（材料加工工程专业论文）基于数值模拟的放电加工精准度研究.pdf

摘要 摘要 放电加工技术作为一种特种加工技术，在加工塑料模具方面有着独特的优 势，并将在模具加工领域扮演越来越重要的角色。深入研究放电加工的材料蚀 除机理和决定模具质量的主要因素及其影响机理，可为放电脉冲电源设计及加 工工艺的改进提供相应的理论支撑。 本文基于有限元仿真和金属相变原理，以4 0 c r 模具钢材料为加工对象，对 放电加工的瞬态温度场分布、热影响区分布以及热应力集中、热变形的分布与 放电加工精准度之间的关系进行了研究，主要工作和结论如下： 1 通过对有限元软件的二次开发，完成了对复杂高斯热流密度载荷的施加， 模拟实现了电压为6 v ，脉冲宽度为3 0 s 状态参数下的瞬态温度场分布计算。 结果显示：在脉冲宽度范围内，每一时刻的温度都超过4 0 c r 材料的熔融温度， 放电中心最高温度达到8 9 4 6 。c ，材料主要以熔融和气化方式被蚀除， i 络蚀为 7 0 9 9 ，气蚀为2 9 0 1 ；绘制了放电径向半径和放电深度的时间演变曲线，并 得出：径深比越大，表面粗糙度越小，放电精准度越好。 2 基于金属相变原理，依据位置坐标与温度节点相关，温度节点与组织相 变相关，组织含量决定组织性能的分析原则，得出：h a z 分布( 热影响区分布) 的平均厚度为9 1 7 9 m ，沿厚度方向，h a z 的硬度呈现出先急速升高，而后缓慢 下降的分布趋势，其中，淬火硬化层的组织硬度最高；在变电压仿真条件下， h a z 厚度前期扩展迅速，后期扩展平缓，变脉宽条件下的h a z 厚度扩展趋势与 之相反，短脉宽，小电压的参数组合可以减小h a z 厚度，从而提高放电精准度。 3 借助于温度节点计算结果，并转换单元类型，仿真计算了放电区域的热应 力集中，热变形分布大小。结果说明，在放电加工的受热影响区与材料基体冷 态交界处，容易发生应力集中，最大热应力为2 5 0 0 m p a ，可能会发生塑性变形 和应力开裂；材料的变形发生了位移传递，最大热变形发生在模型边界处，最 大变形量为0 7 9 “m ，足以影响放电精准度。 本文的研究结果可以为电参数的选取及优化组合，模具表面硬度预测，模 具表面的变形和失效预测提供理论依据和支撑，值得进一步深入研究。 关键词：放电加工放电精准度材料蚀除机理有限元仿真热影响区分布 a b s t r a c t d i s c h a r g em a c h i n i n ga sas p e c i a lp r o c e s st e c h n o l o g yh a sa u n i q u ea d v a n t a g ei n p l a s t i cm o l dp r o c e s s i n g e l e c t r i c d i s c h a r g em a c h i n i n g t e c h n o l o g yi n t h em o l d p r o c e s s i n gf i e l dw i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r e t h ei n d e p t h s t u d yo ft h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi nt h ed i s c h a r g em a c h i n i n ga n dt h em a i n i n f l u e n c ef a c t o r sf o r d e t e r m i n i n gt h eq u a l i t yo fp r o c e s s i n gt h em o u l da n di t si n f l u e n c e m e c h a n i s m sw i l lp r o v i d ec o r r e s p o n d i n g a n dp r o c e s si m p r o v e m e n t t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rp u l s ep o w e rd e s i g n t h e p a p e rh a sar e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s c h a r g ea c c u r a c ya n d t h et r a n s i e n t t e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n ，h a zd i s t r i b u t i o n ，h e a ts 缸e s s c o n c e n t r a t i o n ，h e a td e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e i n e l l t s i m u l a t i o na n dt h em e t a lp h