放电电压成正比；在其它参数一定时，材料去除率随着脉冲宽度的增加而非 线性增大，随着脉阔的增大而非线性减小。建立了超声振动辅助气中放电加工工 件表面粗糙度的数学模型，该模型表明，加工表面粗糙度随着放电电流、放电电 压以及脉冲宽度的增大而增大。理论分析了超声振动作用强化材料去除和减少加 工过程短路现象发生的机理，并通过实验加以验证。对超声振动辅助气中放电加 工技术进行了系统的实验研究，实验结果表明：工具电极接负极时电极损耗率较 小，基本稳定在5 以下，而且脉冲宽度对电极损耗的影响不明显；工具电极的壁 厚对材料去除率影响显著，特别是当工具电极的壁厚大于0 3 r a m 时，材料去除率 急剧下降；加工表面粗糙度随着脉冲宽度、峰值电流、开路电压的增大而增大等。 超声振动辅助气中放电加工技术及其机理已经有了一定的研究基础，取得了 6 第1 章 一些重要的成果，为该新技术的实际应用打下了良好的基础。但理论还不成熟， 只是初步建立了模型，仍有许多方面需要进一步的研究，如超声振动对放电加工 时气体流场的影响，各个工艺参数对加工效率的影响，氧气、氮气等条件下的加 工效果，以及超声振动各个参数对加工过程的影响规律等。 同时，哈尔滨八一农垦大学的程新江以及哈尔滨理工大学的王彤等人对气体 电介质在电火花线切割加工中的应用也作出了进一步的研究工作从电介质的作 用方面出发，由液体与气体的伏安特性曲线入手，提出气中放电加工较液体介质 可提高工件表面加工质量，并通过实验数据证明了气中加工的表面粗糙度明显地 好于液中加工口量3 q 。 此外，他们还联合国枝正典教授开发了低速走丝气中电火花线切割工艺，并 得出如下结论：可实现气中电火花线切割精加工；气中加工的放电间隙小于液中 加工；气中加工沿走丝方向获得的直线度显著优于液中加工；气中加工的金属去 除率低于液中加工网。 1 3e d m 仿真研究综述 研究加工工艺理论，需要了解间隙动态对加工性能的影响。要达到较好的控 制效果，就必须认识放电过程。因此放电机理研究是工艺理论和控制技术研究的 基础。 近十年来，e d m 机理研究没有取得突破性进展，除了放电过程本身的复杂性、 随机性的原因外，主要还在于研究手段缺乏创新。传统的高速摄影对于重复脉冲 放电很难获取完全信息，其结果很难做定量分析。常用的检测装置可以测量放电 间隙的某些参数及其对加工性能的影响，并可以拟合出他们之间的经验关系，但 仍有些加工状态参数很难直接测量，而这些参数对于控制加工状态却是十分重要 的，因此有必要引入现代研究技术和方法，克服传统研究方法的局限性，深入研 究揭示放电过程的微观情况和本质，建立反映放电客观规律的模型，为机床设计 和加工过程控制提供可靠的依据。 计算机仿真技术可以帮助我们认识放电加工机理。放电加工是一个十分复杂 的过程，目前尚未建立精确的数学物理模型，只能根据试验结果建立经验模型， 7 山东大学硕士学位论文 这就需要处理大量数据，计算机仿真技术可以轻而易举地完成这些工作。通过在 计算机上建立仿真模型，模仿实际系统的运动状态及其随时间的变化过程。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真实性能。 仿真技术在很多领域获得的成功及其在e d m 研究中的初步应用都表明它是 研究e d m 加工机理的有效工具 3 s - 4 1 ，。上海交通大学进行了w e d m 间隙状态预测 系统的计算机仿真研究，用人工神经网络预测了放电状态，并且具有较高的预测 精度。哈尔滨工业大学和清华大学在计算机仿真技术方面进行了大量的研究工作， 目前正在进行e d m 机理的仿真研究，初步建立了脉冲放电过程的仿真模型，观测 和研究了放电加工的微观过程及极问物理状态变化，并能仿真出优化的加工参数。 