深孔电火花加工间隙流场仿真分析调研报告.doc

深孔电火花加工间隙流场仿真分析调研报告 1.1 课题的背景及研究的目的和意义随着我国制造业的发展，新的材料不断涌现，特别是在近些年开始出现了一些高强度、高硬度的材料，这些材料用普通的机械加工方法加工比较困难，因此被称作“难加工材料”。随着这些材料应用范围的增加，有时经常需要在这些材料上加工深孔或者小孔，加工的结构也越来越精细化和复杂化。深孔加工一直是制造业中的难题。一般认为，直径范围在0.12.0mm 之内的孔为小孔，直径小于0.1mm 的孔为微孔，深径比大于10以上的孔为深孔。传统的机械加工方法很难实现高精度和大深径比的深小孔加工。目前，较为常用的加工深小孔的方法为特种加工方法，包括电火花加工技术，超声波电火花复合加工技术，激光加工技术，电子束加工技术等。而电火花加工作为最早以及工艺最成熟的特种加工方法，成为目前在深孔加工中的主要方法。微细电火花加工（micro Electr ical Discharge Machining ，简称micro- EDM）是利用工具电极与工件（正、负电极）之间脉冲性的火花放电来蚀除多余的金属，使工件达到预定的尺寸、形状及表面质量的加工方法。由于电火花加工是利用放电时的电热作用对工件进行蚀除，工件与电极之间没有宏观切削力，因此对工件的强度和硬度没有要求，适合在难加工材料上加工高精度、大深宽比的微细结构，现如今在航空航天领域（如飞行器发动机的核心部件带叶冠整体式涡轮盘，微型喷嘴、喷注器等），模具制造领域（如大面积复杂型腔模，模具型芯，压铸模的修复等），表面改性领等领域应用广泛。现如今深孔在工业生产中应用广泛，但是它的加工工艺却存在迫切需要解决的问题，因为在实际加工过程中要想使所加工孔达到较大的深径比是很困难的。深孔加工的特点之一是在加工过程中大多数时间为深盲孔加工，而限制所加工孔深径比不能太大的一个重要因素则是电蚀产物滞留在电火花的间隙流场中，导致极间放电状态变差，由于在整个电火花加工过程中，电蚀产物始终存留在工作介质内，所以放电间隙中工作液流场的运动情况将直接影响放电状态，并影响到加工效率与加工质量，因此对电火花加工间隙流场进行研究对增大孔的深径比有着重要的意义。此外，由于微细电火花加工中底面放电间隙很小，一般只有十几微米到几十微米，并且工件和电极均不透明，因此很难用仪器直接测量流场的运动状态，而且放电区域内的微观过程十分复杂，其内部机理仍没有十分明确，“是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学综合作用的过程”，从而导致无法用理论分析的方法来得到间隙流场状态的精确表述。因此，目前国内外大部分专家学者将精力集中在对电火花加工间隙流场进行CFD （Computational Fluid Dynamics ，计算流体动力学）计算，即对微细电火花加工间隙流场进行数值仿真模拟，用仿真结果来替代复杂的理论分析。除此之外，利用CFD 进行模拟的优点还有成本低，适应性广，周期短等。在电火花的加工过程中，为了达到更大的深径比，或是为了获得更好的放电状态，更高的加工效率，经常会采用削边电极进行加工，或是在原有圆柱电极加工的基础上加入抬刀控制，而这些情况的CFD 仿真并没有人进行过深入的研究和探讨。为了明确上述两种情况提高电火花小孔加工深径比的原因，对其进行CFD 流场仿真分析是非常有必要的。因此，本文拟利用CFD 模拟削边电极加工及抬刀控制过程间隙流场，通过对削边电极加工间隙流场以及抬刀控制过程间隙流场的仿真，来说明削边电极加工和抬刀控制增加孔的深径比的原因。1.2 微细电火花加工间隙流场仿真的国内外的研究现状国外对于电火花间隙流场仿真的研究并不多。仅有日本和美国几所大学在此方面有所研究。2004年，日本冈山大学Serkan CETIN和Akira Okada等人建立了电火花深小孔加工间隙流场的模型，并根据仿真结果分析了不同抬刀高度情况下间隙流场中电蚀产物的流动状态对孔壁面质量的影响，最后通过实验对仿真结果进行了验证。但是在此研究中，间隙流场被设定为二维，因此只适用于流场间隙很小或流场为完全轴对称结构的情况。