a s ec h a n g e p r i n c i p l e t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： 1 t h ec o m p l e xg a u s s i a nh e a tf l u xi sa p p l i e db yt h es e c o n dd e v e l o p m e n tf o rt h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：e v e r ym o m e n t st e m p e r a t u r ei sm o r e t h a n4 0 c rm a t e r i a lm e l t i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo fd i s c h a r g ei st o 8 9 4 6 c t h em a t e r i a li sm a i n l yr e m o v e d b ym e l t i n ga n dg a s i f i c a t i o n ，a n dp g 鹬i 氐a t i i s 7 0 9 9 ，l l m e l t i n gi s2 9 0 1 t h ep a p e rd r a w st h et i m ee v o l u t i o nc l j l v eb yt h er a d i a l a n dt h ed e p t ha n dc o n c l u d e st h a tt h eb i g g e rt h er a d i a ld e p t ht h a ni s ，t h e l a g e rt h e s u r f a c er o u g h n e s s ，t h eb e t t e rt h ed i s c h a r g ea c c u r a c yi s 2 b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e t a lp h a s ec h a n g e ，a c c o r d i n gt ot h ec o o r d i n a t e s r e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r en o d e ，t h et e m p e r a t u r en o d e sr e l a t e dt ot h ep h a s e c h a n g e ， t h ep h a s ec h a n g er e l a t e dt ot h e o r g a n i z a t i o np e r f o r m a n c e ，i td r a w st h a tt h eh a z a v e r a g et h i c k n e s si s9 17 p m a l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n ，t h eh a r d n e s sh a sa i n c r e a s et e n d e n c ya tf i r s t ，t h e nh a sas l o wd r o pt e n d e n c y , i nw h i c h ，t h eq u e n c h h a r d e n e dl a y e rh a r d n e s si st h eh i g h e s t o nt h ec h a n g ev o l t a g es i m u l a t i o nc o n d i t i o n , t h ee x p a n s i o no fh a zt h i c k n e s si sr a p i da n di st h e nq u i t e t h ee x p a n s i o no fh a z t h i c k n e s so nt h ec o n d i t i o no fc h a n g e p u l s ew i d t hi so p p o s i t et ot h ee x p a n s i o no fh a z i i a b s t r a c t t h i c k n e s so nt h ec o n d i t i o no fc h a n g ev o l t a g e i th a sac o n c l u s i o nt h a tt h ed i s c h a r g e a c c u r a c yi sb e t t e rw h e n t h ev o l t a g ei sl o w e ra n dt h ep u l s ew i d t hi ss m a l l e r 3 t h et h e r m a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dt