（机械设计及理论专业论文）气体介质单脉冲火花放电加工机理及有限元仿真研究.pdf

摘要 摘要 本文所研究的是气体介质单脉冲火花放电加工机理及有限元仿真研究。由于 气体介质放电加工是一种绿色加工工艺，因此该加工方法受到了国内外电加工研 究领域学者的广泛关注，是电火花加工领域的研究热点之一。 本文对气中火花放电机理进行了深入的研究。研究结果表明，气体火花放电 是由t o w n s e n d 击穿开始，逐步发展到流光击穿而形成的；气中放电通道的扩展要 比液中放电通道扩展快；气中放电过程中电蚀产物的抛出主要是由热爆炸力、高 压气流的吹除力、磁流体动力共同作用的结果，而对于硬脆材料，热应力蚀除起 主导作用。 进行了气中单脉冲火花放电实验，实验结果表明，正极性加工时工件上的单 脉冲放电凹坑比负极性加工时的要大，且正极性加工时阳极的单脉冲蚀除量高于 阴极的蚀除量；压缩空气为放电介质的单脉冲放电凹坑比常压空气下的单脉冲放 电凹坑要大，且其放电凹坑的形状由于气流吹除作用而沿一定方向进行延伸；呵 中单脉冲放电凹坑都随着放电能量的增大而增大。 分析了气中单脉冲放电的物理过程，构建了气中单脉冲放电的传热物理模型； 通过计算两极间释放总能量以及分析能量在两极及放电通道中的分配，推导出了 热流密度载荷公式；分析了导热计算定解条件的基础，从固态传热的角度建立了 气中单脉冲放电的传热数学模型，并对传热数学模型的求解方法进行了分析。 采用有限元分析软件a b a q u s 对气中单脉冲火花放电传热过程数学模型进行 了模拟，利用子程序d f l u x 实现随时间和坐标变化的热源模型，传热模型的有限 元仿真计算结果表明，所建立的传热模型与实际的放电过程及结果基本一致，验 证所建模型的有效性。 关键词电火花加工；气体介质；单脉冲；有限元模拟 国家自然科学基金( 5 0 5 7 5 1 2 8 、5 0 7 7 5 1 2 8 ) 以及山东省中青年科学家奖励基金( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 4 ) a b s t r a c t t h er e s e a r c ho ft h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l yf o c u so nt h en u m e r i c a ls o l u t i o n st ot h e t e m p e r a t u r ef o rs i n g l ep u l s ed i s c h a r g eb a s e d o ng a sd i e l e c t r i c t h ee d mb a s e do ng a si s ag r e e np r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , s oi ti sv a l u e db yr e s e a r c h e r sa th o m ea n da b r o a do nt h e f i e l do fe d m ，a n di ti so n eo ft h er e s e a r c hf o c u so ne d m s t u d yt h em e c h a n i s mo fe d mi ng a s t h er e s u l t si n d i c a t et h a tt h ed i s c h a r g i n g p r o c e s sd u r i n ge d mi ng a si n i t i a l l yc o m e sf r o mt o w n s e n db r e a k d o w np r o c e s sa n d t h e n c h a n g e st os t r e a m i n gb r e a k d o w np r o c e s s t h ed i s c h a r g i n gc h a n n e ld u r i n ge d m i ng a s e x p a n d sm o r eq u i c k l yt h a ni t d o e sd u r i n gc o n v e n t i o n a le d m t h er e m o v a lo ft h e m a c h i n i n gd e b r i sd u r i n ge d m i ng a si sc o n c u r r e n tr e s u l t so ft h et h e r m a le x p a n s i o n ，t h e f l u i do fc o m p r e s s e dg a s ，m a g n e t i cf l u i dd y n a m i cf o r c e ，w h i l et h et h e r m a ls t r e s sr e m o v a l p l a y sad o m i n a n tr o l ei nm a c h i n i n gt h eh a r d - b r i t t l em