国外也有人研究用人工神经网络来识别e d m 过程，识别的成功率可达9 8 5 。日 本还有人仿真了横向进给e d m 中蚀除颗粒的运动及其分布，由此解释了横向进给 旋转电极e d m 存在使加工表面质量最好的最优转速的原因。瑞士有人进行了电火 花成形过程的几何仿真，描述了电极损耗和工件蚀除的过程。 此外，应用计算机技术进行热分析是热分析发展中的一个飞跃性进步。其中 a n s y s 有限元软件依靠其强大的功能，在热分析领域得到了广泛的应用。a n s y s 在应力、温度场方面的应用已取得了一定的成果。杨庆祥等用a n s y s 计算软件， 模拟了堆焊过程中温度场和残余应力场的分布，将仿真值与残余应力场的测量值 进行了比较，结果表明残余应力场的计算结果与实测结果吻合较好旧。朱援祥等 以b h w 3 5 钢补焊为例进行了温度常及应力应变场方面的仿真研究，得出焊后热处 理能改善应力分布【删。此外，山东大学的孟艳华对电火花加工的温度场分布进行 了初步的研究，发现计算结果和实际测量数值基本吻合。 ， 在国外，a n s y s 在热分析的应用也取得了很大的进展，与国内相比，以多场 耦合的应用较多，如a p a m o s o v 和a f f e d o t o v l 4 4 1 应用a n s y s 5 1 对在脆性壳 中合成坯件的高温热力学状态进行了模拟，有效的指导了具体工艺的实施。另外， 有些科研工作者还把a n s y s 与其它的一些有限元软件如d e f o r m 等结合起来， 或者与一些高级编程语言如c + + 等配合使用，取长补短，大大提高了研究的可靠性， 通用性，扩展了a n s y s 的应用，推动了热分析研究的进步 4 5 1 。 8 - 器 ， ， 一叁 第1 章 尽管e d m 仿真技术研究开展不久，但已经现出勃勃生机，在e d m 机理研究 中大有用武之地。如果仿真技术能帮助我们解决e d m 机理研究中遇到的困难，将 推动e d m 技术更加广泛深入地发展。 1 4 电加工技术的发展趋势 加工高速化近年来在提高加工速度方面有了新的突破，电火花切割机床的切 割速度达到3 0 0 m m 2 m i n ，电火花成形加工速度也大大提高，这是采用控制技术和 非燃性工作液的结果。在水基工作液中加工钢材，在相同的平均加工电流下，其 加工速度比煤油工作液高2 - 3 倍。 加工精密化由于微精加工脉冲电源、数控技术、工作液混粉加工工艺等相关 技术的进步，使e d m 加工表面粗糙度达到r 6 m t ，而且可以进行大面积加工， 加工精度从常规的划线配作方式，进入微米级亚微米级增量值的定位。最近w e d m 机床能提供0 1 u n 的进给增量，可保证工作台定位精度在1f a n 之内，加工精度达 到1 a n ，可获得r 0 5 a n 以下的表面粗糙度。 加工微细化由于高技术产品趋于微细化和集成化，同时还受到高速铣削加工 的挑战，e d m 的重点开始向精密、复杂、微细模具加工方向转移。目前电火花加 工技术己达到较高水平。国外开发的电火花磨削成形加工法可加工直径为 0 0 0 0 5 m m 的轴和0 0 0 1 5 r a m 的孔，其加工精度分别为0 5 a n 。在国内，南京航 空航天大学曾加工出孔径为0 0 0 2 m m 的轴，并以其为电极加工出0 0 0 2 5 r a m 的小 孔【蛔。 。： 加工自动化为保证加工过程的正常稳定，提高加工效率，首先提出了电火花 加工的自适应控制，由于放电加工的复杂性、随机性，自适应控制难以达到预期 的控制效果，后来又出现了模糊控制这类智能控制技术，它是将熟练操作者具有 的加工操作调整技巧予以自动化，采用该加工技术一般提高加工速度2 0 - 3 0 。 最近还有人采用灰色系统理论与e d m 的特点相适应，把它用于e d m 控制系统也 许是合理可行的。 