h et h e r m a ls t r a i n d i s t r i b u t i o ni s s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e db yt h et e m p e r a t u r en o d e sc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee l e m e n t t y p e sc h a n g e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ev u l n e r a b l et os t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r si n t h ej u n c t i o nb e t w e e nt h eh a zi nt h ed i s c h a r g em a c h i n i n ga n dt h ec o l db a s i sm a t e r i a l t h em a t e r i a ld e f o r m a t i o n st a k ep l a c ead i s p l a c e m e n td e l i v e ra n dt h em a x i m u m t h e r m a ld e f o r m a t i o ni s0 7 9 1 a ma n do c c u r si nt h em o d e lb o r d e r , w h i c hi se n o u g ht o a f f e c tt h ed i s c h a r g ea c c u r a c y t h er e s e a r c hr e s u l ti su s e df o rt h ee l e c t r i cp a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，i t so p t i m i z e d c o m b i n a t i o n s ，t h em o u l ds u r f a c eh a r d n e s sf o r e c a s ta n dt h ef a i l u r ep r e d i c t i o n ，w h i c hi s a b l et op r o v i d et h et h e o r ys u p p o r ta n dd e s e r v e st h ef u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：d i s c h a r g em a c h i n i n g ；d i s c h a r g ea c c u r a c y ；m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m ； f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；h a zd i s t r i b u t i o n 。 i i i 绪论 1绪论 1 1 放电加工技术及其特点 l 。1 1 放电加工技术 放电加工即电火花加工，是将被加工工件和工具电极浸没在工作介质中， 利用脉冲式的放电过程逐步蚀除工件上的金属，使之对工具电极的轮廓仿形， 最后实现工件的尺寸加工的一种加工方法【l 】o 辣 图1 1 放电加工基本原理示意图 f i 9 1 1d i s c h a r g em a c h i n i n gf u n d a m e n t a ls c h e m e s 放电加工时，工具电极和被加工工件分别连接着脉冲电源的两极，若工件 连接脉冲电源的正极，则为正极性加工，若工件连接脉冲电源的负极，则为负 极性加工。同时，将工件和工具电极都浸没在工作介质中( 介质可以是煤油， 去离子水，空气等) ，保持一定的放电间隙( 如图1 1 所示) 。若放电间隙过大， 形成不了放电，不能形成放电通道；若放电间隙过小，则容易短路，引起过烧。 当形成放电通道之后，放电通道中会瞬时聚集极高的能量，温度可达几千乃至 上万摄氏度，从而使工件表面局部微量的金属微粒迅速被熔化和气化，并爆炸 式的飞溅到工作介质中，随后，这些飞溅到工作介质中的金属微粒迅速的冷凝， 形成固定的金属颗粒，并被工作介质带走【2 】。同时在放电区域的工件表面留下了 一个很小的凹坑( 如图1 2 所示) 。 绪论 图1 2 放电凹坑 f i 9 1 2d i s c h a r g em a c h i n i n gp i t 此时，放电过程会发生短暂的放电停歇，两极间工作液又恢复到绝缘的状 态。紧接着，下一个脉冲放电重复上一个脉冲放电的过程。虽然每次脉冲放电 蚀除的金属量有限，但是一秒内就有成千个脉冲发生，周而复始的连续脉冲放 电就具有了一定的加工效率。 