a t e r i a l d on u m e r o u ss 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 si ng a s t h ef o l l o w i n gc o n c l u s i o n s c a nb ed r a w nf r o mn u m e r o u ss 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 s t h es i n g l ep u l s e d i s c h a r g ec r a t e ro ft h ew o r k p i e c eo nt h ec o n d i t i o no f t h ep o s i t i v ep o l a r i t yi sb i g g e rt h a n t h a to nt h ec o n d i t i o no ft h en e g a t i v ep o l a r i t y t h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ec r a t e ro ft h e w o r k p i e c ei sb i g g e rt h a nt h a to ft h et o o le l e c t r o d ew h e nt h et o o le l e c t r o d ei sc a t h o d e a n dt h ew o r k p i e c ei sa n o d e t h ec r a t e rp r o d u c e db ys i n g l ep u l s ed i s c h a r g ei nt h e c o m p r e s s e da i ri sb i g g e rt h a nt h a tp r o d u c e di nt h ea i ra n di t sf o r mc h a n g e sa c c o r d i n gt o t h ef l u i do ft h ec o m p r e s s e da i r t h ev o l u m eo ft h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ec r a t e r i n c r e a s e sa st h ep u l s ee n e r g ys t r e n g t h e n s t h ep h y s i c a lm o d e lo ft h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ei ng a sw a sb u i l ta c c o r d i n gt ot h e t h e r m o p h y s i c a lp r o c e d u r e t h ef o r m u l ao fd i s t r i b u t e ds u r f a c ef l u xw a sd e d u c e db y c a l c u l a t i n gt h ec o n v e r s i o na n dd i s t r i b u t i o no ft h ed i s c h a r g i n ge n e r g y t h em a t h e m a t i c a l m o d e lo ft h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ei ng a sw a sb u i l tb ya n a l y z i n gt h eb o u n d a r y c o n d i t i o n sf o rt h e r m a lc a l c u l a t i n g m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ei ng a sc a nb ec a l c u l a t e dt h r o u g h f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) s o f t w a r ea b a q u s t h et h e r m a ll o a dm o d e lc h a n g i n g i l 摘要 o v e rt i m ea n dc o o r d i n a t e si sa c h i e v e db yu s i n gs u b r o u t i n ed f l u x t h er e s u l t so ft h e f e ma n a l y s i sh a v ev e r i f i e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fe d mi ng a s k e y w o r d se d m ；g a sd i e l e c t r i c ；s i n g l ep u l s e ；f e m 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。 