应用范围扩大化e d m 不仅可以加工各种硬脆金属材料和复杂型腔，而且还 9 山东大学硕士学位论文 能加工半导体材料、陶瓷材料、聚晶金刚石以及各种非导电材料，并获得低粗糙 度表面和尺寸公差在微米内的加工结果。电极材料种类也越来越多，除了常用的 铜、钢、石墨之外，国外有人研究出多种复合电极材料，由粉末和短纤维通过烧 。 结和挤压制成，由于这种复合材料的导热系数低，因而可以作为混粉加工中粉末 的来源。 1 5 本课题意义 本课题提出的超声振动辅助气体介质电火花加工技术，以低压气体为工作介 质，无须使用高压气体，比较容易实现，具有对环境友好、工具电极简单等优点；超 声辅助振动有利于改善加工区的气体流场，有利于电蚀产物的排除，提高加工效率。 本课题具有以下意义： 对环境友好加工过程中不需工作液，而是在气体介质中完成的，打破了传统 电火花加工必须将工件埋进煤油等介质中的方法，所使用的气体通常是空气、氧 气、氮气等，不会对环境造成污染。 不受工件空间位置的限制传统的电加工方法由于受工作液的限制只能向下 加工。该方法由于是空气作介质打破了这种限制，可以对任何方位进行扫描创成 ” 加工。 引起电火花加工的革命性变化从电火花加工中的放电理论看，电火花加工中 。 的工作液介质一般认为是不可替代的，它是保证产生熔化或汽化金属的火花以及 熔化金属被抛出所必须的。气中放电加工技术的实现，将打破这种定式，无疑会 对电火花加工工艺、设备以及加工理论产生革命性影响，必将产生新的加工理论。 超声振动辅助作用工具电极的超声辅助振动有利于改善加工区的气体介质 流场，有利于电蚀产物的排除，提高加工效率并改善加工表面质量。 1 6 本文主要工作 1 ) 气中放电加工基本理论的研究。分析了超声振动对材料去除的影响机理。 阐述了超声振动辅助气中放电加工的机理；分析了气体介质电火花加工的放电过 程，建立热源模型，理论推导材料去除理论模型及仿真计算模型；并对超声振动 第1 章 及高压气体对电加工的综合影响进行了理论分析。 2 ) 超声振动辅助气中放电加工温度场研究。主要分析单脉冲放电的温度场分 布，建立单脉冲放电加工温度场分布的物理模型，并利用a n s y s 软件对单脉冲放 电的温度场进行模拟，并通过试验对仿真所得结果进行了验证 3 ) 利用a n s y s 软件对单脉冲放电的热应力应变场进行了模拟仿真。 山东大学硕士学位论文 第2 章超声振动辅助气中放电加工机理 放电加工机理的研究是放电加工工艺和控制技术研究的基础。在放电加工中， 要提高加工效率，改善加工后表面性能，就必须深入地研究整个放电过程。气体 介质中电火花加工与传统电火花加工相比具有一定的相似性，其物理过程也是由 介质的电离、击穿，形成放电通道；能量转换和传递；电极材料的熔化和抛出； 极间介质消电离等几个阶段组成吲。 本章将对超声振动辅助气中放电加工的机理，气体介质电火花加工的放电过 程以及超声振动对电加工的影响进行分析。 2 1 超声振动辅助气中放电加工机理概述 t 超 亩 振 动 图2 - 1 超声振动气中放电加工原理图 超声振动辅助气中放电加工基本原理如图2 - 1 所示。固定在主轴头上的工具电 极与固定在工作台上的工件分别与高频脉冲电源两个输出端相连接。伺服控制单 元通过伺服进给装置使工具电极和工件之间保持一个很小的、可进行火花放电的 间隙。工具电极制成中空的薄壁管形状，放电加工时，主轴头带动工具电极旋转， 同时在电极中间通以高压气体介质。工作台固定在超声变幅杆端部，工件随着工 第2 章 作台一起作超声频振动。当脉冲电压加到两电极之间时，立即在极间形成一个电 场。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，最终导致气体 介质在绝缘强度最低处或间隙最小处击穿，形成放电通道，在该局部产生火花放 电。