1 1 2 加工技术特点 图1 3 电火花成型加工 f i 9 1 3 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 放电加工技术因其特殊的工作原理，一般具有以下几个基本的特点： ( a ) 利料的去除不通过外部机械t ：u 削力的施加而去除，是一种非接触的加 2 绪论 工方法，消除了机械加工应力的影响； ( b ) 能够加工普通机械切削加工难以切削的高硬度材料； ( c ) 是一种仿形加工技术，能够加工具有复杂型腔的模具； ( d ) 加工模具的过程中有金属模具材料的相变，加工后有热影响区的存在； ( e ) 一般不会出现机械加工时出现的刀痕、毛刺等缺陷； ( f ) 对工具电极材料的硬度要求不高，工具电极制造容易。 放电加工机根据加工用途的不同，可以大致分为电火花成型加工机和电火 花线切割加工机两大类( 如图1 3 所示) 。放电加工技术在模具加工中的应用， 主要是用来加工模具型腔，模具型孔及窄缝等，现在已经成为模具加工中的主 导加工方法，推动了模具加工技术的不断发展。 1 2 放电加工技术的研究现状及发展趋势 1 2 1 国外的研究现状 1 放电加工效果的评价研究 国外在这方面的研究很多集中在材料去除速率( m r r ) 、电极损耗( t w r ) 、表 面质量( s r ) 的评价量化和评价标准改进方面。 ( 1 ) 材料的去除评价研究 这部分的研究主要包括材料的去除机理研究( m r m ) ，提高材料去除速率的 方法研究( m m r r ) 这两个主要方面。 在研究材料去除机理方面，s o n i 和c h a k r a v e r t i 通过研究发现了一种可以对 电极扩散到工件上的电极元素进行评估评价的方法，同时也可以对从工件扩散 到电极上的工件元素进行评估评价。这些元素以熔融或气态的方式扩散到工件 表面上【3 1 。在这个过程中，工具电极被侵蚀，以工具电极表面元素的分解，流失， 腐蚀的方式被侵蚀掉1 4 。 s i n g h 和g h o s h 研究发现：对于短脉冲电火花加工，阴极电极的静电力和应 力分布是材料去除的主要原因【5 1 。g a d a l l a 和t s a i 对w c - - c o 复合材料电极的金 属去除过程进行了分析，发现该电极材料的侵蚀主要是因为w c 元素是一种热 传导率低的材料，c o 元素更容易蒸发和流失所致【6 】。 在研究提高材料去除速度方面，随着c n c 在放电加工中应用的不断深入， 使得通过利用可随时切换电极的方法来提高加工速度成为一种可能。有人通过 3 绪论 利用线框状的加工电极和三维实体电极加工进行联合加工，先用简单的线框电 极去除不需要的材料，然后切换到三维实体电极进行精细加工，这样提高了加 工的效率和增加了较为昂贵的三维实体电极的使用寿命1 7 】。同时，c n c 技术在 放电加工中的应用，也使利用简单电极加工复杂三维形貌的型腔，成为了一种 可能，利用多轴联动的加工方法，有效解决了一些在这方面的加工难题【8 】。还有 许多学者通过研究单脉冲放电的过程，来不断完善放电加工的机理，从而为提 高放电的材料蚀除速率奠定了一定的理论基础。k u m e d a 和m u t o 实验研究了一 个多电极系统，通过一种方法，使多个电极的排屑趋于一致1 9 1 。这种多电极系统 的设计方法来源于m o h f ie ta 1 的关于一个电极变为多个电极的设计原则，就是电 极之间必须保证绝缘【l o 】。这种系统的电极磨损和能量加工效率比传统的放电加 工要好很多，通过利用放电加工辅助系统，很好地提高了材料去除速科j 。 ( 2 ) 工具电极磨损评价研究 工具电极的磨损过程和放电加工的机理很相似，在放电的过程，工具电极 一方面将工件被加工区域的金属材料蚀除，一方面自身的材料也会发生蚀除。 只是放电加工的能量在两极的分配不一样，工件端相应分配能量要多一些，所 以整体呈现出工件材料去除明显，而工具电极材料去除不明显但仍发生材料蚀 除。m o h f ie ta 1 认为，在放电的过程中，工作液介质( 煤油) 发生碳氢化合物的 分解，由于碳元素材料和电极金属材料的材料向异性，不容易发生很迅速的沉 淀，由于沉淀量小于工具的损耗量，因而工具电极出现了磨损【l2 1 。但是有的时 候工具电极的磨损并不一定是有害的，如果工具电极磨损的材料能够沉淀在放 电凹坑的表面上，而且增强了放电区域的综合性能，那么这种情况下的电极损 耗就是有利的。国外一些学者不仅研究了工具电极损耗带来的不利影响，而且 对工具电极损耗带来的有利作用也做了一些建设性的研究。m a r a f o n a 和w y k e s 通过改变正常放电加工时的加工参数来达到抑制碳膜的形成，这样不仅有效的 阻碍了碳膜的形成，而且也不会对材料蚀除速率产生较大的不利影响，同时由 于碳膜的形成被抑制，有用的工具电极材料金属就会更多的沉淀在工件表面上， 从而起到了很好的加工效果【1 3 1 。 在研究改善电极磨削方面。为了实时优化放电电极的加工轨迹，一种基于 计算机实时监控，实时改善优化的方法就提了出来，并且正在逐步发展【l4 1 。y ue t a 1 研究了一种基于电极均衡往复运动来补偿电极损耗磨削的一种加工路径，取得 了一定的效果【1 5 1 。