对本文的研究做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：堡 日期：丝! ：兰：堡 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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：兰簦 导师签名： 第一章绪论 1 1 电火花j r z 技术简介 1 1 1 电火花加工 第一章绪论 电火花加工又称放电加工( 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 简称e m d ) 。它是 在加工过程中，使工具和工件之间不断产生脉冲性的火花放电，靠放电时产生的 局部、瞬时的高温将金属蚀除下来。这种利用火花放电产生的腐蚀现象对金属材 料进行加工的方法叫电火花加工。 e d m 的起源最早可追溯到1 7 7 0 年，英国化学家j o s e p hp r i e s t l y 发现了放电火 花的腐蚀作用。然而直到1 9 4 3 年，才由前苏联科学院电工研究所的拉扎连科夫妇 研制出利用电容器反复放电充电原理的世界上第一台实用化的电火花加工装置， 并申请了专利。经过半个多世纪的发展，电火花加工已成为一种重要的加工手段， 它在机械、航空、电子、仪器、化工、汽车等领域发挥越来越重要的作用。在某 些领域，比如在难加工材料及复杂形状零件的加工中，电火花加工已经成为不可 替代的加工方法。近年来，随着现代科学技术的不断进步，尤其是进入2 0 世纪9 0 年代后，随着信息技术、网络技术、航空航天技术、材料科学技术等高新技术的 发展，电火花加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展i l ，2 】。 1 1 2 电火花加工的特点 电火花加工具有许多传统切削加工无法比拟的优点1 3 4 j ，主要表现在： ( 1 ) 电火花加工是基于脉冲放电的电腐蚀原理，其脉冲放电的能量密度很高， 加工工件不受材料硬度和热处理状况影响，因而可以加工任何普通切削加工难以 加工的硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料。此外，在一定条件下还可以加工半 导体材料和非导电材料。 ( 2 ) 在加工过程中，工具电极与工件不接触，两者之间几乎无宏观作用力，工 山东人学硕十学位论文 具电极材料可以比工件材料软，因而工具电极比较容易制造。加工过程中宏观作 用力极小还有利于小孔、薄壁、窄槽以及各种复杂截面的型腔等零件的加工，也 适于精密微细加工。 ( 3 ) 脉冲放电的持续时间很短，放电时所产生的热量来不及传散，因而材料被 加工表面受热影响的范围很小，不会引起被加工材料性能的变化，同时适合于热 敏感性强的材料加工。 ( 4 ) 加工效果可以通过脉冲参数的调节进行控制，而脉冲参数能在一个较大的 范围内调节，故可以在同一台机床上连续进行粗、中、半精及精加工。 ( 5 ) 直接利用电能进行加工，而电能、电参数易于实现数字控制、智能化控制 和无人操作等，便于实现自动化。 1 1 3 电火花加工的应用范围 由于电火花加工具有许多传统机械切削加工所不具备的有点，因而在机械、 航空、汽车等领域得到越来越广泛的应用【5 】。电火花加工主要用于加工具有复杂形 状的型孔和型腔的模具和零件；加工各种硬、脆材料，如硬质合金和淬火钢等； 加工深细孔、异形孔、深槽、窄缝和切割薄片等；加工各种成形刀具、样板和螺 纹环规等工具和量具。 按照工具电极的形式及其与工件之间相对运动的特征，可将电火花加工方式 分为五类：利用成型工具电极，相对工件作简单进给运动的电火花成形加工；利 用轴向移动的金属丝作工具电极，工件按所需形状和尺寸作轨迹运动，以切割导 电材料的电火花线切割加工；利用金属丝或成形导电磨轮作工具电极，进行小孔 磨削或成形磨削的电火花磨削；用于加工螺纹环规、螺纹塞规、齿轮等的电火花 共轭回转加工；小孔加工、刻印、表面合金化、表面强化等其他种类的加工。 1 1 4 电火花加工的局限性 ( 1 ) 主要用于加工金属等导电材料。不能加工塑料、陶瓷等绝缘的非导电材料。 但近年来研究表明，在一定条件下也可以加工半导体和聚晶金刚石、陶瓷等非导 体超硬材料f 6 1 。 2 第一章绪论 ( 2 ) 力hq - 速度一般较慢。由于每次火花放电的蚀除量很小导致整体加工速度较 慢，但最近的研究成果表明，采用特殊工作液进行电火花加工，其粗加工生产率 甚至高于切削加工。 ( 3 ) 存在电极损耗。由于电火花加工靠电、热来蚀除金属，电极也会遭受损耗， 而且电极损耗多集中在尖角或底面，影响成型精度。 ( 4 ) 9 n i 后的工件表面由无数小凹坑组成，粗、中加工时表面粗糙度较差，且 表面有一薄的变质层。 1 2 电火花加工技术研究现状及发展趋势 随着世界经济的发展与能源紧张的矛盾日愈加剧，制造业有向小批量、多品 种方向发展的趋势，对产品的制造精度的要求越来越高，这些都对制造业提出了 更高的要求和挑战。