有限元在电火花加工中的应用

电火花加工是通过在工具电极与工件电极之间施加脉冲电压，脉冲电压将两极之间非导电介质放电击穿，并在形成放电通道，由于电子与带电粒子在放电通道内的高速碰撞，在短时间内工件电极表面产生高于工件材料熔点的温度。同时，在电场力、电动力、流体动力、爆炸力等力的作用下，使材料熔化、气化，并在各种力的作用下被抛出，形成点蚀坑，以达到去除材料的目的。第1页/共20页第一页，共21页。第2页/共20页第二页，共21页。在脉冲放点过程中，由于放电时间短（μs级别），放电间隙小（μm级别）等原因造成了难以使用仪器或设备直接对其整个过程进行直观的观察与测量，因此在很长的一段时间内，使研究人员很难对其机理进行深入的研究。近些年来，伴随着计算机与软件技术的飞速发展，利用有限元方法模拟整个放电过程，直观观察温度的分布，使对其加工机理的深入研究成为可能。第3页/共20页第三页，共21页。有限元法在电火花加工温度场预测中的应用

电火花加工中的材料去除机理主要是热现象,表现为极短的时间内产生大量的热,形成一个瞬时高温热源,其局部温度可达10000℃左右。热量由热源中心向周围扩散,在工件和电极的局部形成一熔融的区域,在各种力的作用下金属被抛出,从而实现加工目的。因此,研究放电时的温度场变化,以便最大限度地利用放电能量,提高材料去除率,减少工具电极损耗是至关重要的。温度场的分析是进行应力场分析、材料蚀除分析等各种分析的基础。但由于电火花加工中温度高(一般>2000℃),放电时间短(一般是1～100μs),因此,对温度、温度梯度的测量是极其困难的。第4页/共20页第四页，共21页。

电火花加工温度场分布的研究工作受到国内外学者的重视。使用高分辨率的测温仪虽然可以采集温度场数据,但是费用昂贵,而且采集的数据受人为因素影响;应用有限差分法研究温度场分布虽有精度高等优点,但不适用于形状复杂的边界条件。而有限元法可克服这一缺点。广东工业大学利用有限元法模拟了放电加工的电热过程,模型抽象为均匀圆柱体热源和定半径表面热源的有限开放系统模型,并对放电后电极与工件的温度场进行了分析,它基本上反映了脉冲电火花加工的实际温度场分布情况。

第5页/共20页第五页，共21页。第6页/共20页第六页，共21页。有限元法在电火花加工应力场中的应用

电火花加工中主要存在两种形式的应力:热应力和表面残余应力。加工过程中大量产生的热是热应力的主要来源,热应力会导致工件微裂,强度下降;表面残余应力使材料的抗疲劳强度下降,甚至会造成表面裂纹。加工件获得良好表面质量的关键是防止加工过程中产生过度的温度和热应力,由于脉冲放电时间短、放电间隙小,常规的检测装置应变仪只能得到一些平均意义上的数据。于是,一些学者尝试用有限元法来分析电火花加工中的热应力和残余应力。

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对热应力的有限元分析,主要有MulikRS、YadavaVinod等。MulikRS等应用有限元法研究单脉冲电解电火花加工中的热应力。应用高斯分布热流模型,在单脉冲放电的影响区域内应用有限元模型来预测温度分布,基于温度分布计算热应力。热应力分析结果显示在高温梯度区域和大应力区域,热应力有时超过材料屈服强度。第8页/共20页第八页，共21页。三维VonMises应力分布云图第9页/共20页第九页，共21页。放电通道

两极之间在脉冲放电作用下形成的放电通道中电子与粒子在电场力的作用下猛烈碰撞，产生在短暂时间内猛烈的碰撞，产生的能量以热能的方式传递到工件表面，致使材料熔化，最终被抛出。因此对放电通道的研究对于电火花加工机理研究来说有着重要的意义。有限元法在放电通道形状分析中的应用第10页/共20页第十页，共21页。第11页/共20页第十一页，共21页。

ShankarP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。用在放电的每个横截面上电流恒定的原则,不同横截面上的电弧半径直到收敛才被修正。最终获得的放电通道形状是非圆柱形的,即在不同的横截面上半径不同。第12页/共20页第十二页，共21页。电火花加工镍基高温合金Inconel718温度场模拟仿真三维网格划分第13页/共20页第十三页，共21页。温度场分布云图第14页/共20页第十四页，共21页。第15页/共20页第十五页，共21页。第16页/共20页第十六页，共21页。放电通道内部能量分布第17页/共20页第十七页，共21页。

由于电火花加工过程是一个非常复杂的物理过程,加工机理异常复杂,目前还没有一个确切的理论能对电火花加工过程进行全面概括。有限元法在电火花加工中的应用将在以下几个方面继续展开:(1)应用有限元法对电火花加工进行模拟,提高对加工表面粗糙度及工具电极损耗等参数的预测精度。(2)应用有限元法对电火花加工微观过程进行模拟,建立介质击穿、通道形成、电蚀材料抛出等微观过程的模型,深化对电火花加工机理的研究。(3)利用有限元法与其他智能技术相结合,对放电状态、加工效果和放电位置等进行精确预测,以指导生产实践。第18页/共20页第十八页，共21页。谢谢大家第19页/共20页第十九页，共21页。感谢您的观看！第20页/共20页第二十页，共21页。内容总结电火花加工是通过在工具电极与工件电极之间施加脉冲电压，脉冲电压将两极之间非导电介质放电击穿，并在形成放电通道，由于电子与带电粒子在放电通道内的高