还有一些学者通过研究放电脉冲电压降落时间内的脉冲特点 4 绪论 来推断电极磨削的程度和结果i i 制。同时，k u n i e d ae ta 1 利用高粘度的放电工作液 作为放电介质，来实验放电磨削加工过程中的电极磨削状态和磨削速率的变化 情况，并说明了高粘度工作液有效降低了电极磨削的程度和速率【1 7 j 。d a u w 利用 材料蚀除的原理来模拟仿真放电磨削加工电极的几何尺寸损耗情况，这是一种 基于离线的仿真算法1 1 8 】。还有一些学者研究了放电加工的逆向仿真技术，通过 模拟电极的形状变化过程，来反向推理工件的形状变化过程l l 引。 ( 3 ) 放电加工表面质量的评价研究 图1 4 自层 f i 9 1 4 w h i t el a y e r 存放电加t 表而质量分析方而。放电加t 的表而由i 个各不相同的层绸成 分别是白层( 或称熔融再凝固层) ，h a z 层，未受影响的母材基体层1 2 。l i me t a 1 基于金属冶金学的原理和金属固态相变的原理研究发现：白层的厚度主要是由 放电通道的扩展过程所决定【2 1 1 。白层是放电加工熔融的材料再次凝固在工件外 层的馒化层，凶为在光学显微镜下组织为白色，故称为白层( 如图1 4 所示) 。 它是与环境接触的最外面的一层，因此对表面质量的影响是非常大的。许多学 者都发现了一种现象：在很高的温度梯度下，放电凹坑的表面常常伴随有微裂纹 的存在，而且也伴随有高的残余应力，这些对放电加工的表面质量都是极为不 利的【2 2 1 。微裂纹和残余应力的存在使工件的抗疲劳强度大为降低，而且微裂纹 可以在自层沿着多个方向进行扩展和传递，造成了一种极为不好的加工状态1 2 川。 同时由于工作液介质中碳的析出，会沉淀在自层一k ，从而改变了该层的微观硬 度，一般情况下，有一个相当的高微观硬度【2 4 1 。无论是碳在加工表面的富集， 5 绪论 还是放电加工后表面层的组织组成，都是由电流的极性和频率，还有放电通道 的形状，放电间隔时间，电解质的温度共同决定的【2 5 1 。学者t h o m s o n 认为，当 用石蜡作为放电介质时，碳的富集程度会小很多，因此微裂纹的倾向就较小， 当用铜电极加工时，微裂纹的数量和大小主要是由放电脉冲的持续时间所决定 的【2 6 1 。 在提高表面质量的方法研究方面。国外现在主要运用的研究方法有球化机 械抛光，表面合金化，粉末沉淀法，表面光洁处理的数值模拟法等。国外一些 学者利用硬的，光滑的，附着在电极表面上的球状微粒，在工件的表面形成一 个可发生塑性变形的层，这个层可以用来修饰加工表面的微结构，经过该过程 的处理，加工表面的耐腐蚀性，抗疲劳性，表面质量都有很明显的提升【2 7 1 。一 些学者利用复合材料电极，根据粉末冶金的原理，由于复合材料电极本身较低 的热传导率，使其有一些沉淀在工件加工表面，从而达到提高表面抗腐蚀性， 耐磨性和减少裂纹的目的【2 s 1 。t s a ia n dw a n g 基于多参数的神经网络系统，建立 了多种表面抛光模型，拟合了一种基于材料本身热物理性能，以及工件和电极 之间放电参数为基础的评价模型【2 9 1 。 2 放电加工参数的优化研究 放电加工的参数包括放电加工电参数和放电加工非电参数。放电加工的电 参数研究方面主要包括电参数的优化和放电加工过程的电参数变化监控和控制 两个主要方面。 在放电加工电参数研究方面。一般情况下，最优电参数的选择来源于个人 的经验和各种电加工手册上的推荐值。因此建立一种有效放电参数选择理论和 标准，是具有现实使用价值的。m a r a f o n a 和w y k e s 通过使用高碳含量的电极来 进行常规放电加工，有效的提高了电极材料的磨削性【3 0 】。l i ne ta 1 通过一种基于 模糊逻辑的模拟算法，通过设置不同的放电电参数来评价各种状态下的加工效 果【3 l l 。t z e n g 和c h e r t 通过使用动态信噪比来分类输入加工参数，优化了高速加 工下的电参数，使加工参数的波动始终维持在一定范围内【3 2 】。 在放电加工非电参数研究方面。国外放电非典参数的研究主要集中在工作 液介质流体对放电加工过程的影响方面。l o n a r d o 和b r u z z o n e 研究发现冲液速度 会影响放电加工后微裂纹的密度和白亮层厚度，以及放电加工的表面粗糙度【3 3 1 。 同时，虽然不同的工作液介质性质在放电加工中所起的作用都不一样，但是都 对放电加工的影响很大，因此可以通过优化工作液的冲液速度对放电过程进行 6 绪论 优化【3 4 1 。 3 电极设计及加工制造研究 这方面的研究主要以计算机电极辅助设计制造系统，高速工具电极制造系 统这两个大的方面为主。 在计算机电极辅助设计制造系统方面。对于形状复杂且难于制造的三维电 极设计制造，利用计算机辅助设计制造系统，不仅可以设计出电极的三维几何 尺寸，而且可以对不合理的设计地方进行优化分析，从而达到使用要求【3 5 1 。绿 色生产制造方面，y e o 和n e w 发展了一种环境友好型的加工方法，该加工方法 运用一种多目标分析方法来研究放电加工过程。