为了积极地应对这些挑战，电火花加工技术，不断地向着电 火花加工技术的高速高效化、精密化、绿色环保、新型技术等方向发展。 1 2 1 高速高效电火花加工 高速铣削加工技术的飞速发展，对广泛应用于复杂型腔加工的电火花加工技 术形成了挑战。因此，不断地提高电火花加工速度和加工效率成为增强电火花加 工竞争力的重要举措之一。主要从以下几个方面来改善其加工速度和加工效率。 ( 1 ) 改善电火花成型加工工艺 k u n i e d a 等采用水作工作液，并向工作液中通入氧气，提高了加工速度【7 j 。 k r e m e r 、赵万生等1 8 , 9 1 在研究中给工具电极施加超声频振动，大幅度地提高了加工 速度。m k u n i e d a 等【1 0 】通过改变工作液的进给方式提高了加工效率。 ( 2 ) 发展和完善电火花铣削加工技术 电火花铣削加工技术采用简单形状的电极代替电火花成型加工中的成型电 极，实现了电火花加工的柔性化，也是提高电火花加工效率的一种方法【1 1 1 。 ( 3 ) 提高电火花机床伺服系统的响应 自从日本s o d i c k 公司率先将直线电机引入电火花加工机床以来，直线电机在 电火花加工机床的应用越来越广泛。另外，具有快速响应的装置，如电磁式线性 l i l 尔人学硕十学位论文 驱动装置、压电元件和磁致伸缩振子驱动装置，也已成为一种电火花加工机床伺 服系统的发展趋势【1 2 】。 ( 4 ) 利用先进技术来提高电火花加工速度。 当今计算机技术、控制技术、智能技术等得到了很大发展，将这些技术引入 到电火花加工技术中，从而实现高速高性能的电火花加工。 ( 5 ) 开发新型电火花加工工艺 气中电火花加工技术是最近发展起来的新型电火花加工技术之一。其突出的 特点是电极损耗很低，并且氧气为介质的加工速度不逊色于液中加工速度f 1 3 】。 喷雾电火花加工技术以水、气混合形成的高压雾气为放电介质，可以提高放 电通道的爆炸力，获得更高的材料去除率，也是提高电火花加工效率的一个重要 途径【14 1 。 1 2 2 电火花精密加工技术 加工工艺的精密化包括加工工件的尺寸精度高和表面质量好两层含义。提高 尺寸精度的有效方法就是提高放电间隙的稳定性和减少加工过程中电极的损耗， 实现电极损耗的在线补偿。提高加工表面质量的根本方法是减少单个脉冲放电的 蚀除量，使火花蚀除点小而均匀。 ( 1 ) 低电极损耗电火花加工技术 工具电极的损耗直接影响到加工工件的精度，电极的低损耗技术早就引起了 人们的注意，是近几年的研究热点之一【1 5 1 。 ( 2 ) 镜面电火花加工技术 混粉电火花镜面加工技术最先由同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 6 1 。 1 2 3 微细电火花加工技术 随着航天技术、微机电技术和生物技术的发展，窄槽、深孔、微细零件的加 工是电火花成型加工面临的重要课题。具体研究内容包括：微细电极的制作与装 夹，高精度微进给装置的设计制造，微能量加工电源的研制，微细加工工艺及复 4 菊一章绪论 合加工工艺等。 ( 1 ) 微细电极的制作与装夹 日本东京大学的增泽隆久等人在电火花反拷加工的基础上，利用线电极替代 反拷模块，成功的研制了线电极电火花磨尚j ( w e d g ) 技术。w e d g 技术出现，成功 地解决了微细电极的在线制作的瓶颈问题，促进了微细电火花加工技术的发展， 使其进入了实用化阶段【1 7 a 8 。 ( 2 ) 高精度微进给装置 微进给机构作为微细孔电火花加工装置中的关键技术，是实现微细电火花加 工的前提和保证。最近，一些新型微进给机构出现，如以蠕动式、冲击式、椭圆 式为典型的微进给机构【1 9 1 ，以步进电机和压电效应为基础的宏微驱动【2 0 1 ，以及基 于超声马达的微进给机构1 2 1 】等，很好解决了微细电火花加工中微小步距进给的难 题。 ( 3 ) 微细加工脉冲电源 微小能量脉冲电源主要有两种形式：独立式晶体管脉冲电源和张驰式r c 脉冲 电源【2 2 1 。有些学者提出了超低电压微细电火花加工方法，解决了长期困扰微细电 火花加工的微能量问题2 引。 ( 4 ) 微细电火花加工工艺及复合加工工艺 日本的t m a s u z a w a 和美国内布拉斯加林肯大学的z yy 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 朋深径比大 于1 0 的微孔【2 4 2 5 1 。哈尔滨工业大学的王振龙、狄士春教授提出了逐层扫描法微细 轮廓电火花加工f 2 6 1 。 1 2 4 绿色电火花加工 传统的电火花加工采用油基工作液作为电介质，存在制造成本高、对污染环 境、影响操作人员的健康等问题。另外，传统的电火花加工脉冲电源的能量利用 率比较低。应积极研究新型绿色环保电介质的电火花加工工艺和高效节能脉冲电 源。 ( 1 ) 绿色电火花加工介质 5 山东人学硕+ 学位论文 目前，绿色电火花加工介质主要有水基工作液、气体介质、气雾介质等类型。 水基工作液主要分为两种：一是自来水和去离子水，二是在水基工作液中加入有 机物添加剂。气体介质电火花加工技术由日本东京农工大学国枝正典教授首次提 出【13 1 。