2009年，美国密歇根大学的Masahiro Fujiki, Jun Ni, Albert J. Shih 等人进行了准干式电火花铣削中电极朝向和流体流动率的研究。使用FLUENT 预测绝缘工作液的流动率，并定性的与EDM实验测得的材料去除率进行比较，确定了准干式电火花铣削中最合适的升角。日本冈山大学的A. Okada, Y. Uno等人利用Star - CD软件进行了线切割切口处工作液流动状态和电蚀产物运动的仿真，来研究喷嘴离加工区域的距离以及工作液从喷嘴中喷出的速度对加工过程的影响，并通过与用 PIV(Particle Image Velocimetry ，粒子图像测速法) 得到的观察结果相比较验证了仿真模型的正确性。利用此模型能更好的设计喷嘴形式，选择冲液位置和工作液的出口速度等。其仿真结果与用PIV 观察的结果对比，可见仿真结果与实际情况符合较好。最近几年，由于微细电火花发展迅速，国内在电火花间隙流场仿真方面做较多研究，并取得了很多成果。 在早期，哈尔滨工业大学的闫焕新，冉宇瑶等人开发了一种混粉电火花间隙流场仿真软件。此软件是根据流体运动的数学模型而建立的，可以模拟不同加工条件下工作液的流动状态和混粉工作液中粉末的分布情况。通过对单喷、垂直双喷和三喷射流方式的仿真及实验观测说明了仿真模型的实用性。此仿真模型虽然正确，但其为二维模型，与实际的三维模型有些差距。而且编制仿真软件难度较高，工作量也较大。 山东大学的徐明刚、张建华等人利用 FLUENT 模拟了超声振动- 气体介质空心电极电火花加工的气体流场，得到气体压力、放电间隙和加工深度对加工效率的影响。清华大学的张杰等人也曾建立过电火花加工间隙流场的三维仿真模型。在此模型中，电极做垂直跳动，并通过在底面间隙位置加入直径为0.2mm 的颗粒来模拟电蚀产物的运动状态，说明侧面间隙对间隙流场和电蚀产物排出的影响。最后通过拍摄频率为50fps（Frames Per Second ，每秒的帧 数）的高速照相机进行拍摄，与仿真结果进行比较。 上海交通大学的李建功等人曾利用FLUENT 软件对圆柱电极和螺旋电极底面和侧面间隙流场进行了仿真，从速度场和压力场方面进行分析，说明了螺旋电极比圆柱电极加工效率高的原因，并指出电极旋转速度并非越大加工效率越高。 太原理工大学的叶明国，杨胜强等人建立了永磁电火花复合深小孔加工过程的流场模型。他们利用F LUENT软件在加入磁场和不加入磁场两种情况下对间隙流场中加工碎屑的运动状态进行了模拟，从压力分布、粒子在加工间隙中的滞留时间、粒子所受到的磁场力等方面分析说明磁场对加工过程的影响。但此模型也是限于二维情况。 李磊，顾琳，赵万生等人对内冲液集束电极电火花加工的流场进行了仿真研究，证明多孔内冲液集束电极加工的加工效率比单孔内冲液实体电极加工要高。 大连理工大学的贾振元，郑新毅等人应用FLUENT 中的VOF法(Volume O f F luid ，流体体积法) 对圆柱电极的微孔电火花加工间隙流场进行了仿真研究，说明放电间隙内工作液为层流，并得出电蚀产物在放电间隙流场内的分布状态只与颗粒直径有关的结论。1. 3 论文研究的主要内容本文从CFD 仿真分析出发，结合工艺实验，对削边电极加工以及抬刀控制的圆柱电极加工进行深入的研究。本文的主要研究内容有以下几个部分： （1 ）对微细电火花圆柱电极加工进行建模和仿真分析，得到其间隙流场的运动状态，并进行工艺实验，与削边电极和抬刀控制的电火花加工进行对比分析； （2 ）对微细电火花削边电极加工间隙流场进行仿真，从流场中各点的速度曲线及流线角度分析其与圆柱电极流场的不同之处，由此探究削边电极加工效率比圆柱电极高的原因，并通过工艺实验验证仿真结果； （3 ）对微细电火花圆柱电极抬刀控制过程间隙流场进行仿真，对比其与无抬刀控制的圆柱电极加工的不同，最终用工艺实验验证仿真的结果； （4 ）通过工艺实验，分析削边电极和抬刀控制对所加工孔深径比的影响。寻找能够定性描述电火花加工过程中流场排屑状态的概念。1.4 实验的研究方法 在进行电火花间隙流场仿真研究的初期，有些学者曾自己编制专用的仿真软件进行计算，如前面所述的闫换新等人编制的专用的微细电火花加工间隙流场仿真软件。