该种加工方法考虑了环境的影 响，加工的能效和能量浪费和节省，传统的加工制造评价指标，诸如加- e 速率 和质量等【3 6 】。 在高速电极制造系统方面。许多的研究者在探索电极的快速制造方面做了 很多工作，各种各样的快速电极制造路径大致可以分为间接制造法和直接制造 法【3 7 1 。y a n g 和l e u 通过利用电铸沉积的方法加工放电工具电极，实验了用直接 法来加工模具型腔，发现电铸过程产生的热量引起的热变形是引起电极制造不 精准的主要原斟3 引。 1 2 2 国内的研究现状 1 放电加工的材料蚀除研究 哈尔滨工业大学机电学院的崔景芝等人等通过建立放电凹坑形成的数值仿 真模型，利用a n s y s 软件分析了超短脉宽放电情况下的放电加工情况，同时利 用单脉冲放电电源做了相应的实验，实验很好的验证了数值模拟的结果【3 9 1 。上 海交通大学机械与动力工程学院的高阳等人通过对放电过程建立物理模型和数 学模型，以热流密度和对流换热作为主要的外载荷，对不同峰值电流大小，不 同脉冲宽度下的放电过程进行了分析，利用a n s y s 的后处理功能分析了放电凹 坑的变化过程，并做了相应的实验分析，结果发现放电模型很好的预测了放电 凹坑的形成过程【加】。南京航空航天大学机电学院的张庆利用基于一种r c 脉冲的 放电电源，利用数值分析的方法对不同形状、不同极性放电电极区域的电场分 布和温度场分布进行了分析比较，阐述了极性、放电电极形状等对电场分布和 温度场分布以及加工效果的影响，并做了一定的实验研究【4 1 1 。哈尔滨工业大学 的陈晓菲基于分子动力学的知识对放电加工的过程进行了三维仿真分析，深入 7 绪论 研究了放电力h - r _ 中材料的去除机制以及被去除材料的来源及去向等【4 2 1 。另外， 南京航空航天大学的周勇等人在研究负极性加工时的工具电极损耗理论时，通 过对放电两极问放电电压和脉冲峰值电流的变化趋势进行研究，并且考虑了实 际放电加工过程中的电解质分解的脱碳沉淀行为，研究认为工具电极的损耗主 要是由于放电前期电子流的轰击作用所致【4 3 1 。 2 放电加工设备及工艺研究 1 缡码器：步进咆帆3 胝电陶瓷4 v 理芷承5 皮带轮6 电缀7 蛩翔轮8 乜毛5 l 蝗9 收缝电机1 0 i 络j ：诈台1 1 点 鞠l ：作舒1 ：精帮咎鞔1 3 蕾辘1 4 稽掰滚珠缝杠 15 在线电解槠 图1 5 放屯加工设备组成示意图 f i g1 5d i s c h a r g em a c h i n i n g e q u i p m e n ts c h e m e s 放电加工设备作为放电加工的实施主体，对放电加工的效果起着决定性的 影响。太原理工大学的叶国明等人研究了单脉冲放电的放电机理，并且以 p i c l 6 f 8 7 7 单片机控制原理为基础，发明设计了一种晶体管式脉冲电源，使脉冲 宽度能够在很大范围内进行调节，拓展了单脉冲放电实验的实验范围，为脉冲 电源的设计提供了有益的参考】。南京航空航天大学的一些研究者在哈尔滨工 业大学设计的一种可用于微细线切割加工电源的基础中上，改进了这种加工电 源，使原来侧重于放电回路控制但不能有效控制充电回路的电源得到了改善【4 。 北京电加工研究所等单位研究了不同放电参数下，聚晶金刚石( p c d ) 的表面变质 层变化情况，以及各种放电参数状态下，p c d 材料的表面微观性能，为实际放 电j n - r 提供了一定的参考【4 5 1 。浙江大学化工机械研究所的陈扣杰等人通过对放 电电极的电极补偿机理进行研究，设计了一种有效的计算机辅助电极设计系统， 很大程度上提高了电极的设计效率和生产制造周期m 】。 8 绪论 3 放电加工的表面质量研究 哈尔滨工程大学郭黎滨等人认为由于放电加工的表面形貌和金属机械切削 加工所形成的加工质量是不相同的，用常规的切削加工评价方法并不能够很好 的反映放电加工的表面质量，并提出一种新的有效评价方法【4 7 】。西安理工大学 的伍尚礼等人研究了放电加工线切割电参数对不同淬硬模具钢材表面微观组织 的影响和变化规律，主要研究了加工表面层的冲击性能，弯曲性能，耐磨性能 变化情况等【4 8 】。上海材料研究所的朱宗元，张嘉立研究了脉冲宽度在4 炒。2 0 0 0 岫 范围内，放电加工后模具钢材料表面变质层的耐磨性，硬度，粗糙度，微裂纹 的倾向等之间的互相影响关系，并研究了放电加工结束后热处理工艺对表面变 质层质量的影响【删。 1 2 3国内外的发展趋势 1 加工过程的高效化和精细化 随着现代生产对加工效率的要求越来越高，对产品质量控制的越来越精细 化，放电加工技术的发展也必须主动适应这个趋势。加工过程的高速化和精细 化，对放电加工过程的放电加工稳定性提出了更高的要求，对放电电源的可靠 性和放电电极的快速设计加工制造提出了更高的要求。然而这些关键技术的提 高必须有相应理论的深化和支持，因此对放电加工的加工机理进行更加深入细 微的研究，分层次，有重点的研究已经成为必须要加以实施的工作。 2 加工的自动控制和参数优化 加工过程的自动控制和加工参数的计算机自动优化，是减小人为操作因素 干扰而影响产品质量的重要手段，是产品质量数字控制化，全过程控制化的必 然要求，是生产制造过程和信息化结合的必然要求，将极大的提高产品的全寿 命周期，同时主动改善不利的加工状态，是生产智能化的一种具体体现，也是 未来先进制造系统的重要组成部分。 