喷雾电火花加工技术以水、气混合形成的高压雾气为放电介质，与气中电 火花加工相比具有更好的冷却作用，也是实现电火花加工绿色化的一个重要途径 1 4 l o ( 2 ) 节能脉冲电源技术 节能型脉冲电源向着高效化、多功能化、小型化和智能化方向发展。哈尔滨 工业大学特种加工及机电控制研究所研制的新型电源，电能利用率高达8 5 ，而 体积和重量约为同等容量晶体管式脉冲电源的i 1 0 2 7 。 1 2 5 新型电火花加工技术 近年来电火花加工方面的研究不仅在传统电火花加工研究范畴取得了显著的 进步，而且突破了许多传统观念的束缚，产生了一些新的加工方法。这些电火花 加工技术除了前面提及的气体、气雾等新型放电介质的电火花加工技术之外，还 包括弯曲孔电火花加工、非导电材料电火花加工、放电堆积成型等技术。 ( 1 ) 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，但近几年来有人研制成功弯曲 孔的电火花加工技术。日本电气通信大学的石田与竹内发明了一种用于模具三维 冷却通道加工用的自主式弯曲孔加工装置f 2 8 】，称为“自动放电间隙控制器”。刘永 红等采用记忆合金( s m a ) 功能材料，研制出了曲线孔电火花加工机器人，采用该 机器人可方便地加工出形状复杂的空间曲线孔【2 9 】。 ( 2 ) 非导电材料的电火花加工技术 一般说来，电火花加工只适于加工具有良好电导率的工件。近年来有人试图 用电火花技术加工非导电材料，并取得了不错的效果【6 j 。 ( 3 ) 放电堆积成型电火花加工技术 毛利尚武教授、斋藤长男教授和三菱电极名古屋制作所合作，在进行液中电 火花放电表面改性处理时，在$ 4 5 c 钢上成功地堆积除w c 厚膜( 层) ，并进行了将 6 第一章绪论 电火花堆积和电火花去除加工相组合对工件进行修复的试验【3 0 1 。哈尔滨工业大学 的金柏冬、曹国辉等人也对空气中微细电火花沉积的工艺规律进行了研究，在高 速钢工件表面沉积出直径为0 1 9 m m 、高度为7 3 5 t u r n 的微小圆柱体3 1 1 。 1 3 气体介质电火花加工简介 1 , 3 1 气体介质电火花加工 气体介质放电加工技术是日本东京农工大学的m k u n i e d a 教授提出的一种新 的加工工艺【1 3 】。它以气体作为工作介质，取代了电火花加工常用的液体介质，如 煤油、去离子水等，打破了传统绝缘性工作液是电火花加工不可或缺的介质的观 点。由于气体介质放电加工是一种绿色加工工艺，因此该加工方法受到了国内外 电加工研究领域学者的广泛关注，是电火花加工的研究热点之一。目前，气体介 质放电加工已在电火花成型加工、电火花线切割、超声电火花复合加工、电火花 抛光、金刚石砂轮修锐及修形、电火花沉积加工中都得到应用。 1 3 2 气体介质电火花加工的特点 ( 1 ) 气体介质电火花加工采用气体作为工作介质，加工过程中没有有害气体的 挥发，对环境无污染，是一种绿色加工工艺； ( 2 ) 气体介质电火花加工过程中，当采用j 下极性a n t 时，即工件接电源正极、 工具电极接电源负极，电极损耗很小，特别适合于电火花铣削加工； ( 3 ) 气体介质电火花加工过程中无宏观作用力，可以实现高精度的线切割加工 1 3 2 1 ( 4 ) j j l i 过程不受工件位置、形状等因素的限制，加工范围广。 1 3 3 气体介质电火花加工研究现状 气体介质电火花加工作为一种新型绿色加工方法，受到国内外电加工领域的 广泛关注，是电火花加工的研究热点之一。 日本东京农工大学的国枝正典教授对气体介质电火花成型加工和气体介质电 7 山东人学硕十学1 节论文 火花线切割加工都进行了较为深入的研究。通过采用压电陶瓷和主轴伺服系统相 结合的驱动方式，提高了加工效率，减少了短路频率，降低了电极损耗【3 3 1 。 国内山东大学的张勤河教授采用气中电火花加工和工件的超声振动复合的加 工方法，实验结果表明超声波振动能够有效的克服单纯气中放电加工中的易短路 和加工效率低的问题【3 4 0 6 1 。哈尔滨工业大学的李立青结合放电理论，从电子的碰 撞电离、介质的击穿、放电通道的形成及扩展等角度对气体介质的放电加工机理 进行分析1 3 7 】。上海交通大学的顾琳博士、赵万生教授等人综合了传统电火花加工、 气中放电加工及电火花铣削加工的优点，采用高压雾气作为工作介质，提出了喷 雾电火花铣削加工，该方法可以有效冷却电极，提高加工效率f 1 4 j 。 1 4 数值仿真在电火花加工中的应用 1 4 1 有限元方法简介 有限元方法又称有限元素法( t h ef i n i t ee l e m e n tm e t h e d ，简称f e m ) ，是求解 边值或初值问题，建立在待定场函数离散化基础上的一种数值方法。它是随着电 子计算机的发展而迅速发展起来的一种现代计算方澍3 8 j 。它是5 0 年代首先在连续 体力学领域一飞机结构静、动态特性分析中应用的一种有效的数值分析方法，随后 很快广泛的应用于求解热传导、电磁场、流体力学等连续性问题。 有限元分析的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。