在2000 年，中科院工程物理研究所曾研究过一种复杂物理域流场数值模拟软件CASFLOW ，不过当时此软件功能还尚未完善，而且后续也未见报道。 利用自行开发的程序的优点在于软件专用性强，但是缺点也是显而易见的，例如自己开发的程序功能不完善，且耗时较多；最主要的缺点就是不同学者编制的软件由于方程求解方法、简化方法不同，会造成对同样问题同样条件下用不同软件进行求解时得到的结果不同，这样导致仿真计算得到的结果很难被人们所相信。因此现在常用的方法是采用相对完善的商业CFD 模拟软件做为基础进行仿真研究。FLUENT软件： ANSYS软件是在仿真领域处于领导地位的一款分析软件。在 2006年，ANSYS 公司收购了专门致力于流体仿真研究的FLUENT 公司，并将其流体仿真程序与自己原有的CFD 模块综合，得到现在功能强大的流体动力学模块ANSYS CFD（FLUENT/CFX）。到 ANSYS 12.0版本时，其流体模块又被改进，通过显式松弛增加了密度基隐式求解器的稳健性，极大地增加了求解器的性能。 FLUENT 软件的优点包括以下几个：首先，它包含多种算法，因此针对不同的情况可以选择更有针对性的算法；其次，其动网格技术成熟，使用方便；此外，FLUENT 的专用前处理软件Gambit建模和划分网格功能强大；FLUENT 软件还为用户提供了二次开发接口，用户只需要使用C/C+ 语言即可进行自定义的操作。由于FLUENT 软件在流体仿真方面所显示出的各种优点，现在被广泛应用于各种流体仿真领域，如汽车领域，某些机器及离相封闭母线内流场的分析等。1.5主要参考文献1 王振龙，朱保国，田锡清. 气体介质中深小孔电火花加工技术研究J. 航空学报，2007（3）：460- 463. 2 张祖军，陈奎儒，刘继光，黄兴无. 深小孔特种加工J. 机械工程与自动化， 2004（12）：20- 22.。3 M. Kunieda, B. Lauwers, K. P. Rajurkar, B. M. Schumacher . Advancing EDM through Fundamental Insight into the Process C. Annals of the CIRP - Manufacturing Technology ，2005，54：64- 87. 4 Norliana Mohd Abbas, Darius G. Solomon, Md. Fuad Bahari. A review on current research trends in electrical discharge machining (EDM) J. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2007，47：1214- 1228. 5 J. Fleischer, T. Masuzawa, J. Schmidt, M. Knoll. New applications for micro- EDM. Journal of Materials Processing Technology ，2004，149：246- 249. 6 黄海鹏. 多轴联动电火花加工数控系统软件构建及其应用研究D. 哈尔滨：哈尔滨工业大学博士学位论文，2010. 7 陈济轮. 数控电火花加工技术在航空航天领域的应用与展望J. 电加工与模具，2011 ：27- 30. 8 张宗才，伍端阳. 混粉电火花加工在型腔模中的应用J. 电加工与模具，2010（5）：69- 72. 毕业设计(论文)进度计划与考核表学生姓名于政祥专业班级机电指导教师田小静本课题其他人员无题 目电火花深孔加工间隙流场仿真模拟分析时间计划完成内容学生工作进展情况（由学生手写）指导教师检查意见、签名、日期（手写）第1周选择研究课题，对其进行调研工作，对题目有初步的了解并大致确立设计方向，广泛查阅中英文资料，接收任务书。第2周进行市场调研，完成调研报告，通过网络、本地图书馆查阅有关英文文献，增加对题目的了解。第3周完成翻译外文文献，递交翻译文档，翻译文献要符合要求，字数不少于3000字符，并且制定设计计划。第4周熟悉Gambit的使用方法，建立好数字模型。第5周掌握FLUENT软件，学会建立仿真模