放电产生的瞬时高温使工件电极和工具电极表面材料熔化和气化，熔化和气 化的材料在爆炸力作用下从电极表面上分离并迅速被极间高速流动的气体介质带 走。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间后气体介质恢复绝缘，第二个脉冲电压 加到两电极上又在极间相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电，又蚀出一个小凹坑。 这样随着连续不断的重复脉冲放电，工具电极不断地向工件电极进给以维持适宜 的放电间隙。 2 2 气中电火花加工特性 已进行的气中电火花加工研究是采用回转式薄壁管状工具电极，管中输入压 缩气体，实现平动式型腔加工。根据部分研究结果，认为气中电火花加工具有以 下的基本特征 4 8 1 ： 1 ) 气中型腔加工时，由于放电过程本身较难实现加工屑的排出等功能，而且 所排出的熔融金属冷却较慢，容易附着在工件表面上，必须外加压缩气体协助， 完成排屑、冷却及消电离的功能。 2 ) 气中加工时，由于飞溅到工具表面的部分工件材料起着电极保护作用，其 工具电极的相对损耗较低( 在进行气中放电加工时，在电子雪崩开始后某时刻以后，空间电荷对放电的 影响不可忽视。因为随着电子的不断发展，电子崩辐射出大量的光子，使阴极产 1 4 4，；，il+， 第2 章 生光电子发射，光电子又产生大量的次电子崩。空间的电子、离子都在增加，空 间电荷的作用在不断增加。当电离发展到一定的阶段，在阳极附近存在着电离粒 子的大量积聚，形成了较大范围的空间电荷分布，当电子到达阳极后，聚集在阳 极附近的大量正空间电荷使电场发生畸变，又促成了电子崩的发展。 当电子崩中电子数增长到某一值时，电子崩突然转变为流光。在流光的发展 过程中次电子崩不断汇入电子雪崩，使流光向阴极方向传播，电子沿通道向阳极 运动。流光迅速提高通道的电离度及电导，间隙上的电压迅速下降，造成气体的 击穿，从而形成放电通道。 2 4 极间能量的转换与分配 在气体介质电火花加工的物理过程中，能量的转换与分配是一个很重要的方 面，它将直接影响放电加工过程中材料的蚀除。 2 4 1 极问能量分配 极间能量的分配是电火花加工极间放电现象的重要规律，它影响模型化分析 中热源热流密度的大小。能量的分配是否有一个确定的数学关系，也一直是学者 们所关注的一个热点问题。脉冲放电时在放电间隙所获得的全部能量为 w = 球( f ) f ( f ) 4 ( 2 一1 ) 式中r f 卜橛间电压( v ) ； 玎矿礅电电流( a ) ； 驴一放电持续时间( s ) 放电过程中阳极压降和阴极压降将基本保持不变。放电通道中的压降一般都 比较小，所以放电通道中消耗的能量也比较小，大约只占极问释放总能量的1 5 4 0 1 4 7 1 ，并且绝大部分能量都是由高速运动的带电粒子传递给电极表面，损失在 周围介质中的能量只占很小一部分。通过对焊接热过程的能量分配的研究表明， 在空气中放电时，分配在工件上的能量约为7 0 8 5 唧。在超声辅助气中放电加 工中，由于放电过程中通高压气体，所以对流散热相对焊接过程来说要大些，但 实际分配在电极对上的能量还是相当可观的。 1 5 山东大学硕士学位论文 虽然放电过程中，电能一部分转换为气体离子，电子动能、放电时火花产生 的光能和声能，以及放电通道电流产生的电磁能等，但是大部分能量还是以热能 的形式传导到工件电极上。分配在电极对上的能量也不一定都能够进行有效的加 工。一部分能量分配在工具电极上，造成电极损耗；一部分能量只在电极内部传 导但是不能使工件材料产生相变，这两部分都是能量的损耗部分；只有使电极材 料产生熔融或气化的那部分能量是有效的。图2 - 3 为放电加工过程中能量分配示意 图。 