它将求解 域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的( 较 简单的) 近似解，然后推导求解这个域总的满足条件( 如结构的平衡条件) ，从而得 到问题的解。这个解不是准确解，而是近似解，因为实际问题被较简单的问题所 代替。由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能 适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段【3 9 1 。 1 4 2 有限元方法的应用和发展 2 0 世纪5 0 年代中期至6 0 年代末，有限元法出现并迅猛发展，由于当时理论 尚处于初级阶段，计算机的硬件及软件也无法满足需求，有限法和有限元程序无 8 第一章绪论 法在工程上普及。到6 0 年代末至7 0 年代初，出现了大型通用有限元程序，它们 以功能强、用户使用方便、计算结果可靠和效率高而逐渐形成新的技术商品，成 为结构工程强有力的分析工具。目前，有限元法在现代结构力学、热力学、流体 力学和电磁学等许多领域都发挥着重要作用。 近年来随着计算机技术的普及和计算速度的不断提高，有限元分析在工程设 计和分析中得到了越来越广泛的重视，已经成为解决复杂的工程分析计算问题的 有效途径，现在从汽车到航天飞机几乎所有的设计制造都已离不开有限元分析计 算，其在机械制造、材料加工、航空航天、汽车、土木建筑、电子电器，国防军 工，船舶，铁道，石化，能源，科学研究等各个领域的广泛使用已使设计水平发 生了质的飞跃。 目前流行的c a e 分析软件主要有a n s y s 、a b a q u s 、m a r c 等。a n s y s 软件致力于耦合场的分析计算，能够进行结构、流体、热、电磁四种场的计算， 已博得了世界上数千家用户的钟爱。a b a q u s 被广泛地认为是功能最强的有限元 软件，可以分析复杂的固体力学结构力学系统，特别是能够驾驭非常庞大复杂的 问题和模拟高度非线性问题，其解决问题的范围从相对简单的线性分析到许多复 杂的非线性问题。该软件适用的场合十分广泛，方程的求解方法可以分为显式和 隐式两种，并具有显式动力学求解器，能够快速的处理动力学问题1 4 0 。m a r e 软件 一直得到学术界和工业界的大力推崇和广发应用，它是功能齐全的高级非线性有 限元软件，可以处理各种线性和非线性结构分析，但是它主要采用隐式求解方法。 1 4 3 电火花加工有限元仿真的研究现状 自上世纪8 0 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。 ( 1 ) 有限元法在电火花加工温度场预测中的应用 电火花加工温度场的研究对研究电火花加工机理具有十分重要的意义，而火 花放电温度极高不易直接测量，利用有限元法可对其进行近似模拟。r e v a zb ， k u l k a r n ia n j a l ivy a d a v av i n o d 等分别开展了这方面的研究工作【4 1 。4 3 1 。我国哈尔滨 9 山尔人学硕十学位论文 工业大学和广东工业大学也相继开展了这方面的研究工作1 4 4 , 4 5 】。山东大学的张建 华教授用a n s y s 有限元软件对超声振动辅助气中放电加工过程的温度场进行了 数值模拟，其模拟结果于实验结果基本一致【4 6 1 。 ( 2 ) 有限元法在电火花加工应力场中的应用 对热应力的有限元分析，主要有m u l i krs 、y a d a v av i n o d 等。m u l i krs 等 应用有限元法研究单脉冲电解电火花加工中的热应力 4 7 , 4 8 1 。r e b e l ojc 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【4 9 1 。 ( 3 ) 有限元法在放电通道形状分析中的应用 s h a n k a rp 等人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【5 0 1 。 1 5 课题研究的目的及意义 虽然人们不断的在对电火花加工进行研究，但事实上，由于电火花加工过程 是一个非常复杂的电物理过程，目前人们对电火花加工的蚀除原理仍然只有一个 模糊的认识，并没有一个确切的理论能对电火花加工过程进行概括。因而，对电 火花加工性能的评价和优化，绝大多数情况下只能依靠不断的实验和经验概括， 而不能事先对加工过程进行较精确的预测，从而导致了在研究和实际加工中的盲 目性，影响了效率。 近几十年来发展起来的有限元法( f e m ) ，为解决这个问题提供了新的思路。 所谓有限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。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。通过有限元法，即使我们不知道电火花加工的 确切蚀除原理，也能在目前研究的基础上对电火花加工过程进行模拟分析，并可 在一定的精度下对加工过程进行预测。 本文所研究的基于气体介质的电火花加工数值模拟。本文将从气体介质电火 l o 第一章绪论 花加工理论、气中单脉冲火花放电过程进行研究，对单脉冲放电传热过程进行数 值模拟，从而对火花放电蚀除机理、放电加工效率影响因素等进行预测。 