3 加工过程的绿色化和节能化 随着国家节能减排的不断深入实施，生产制造加工技术的发展也必须与之 相适应，主动顺应国家关于对生产制造业的发展要求，积极发展新型，环保， 绿色的放电加工技术。例如放电介质的改变，从煤油变为气体，将大大减小放 电能量的极间损耗和放电中有害气体的产生和排放，同时在一定程度上提高了 放电加工的加工效率和质量，是一种未来应用前景很好的加工方法。 9 绪论 1 3 放电加工精准度的评价 放电加工精准度的评价指标主要包括放电加工能够完成所需几何形状尺寸 表达的能力和放电加工结束后表面质量的控制两个方面。完成所需几何形状尺 寸表达的能力主要是指放电加工结束后，放电加工区域完成预定形状尺寸设计 要求的能力，表面质量的控制主要是指放电加工结束后所形成的微观形貌对表 面力学性能和表面光洁度的影响控制。放电加工精准度不仅反映了放电加工的 形状尺寸精度控制，而且能够反映放电加工后的表面微观形貌性能和表面光洁 度的表达，将放电加工精准度作为放电加工效果的评价标准提出，是综合考虑 了放电加工实际情况的模具质量评价指标，是一个能够反映加工实际模具质量 的一个有效的，适合的指标。放电加工精准度的稳定性控制的好，且放电过程 容易实现程序控制，那么放电加工结束后的模具质量是可以进行较为准确预测 的，模具的使用性能也可以准确表达。利用计算机仿真分析方法，对放电精准 度进行分析和预测，深入探究放电加工精准度的微观作用机理，这将有助于实 际放电加工模具质量的有效改善和量化预测表达。 1 4 开展的主要工作及意义 1 针对常用4 0 c r 模具钢材料的放电加工的过程进行理论分析，建立放电加 工过程材料蚀除的物理模型和数学模型，考虑放电加工实际的加工条件，使所 建立的模型能够最大程度反映放电加工的实际。 2 利用有限元分析的方法，对4 0 c r 模具钢材料放电加工的区域进行单元离 散化，考虑主要的施加载荷，热流密度和对流换热等，设定近于实际的边界条 件，借助a p d l 方法，对时变半径，时变热源的高斯热流密度进行了加载计算， 利用a n s y s 有限元分析软件对放电加工区域温度场的演变过程进行分析。 3 在温度场分析的基础上，基于金属固态相变的原理和金属学热处理的理 论，对放电加工结束后，模具钢加工表面的热影响区分布情况和组织渐变过程， 主要力学性能进行预测分析，分析出变电参数时对热影响区厚度的影响趋势。 4 在温度场分析的基础上，对温度梯度引起的温度热应力应变分布进行计算 分析，得出4 0 c r 模具钢材料放电加工结束后加工区域表面形貌的热应力分布大 小和热变形的分布情况，预测出放电加工结束后模具的微观热变形倾向和应力 集中状况。 1 0 绪论 4 0 c r 模具钢是一种常用的模具加工材料，以其为研究对象，对实际加工有 一定的指导和应用价值。利用计算机有限元方法分析放电加工的材料去除过程 是国内外现在的一个研究热点，经过前人的努力及对加工模型的不断改善，一 些理论确实已经在实际加工中起到了指导作用，并且有效的减少了由于不断试 模造成的人力，物力，财力，时问的不必要损耗，扩大了放电加工在实际中的 应用空间和范围。对放电加工的机理进行深入研究和对其过程中发生的金属固 态相变进行微观细致的研究，将助于进一步深化理论基础，促进实际加工与理 论的进一步接轨，而且利用金属固态相变和金属学热处理的知识对放电的微观 过程分析是一种尝试和有益的探索，具有一定的可操作性和理论基础，将会对 放电加工精准度控制和改善提供一种有益的参考。 2 基于材料蚀除的温度场仿真分析 2 基于材料蚀除的温度场仿真分析 放电加工过程中，被加工工件材料蚀除的情况，将会对放电凹坑的形状形 貌产生很大的影响，从而影响被加工区域的形状精度和尺寸精度，对塑料模具 的放电精准度产生比较大的影响作用。伴随着微机电系统的不断发展，未来对 微d , n 品、微小结构件的质量要求将越来越高，而模具质量的是否优良很大程 度上决定了我们能否生产出合格的微小塑料制品。对于微小且精细程度要求高 的模具，电火花精加工技术作为一种有效且优势突出的加工方法，将会占有重 要的地位。因此，深入研究放电过程中模具钢金属材料的蚀除微观机理，对于 进一步提高放电加工精准度的科学化控制水平，很有意义。 。 2 1材料蚀除的理论模型分析 2 1 1 材料蚀除的物理模型分析 放电加工区域的放电过程很复杂，是一个多场耦合、共同作用的过程，有 温度场、电磁场、流场以及力场等的共同作用，可以形象的用下面的图2 1 说明。 图2 1 放电加工中的能量 f i 9 2 1e n e r g yi nd i s c h a r g em a c h i n i n g 同时，由于放电脉冲宽度，电火花加工液，材料的放电加工间歇性蚀除等 因素的影响，放电加工过程又具有一定的不确定性。常规的研究测试方法很难 1 2 2 基于材料蚀除的温度场仿真分析 对放点加工的瞬态过程进行分析研究，通过对放电加工过程建立与之相宜的物 理模型，运用有限元分析软件研究放电过程，无疑是一种有效且高效的方法。 根据对实际放电过程的宏观和微观理解，基于实际放电加工设备的构造， 本着考虑主要的影响因素，适当简化分析模型的原则，可以建立如下图2 2 所示 的物理模型。 