国2 - 2 , 极间能量分配及传递 能量在两极问的分配比例不能归一为某一定值。在电火花加工的能量传递形 式中，带电粒子对电极表面的高速轰击是主要的吲，带电粒子数越多，所传递的 能量也就越多，换句话说，电子流越大，电子传递给阳极表面的能量也越大。 2 4 2 气中放电加工热源模型 有多种方法研究电加工材料熔化蚀除的热物理模型，不同之处在于对热源和 边界条件的处理。对于不同的放电情况，热源可视作点源、面源，还可认为与时 间相关。 气体介质的放电加工电极上的热源分为两类；体积热源和表面热源。放电初 ；|，t 第2 章 期，放电电流流过电极表面将会在电极内产生巨大的焦耳热，形成瞬时高温热源， 即体积热源。体积热源一般在放电初期或加工不良导体时作用才较明显。在加工 良导体时，基本可以忽略不计跚l 。因而气中放电加工过程中，热源形式主要是面 热源，即由放电通道中等离子体碰撞电极以及放电通道的热辐射等作用在电极表 面形成的热源。 在一次脉冲放电过程中，电极表面高温热源所获得的热量为 q 。，= 仉# jo * u ( t ) i ( t ) d t ( 2 - - 2 ) 式中q 4 ，广分别为阳极和阴极所获得的热量( j ) ； 巩。分别表示阳极和阴极的能量分配系数； 珂p 极问放电电压( v ) ； 玎矿放电电流( a ) ； 俨放电持续时间( s ) 图2 _ 4 放电通道中的加热斑点 。 在模拟分析中，热源的大小和空问分布对热场有重要影响。放电时在电极表 面所形成的热源，并非是一个几何点，而是有一定面积的放电斑点，其面积大小 与放电通道截面积密切相关如果进一步分析，可将加热斑点分为活性斑点区和 加热斑点区。活性斑点是指放电通道中带电粒子集中轰击直径为以的斑点面积， 电流密度j 的变化如图2 _ 4 中虚线所示。所谓加热斑点，是指在直径为如的区域 内，电极受热是通过放电通道的热辐射进行的。 1 7 山东大学硕士学位论文 加热斑点区的热能分布是不均匀的，热源模型是否选取适当，对瞬态温度场 的计算精度，特别是在靠近热源的地方，有很大的影响。在放电通道等离子体中， 由于放电电流自生磁场的约束作用，带电离子密度将是轴心处最大，而越是远离 轴心其带电离子密度将越小，并符合高斯分布，因而与电流密度相关的热流密度 也必然会有类似的分布规律。热流密度分布示意图如图2 5 所示。 图2 - 5 热流高斯分布示意图 距放电点中心任一点a 的热流密度可用下式表示1 5 2 1 ： 纠x p 卜爿 ( 2 3 ) 式中q ( o _ a 点的热流密度( j c m 2 s ) ： g 矿一放电中心处最大热流密度( j c m 2 s ) ； k 热流量集中程度系数； ，一点距放电中心的距离( e n d ； r 放电通道加热斑点半径( c m ) 根据知和k 值即可求出任一点的热流密度牙纠。立体高斯锥体下面的全部热 能为： 第2 章 粤：l 皇c ，) 卯：f e t ；2 胛打：譬( 2 - - 4 ) 由此可求出： 吼= k _ _ - - - t q t 2 5 ) 譬_ 2 ) j 式中牙电极表面所获得的有效功率q = 譬阿，( j ，s ) ； 玎电极上能量的分配系数； 卜放电维持电压( v ) ； j 放电维持电流( a ) 综合以上分析，可得热流输入的分布函数为 删= 警唧( - 七a ( 2 - 5 ) 式中k 值越大，放电的热流密度随着远离中心递减得也越快，而加热斑点的 直径妇也就越小。薛忠明等人【捌在对激光焊接的高斯热源模型的分析中提到，对 应于k 取1 ，2 ，3 的值时，高斯热源的能量分布百分比分别为6 3 2 ，8 6 4 ，9 5 0 2 。 根据张春平嘲对如所作的分析，本文在仿真分析中选取k = 3 。 2 4 3 相变问题 通常的相变过程