1 6 课题来源及主要内容 本课题研究经费来源于国家自然基金( 5 0 5 7 5 1 2 8 、5 0 7 7 5 1 2 8 ) 和山东省中青年科 学家奖励基金( 2 0 0 5 b s 0 5 0 0 4 ) 。 本课题采用了理论分析与实验研究相结合的方法，以理论分析作为实验研究 的指导，以实验研究结果作为验证理论分析的手段和验证数值分析结果的依据。 本课题的主要内容是对气体介质火花放电加工进行理论研究和实验研究，构 建气中单脉冲放电传热物理模型，并对气体介质火花放电传热模型进行数值仿真 以及对仿真结果进行分析验证。研究内容主要分为以下几个方面： ( 1 ) 进行气体介质放电加工基础理论的研究，分析影响材料去除的因素及影响 规律。分析气中单脉冲放电规律，分析单个脉冲放电物理状态和连续脉冲累加过 程规律。 ( 2 ) 气体介质电火花加工技术的试验研究。进行气中单脉冲放电实验，在理论 分析的基础上进行试验研究，总结试验数据验证理论分析结果。 ( 3 ) 通过分析气中单脉冲放电的物理过程，构建其传热数学物理模型，并推导 其热流载荷公式。 ( 4 ) 对基于气体介质的单脉冲放电传热模型进行数值仿真研究。在考虑气中单 脉冲放电传热模型的特殊问题的基础上，采用有限元数值计算方法对其数学模型 进行仿真计算，并与气中单脉冲放电实验结果对比分析，来验证所建模型的有效 性。 第二章气体介质电火花加t 理论基础 第二章气体介质电火花加工理论基础 气体介质放电加工技术是日本东京农工大学的m k u n i e d a 教授提出的一种新 的加工工艺【1 3 】。它以气体作为工作介质，取代了电火花加工常用的液体介质，如 煤油、去离子水等，打破了传统绝缘性工作液是电火花加工不可或缺的介质的观 点。由于气体介质放电加工是一种绿色加工工艺，因此该加工方法受到了国内外 电加工研究领域学者的广泛关注，是电火花加工的研究热点之一。目前，气体介 质放电加工已在电火花成型加工、电火花线切割、超声电火花复合加工、电火花 抛光、金刚石砂轮修锐及修形、电火花沉积加工中都得到应用。 气体放电介质与传统的液体放电介质相比，在物理、化学性能等方面存在着 较大的差异，其放电加工性能也与常规的液中放电加工有着较大差别，因而研究 其加工机理，尤其是气中单脉冲放电机理，对理解气中放电加工本质和改善气中 放电加工工艺等都有着重要的意义。 2 1 气体介质电火花加工机理研究 由于气中放电加工的加工效果都是建立在一系列单脉冲放电能量综合作用效 果之上的。因而，气中放电加工性能不仅与单个脉冲火花放电规律有关，而且与 连续脉冲的综合累加效果有关。为了全面阐述气中放电加工的加工机理，本文不 仅对单个放电脉冲的微观物理过程进行研究，而且还对连续脉冲的累加效应进行 研究。 尽管气体介质放电机理，与传统的液中放电加工机理有所不同，但其单脉冲 放电物理过程仍然由介质击穿、放电通道形成和扩展、极间能量分配、电蚀产物 抛出、极间消电离等等物理过程所组成。因此本文将从气体介质击穿机理、放电 通道扩展规律、极间能量的转换分配规律、电蚀产物的抛出机理、极间消电离过 程、连续脉冲累加效应等方面来研究气中电火花加工机理。 1 3 山东人。学硕十学位论文 2 1 1 介质击穿机理 关于气体介质的击穿机理，迄今还没有统一的认识，学者比较认同的有 t o w n s e n d ( ；? 笏森德) 理论以及流光理论【3 , 5 1 - 5 3 。 2 1 1 1t o w n s e n d 理论 英国物理学家t o w n s e n d 于1 9 9 0 年提出了第一个定量的气体放电理论。由于 实际放电空间带电粒子的产生过程是多种多样的，而且十分复杂。为了描述气体 导电的电离现象，汤森德提出了三种电离过程，并引出了三个对应的电离系数， 称为汤森德三电离系数。这三种电离机制分别为：电子雪崩即a 机制，正离子碰 撞引起的电离即d 机制，二次电子发射对放电的影响即 r 机制。 电子雪崩叫机制 假设气体空间两电极是平板形，当电极加上一定电压后，空间有均匀的电子 分布。初始电子由阴极表面发射，单位时间、单位面积上发射l l o 电子。这些初始 电子在电场的作用下以很大加速度向阳极方向运动，运动过程中电子又会与两极 间的气体分子和中性原子不断地发生碰撞而使气体分子进一步电离，新产生的电 子数将雪崩式增加，这种现象称为电子雪崩。电子雪崩增长规律的表达式为5 1 】： l = e n o e 删= 厶p 删 ( 2 1 ) 式中，a 阳极上的电流密度。 ，o 阴极上的电流密度； 刀o 阴极表面单位时间、单位面积上发射的电子数； a _ t 0 、n s e n d 第一电离系数； d 极间距离 如果气体空间的初始电子不是来自阴极的发射电子而是外界辐射源使气体电 离产生电子，这时初始电子可在空间任何地方出现。假设由于光电离因素，单位 体积、单位时间内有刀，个气体分子被电离，即产生一，个电子与离子。这些初始电 子在向阳极运动的过程中，与气体分子碰撞产生电离，其电子雪崩增长规律的表 达式为【5 1 】： 1 4 第二章气体介质电火花加t 理论基础 l ：掣 0 幻 ( 2 2 ) 正离子碰撞引起的电离b 机制 与o t 机制类似，在匀强电场下，每个正离子在向阴极方向运动的过程中，从 电场获得能量，也不断地与气体分子发生碰撞电离，每个正离子在沿电场方向运 动单位距离的过程中，它与气体分子发生碰撞电离的次数为b 系数。