图2 2 放电加：l j 的物理模型 f i 9 2 2p h y s i c a lm o d e lo fd i s c h a r g em a c h i n i n g 在放电电极和工件的两端，分别连接着放电电源的两极，放电电极和工件 之间的距离我们称之为放电间隙。在放电间隙内部充满了电火花工作液。当工 件接电源正极时，为正极性加工，反之为负极性加工。在放电加工过程中，无 论是正极性加工，还是负极性加工，都会受到不同程度的电蚀，即使正负两极 的材料相同，电蚀程度也是不一样的，这种现象称之为极性效应。当放电发生 时，电火花加工液被击穿、电离，在初始的时刻，由于电子具有较小的惯性， 因而容易获得较大的加速度，因而在初始放电时刻，就会有大量的电子涌向正 极，此时正极得到的能量就多；而正离子由于惯性比较大，获得的加速度较小， 在放电的初始时刻，只有少部分的正离子到达负极，负极得到的能量就相应较 少。所以，产生极性效应的主要原因是因为放电能量在两极分配不均造成的。 在实际加工过程中，在短脉宽加工时，一般采用正极性加工，这时候正极获得 能量较多，工件材料更容易蚀除，并且电极的损耗也较小。反之，在长脉宽加 工时，一般采用负极性加工。 在放电发生击穿之后，在放电间隙之间会产生一个放电通道，放电通道的 1 3 2 基丁材料蚀除的温度场仿真分析 电流密度很高，一般在1 0 0a c m 2 左右【删，带电粒子在两极电场力的作用下， 高速的撞击电极表面，将自身的动能瞬问转化为内能，产生了很高的瞬时温度， 沿着放电通道传向工件表面，由于时间很短，热量来不及传导和扩散，工件表 面放电区域的材料被熔融，甚至汽化，同时放电区域的电火花加工液受热膨胀， 产生了很高的内部压力，将熔融和汽化的材料抛出，形成放电蚀坑。 物理模型建立的假设条件： 1 放电通道以放电中心点成轴对称； 2 放电能量主要流向正负两极和放电通道之间，成一定的比例分配，忽略极 小部分向外辐射的放电通道能量； 3 每个单脉冲放电的时间为一个标准脉冲宽度，按照概率均等的原则，排除 每个单个脉冲放电的微小差异性； 4 模型考虑了热传导、焓变、比热容和对流换热等的影响，不考虑体积内热 源的微小影响； 2 1 2 材料蚀除的数学模型分析 2 3 热传导微分示意图 f i 9 2 3 d i f f e r e n t i a ls c h e m e so ft h e r m a lc o n d u c t i o n 根据热平衡和能量守恒原理，在任意一段时间内，物体的任意微小部分所 积蓄的热量等于传入该微小部分的热量加上内部热源的能量，如图2 3 所示。在 d t 时间内，微小六面体所积蓄的能量为 署倒x d y d z d t 其中p 是物体密度，c 是比热容。在时间d t 内，由由六面体a b a b 面传 入的热量为q d x d y d z d t ，由c d c d 面传入的热量为 1 4 2 基- 丁材料蚀除的温度场仿真分析 则传入的静热量为 由 可得： ( g 。+ 孕d x ) d y d 础 d x 一盟d z d y d z d t a x 铲一磋a x ( 2 1 ) 一象皿拈力警加出 晓2 2 ， 苏 。 苏2 。 f、 因此传入微小体的总静热量为： 爪窘+ 万c 3 2 t + 警) d x d y d z d t ( 2 3 ) 根据热量平衡原理，可得三维坐标下的传热微分方程： 印警d x d y d z d 刚筹+ 雾+ 窘) d x d y d z d t ( 2 4 ) 放电加工的过程中，放电通道中的热流密度非常大，热量来不及传递，因 而放电区域的材料被蚀除，由于热量的不断输入，放电半径也不断扩展，因而 放电加工的热源模型是一个时变半径，时变热源的瞬态传热模型。在固态传热 区，满足热传导微分方程；在熔融和汽化蚀除区，不满足热传导微分方程。在 液相区，满足对流传热。为了能够进行分析计算，将整个过程统一为一个热传 导过程，并考虑对流传热的作用。 2 1 3 放电通道中的能量传递 当放电通道形成时，放电电源就通过放电通道传递能量，将电能转化为热 能，电磁能，光能等。单个脉冲在放电通道中所释放的总能量为 w = 【u ( t ) i ( t ) d t = 矾+ w j + w g ( 2 5 ) 其中u ( t ) 为t 时刻工件与电极两端的放电电压； 1 5 2 基丁材料蚀除的温度场仿真分析 i ( t ) 为t 时刻两极之间的放电电流； 、砜为电极端的能量分配； w j 为放电间隙能量损耗； w g 为工件端的能量分配； 以热传导方式传递热量 g ( r ) 零q e x p ( ) 图2 4 热流密度分布示意图 f i 9 2 4 s c h e m e so ft h e r m a lf l u xd i s t r i b u t i o n 放电过程中产生的能量主要以高斯热流密度的形式加载在放电通道上，以 热传导的形式传递给工件，如上图2 4 所示。在放电通道中心点，热流密度最大。 沿着放电半径方向扩展，热流密度逐渐变小，有如下的数学关系： q ( r ) = 筹e x p ( _ 4 5 ( 舢( t ) ) 2 ) ( 2 6 ) 其中