若极间的所 有电子都是一次电离的，并且电离速度相同，则其电流公式为1 5 1 】： 。( a f 1 ) e 。一卢d a f i e a 一芦w ( 2 3 ) 二次电子发射对放电的影响1 机制 碰撞电离过程产生的正离子，在电场作用下运动到阴极附近时，由于正离子 撞击阴极表面以及对阴极场强的加强，引起二次电子发射，此过程可成为丫过程。 另外，气体中，激励原子的反转、电离原子的复合等过程会放出光子以及亚稳态 粒子、中性离子等，它们在阴极也z 月1 匕o - , 引起电子发射，这些过程也称为丫过程，又 称之为t o w n s e n d 过程。在丫过程中，若同时考虑仅、p 、y 三种电离过程的效应， 相应的阳极电流密度为5 1 】： ；： 厶丝二壁鲨：竺ja a o + r ) 一( 吖+ 卢) p 8 一声矽 ( 2 4 ) 另外，在气体电离过程中，正离子的碰撞电离即1 3 过程是可以忽略的。这是 因为在通常放电空间( 除高温高压的情况下) 内，电子的能量远高于离子的能量； 由碰撞几率的讨论可知，离子的电离系数远小于电子的电离系数，即口 a 。所 以相应的阳极电流又表示为： ，： ! ! = ! 山 1 一y ( p 耐一1 ) ( 2 5 ) 当式中分母接近于零时，l 将趋近于无穷大，这是放电变为自持放电。由此 可得到自持放电的击穿条件为： y ( p 谢一1 ) = l ( 2 6 ) 山尔人学硕_ f ：学佗论文 2 1 1 2 罗果夫斯基理论对t o w n s e n d 的补充 t o w n s e n d 理论是以电子雪崩为基础的击穿理论，根据放电过程引入了a 、p 、 丫三个系数来描述由电子和正离子产生气体电离的机理。罗果夫斯基在此基础上， 考虑了由空间电荷引起的极间电场畸变，引入了泊松方程【5 2 】： d ，e ：一4 丌( 五一五) ：_ 4 印 识 u iu e ( 2 7 ) 式中“，正离子的迁移速度； 甜e 电子的迁移速度； ，正离子的电流密度； ，e 电子的电流密度 电子碰撞中性气体粒子引起电离时，正离子和电子在放电通道内总是成对产 生的，但电子质量小，迁移率大，在电场作用下运动速度快；正离子质量大，迁 移率小，同样在电场作用下运动速度慢。因此，正离子引起的空间电荷效应比电 子引起的空间电荷效应强，总的表现为正的空间电荷效应。 罗果夫斯基对t o w n s e n d 理论进行了补充。其理论的精髓在于引入空间电荷效 应，对放电过程中极间电位分布的变化、空间电荷作用与电位分布的关系、自持 放电从不稳定状态到稳定状态的过度等一系列问题都有了半定量的说明，从而丰 富了t o w n s e n d 理论。 2 1 1 3 流光理论 t o w n s e n d 理论是人们公认的气体放电基础理论之一。但在火花放电研究中， 观察到很多现象无法用t o w n s e n d 理论来解释。h r a e t h t e r 和j m m e e k 提出的流 光理论对火花放电过程进行了近似描述。流光理论是在t o w n s e n d 理论的基础上， 考虑了单个电子雪崩、电子雪崩向流光过度和流光发展造成气体击穿的机理，分 析了放电间隙中流光形成的物理模型并综合考虑了空间辐射光子造成的空间光电 离效应和空间电荷对电场的畸变作用。流光理论和t o w n s e n d 理论并不是相互排斥 的，而是相互补充的。 1 6 第二章气体介质电火花加t 理论基础 ( + ) 图2 - 1 空间电荷对电场的影响随3 1 流光的形成过程是非常复杂的。在电子初崩形成的过程中，由于电子的质量 小，其迁移率比j 下离子大两个数量级。所以电子总是跑在崩头部分，电子雪崩发 展过程中半径逐渐增大，其外形如一个头部为球状的圆锥体，而正离子则基本上 是滞留在产生它的地方，极缓慢地向负极移动。崩头的电子成为负的空间电荷， 它加强了阳极附近电场。图2 1 所示为电子雪崩空间电荷对电场的影响。由于电子 很快进入正极，在正极前方空间留下正离子。聚集在阳极附近的大量正空间电荷 产生的电场不断增大，当空间电荷的电场能够和原始电场相比时，进一步促使电 场发生畸变，这又促使电子雪崩进一步发展。与此同时，随着电子雪崩的不断发 展，在碰撞过程中也会由于激发作用而辐射出大量的光子，又使阴极产生光电子 发射，光电子又会产生大量的次电子雪崩。这个过程进行到一定程度时，一般是 当电子雪崩中电子数增长到一定数量级时，电子雪崩突然转变为流光。 流光击穿是在非常短的时间内从一个电子雪崩直接发展起来的。当极间电场 足够大时，电子雪崩激发过程非常强烈。随着电子雪崩的发展，空间电荷积累越 来越多，电离程度大大超过了t o w n s e n d 电子雪崩的电离度。当达到一定临界值， 即空间产生的电场与外加电场可比拟时，极间就会产生强电离和强光辐射，电子 崩就会向流光转变，此时大量的光电子产生的次电子崩不断汇合，流光不断扩展 而使气体击穿，放电由非自持阶段转为自持阶段。与碰撞电离放电击穿不同，流 光的扩展路径是曲折的，此过程光致电离起了重要作用。 设空间电荷形成的电场为e ，外界作用的电场为e ，设e ，= k e ，则放电空 间轴向