【正文】 模具制造已成為電火花加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域，而隨著一部分模具的微細(xì)化，MEDM 的應(yīng)用是必然趨勢。但是最近研制成功的利用簡單的棒狀電極，邊借助于 CNC 掃描、邊進(jìn)行加工的方法已使 3 維型腔加工成為可能。（2）微小孔、 維形狀、3 維形狀加工。微細(xì)電火花加工一般應(yīng)用于以下加工：（1）微細(xì)軸、銷、棒類的加工。因此，微細(xì)電火花加工技術(shù)將會成為微細(xì)三維結(jié)構(gòu)模具型腔制作的主流技術(shù)之一。 微細(xì)電火花加工的研究現(xiàn)狀及成果現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有兩大趨勢，一個是向著自動化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展，即現(xiàn)代制造系統(tǒng)的自動化技術(shù)；另一個就是尋求現(xiàn)有制造技術(shù)的自身微細(xì)加工極限。而微細(xì)電火花加工方法由于具有在加工過程中對工件的宏觀作用力小，加工精度高，能加工微三維結(jié)構(gòu)等特點，在微細(xì)加工中具有重要的作用。因此，研究微細(xì)電火花加工中溫度場的變化規(guī)律是十分必要的。在本論文中，通過選取合適的熱源模型，利用MARC軟件對單脈沖條件下微細(xì)電火花加工中工具電極和工件的溫度場進(jìn)行了數(shù)值模擬，分析了微細(xì)電火花加工中工具電極和工件材料的溫度場變化規(guī)律，這有助于更加深入的了解微細(xì)電火花加工過程中能量及熱傳導(dǎo)狀況，促進(jìn)了對微細(xì)電火花加工機(jī)理的理解。微細(xì)電火花加工是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學(xué)等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程。眾所周知，傳統(tǒng)的機(jī)械加工并不擅長加工尺寸極小的形體，隨著工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ⑿蜋C(jī)械的迫切需求，微細(xì)加工技術(shù)正受到人們普遍的關(guān)注。電火花加工的成形加工是以孔、溝槽、型腔等凹形工件為主體的一種加工方法。利用微細(xì)電火花加工方法可制成直徑為 Φ5μm 左右的微細(xì)軸及單邊為 10μm 左右的異形銷等工件。利用微細(xì)電極，日本已能較容易地加工出圓、方、三角形以及各種剖面形狀的微細(xì)孔。特別是當(dāng)與 WEDG 方法相結(jié)合時，能加工出拐角銳利的 3 維微細(xì)型腔?？梢哉J(rèn)為，今后在模具尺寸上會提出更加微細(xì)化的需求，因此，有必要以沖壓模、壓鑄模、精密鑄造模等模具為中心，按照 100μm 以下的尺寸加工要求來進(jìn)行應(yīng)用研究。微細(xì)電火花加工技術(shù)具有電極制作簡單、電極與工件間宏觀作用力小、可控性好等優(yōu)點，微細(xì)電火花加工技術(shù)已成為微機(jī)械制造領(lǐng)域的一個重要組成部分，在精密機(jī)械加工、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、光學(xué)、通訊、模具等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。微細(xì)電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標(biāo)之一。為此，微細(xì)電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應(yīng)重點研究和應(yīng)用以下技術(shù)。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自學(xué)習(xí)、容錯性和并行處理信息的能力，可以提高對放電狀態(tài)、加工效率、放電位置等的預(yù)測精度，提高在線實時控制效果，推動微細(xì)電火花成形加上過程控制向更高層次發(fā)展。用模糊控制理論可以起到替代一個熟練操作人員的作用。利用非燃性工作液或在工作液中加入添加劑的微細(xì)電火花成形加工機(jī)可成倍提高加工速度。自上個世紀(jì) 80 年代以來，有限元方法就被國內(nèi)外的很多研究機(jī)構(gòu)和學(xué)者應(yīng)用到了電火花加工的研究當(dāng)中，并在溫度場等方面的研究取得了顯著的進(jìn)展。B．Revaz，Anjali V．Kulkarni，Yadava Vinod，J ．Marafona等分別開展了這方面的研究工作。國內(nèi)也有研究人員曾用有限元仿真方法模擬氣中微細(xì)電火花沉積加工 [5]的工具電極和工件的單脈沖溫度場，如圖15所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了三組工藝參數(shù)(見表 11)。沉積柱直徑 ，高 ，加工時間 180min，加工過程中火花微弱，沉積增長緩慢但十分穩(wěn)定，沉積效果良好。本課題將就微細(xì)電火花加工技術(shù)的以下問題進(jìn)行研究：（1）以傳統(tǒng)電火花加工理論為基礎(chǔ)，從電火花加工中影響材料放電蝕除的主要因素入手，分析微細(xì)電火花加工的機(jī)理和特點。第 2 章 微細(xì)電火花加工的相關(guān)原理 微細(xì)電火花加工的基本原理工具電極和工件分別接在脈沖電源的兩極，兩極之間有一定的間隙，間隙充滿工作介質(zhì)。在放電通道非常小的空間內(nèi)將瞬時流過放電電流，電流密度極大，可達(dá) 104~107 A/cm2。這些氣化后的金屬蒸汽瞬時間體積猛增，快速熱膨脹，導(dǎo)致氣壓升高，產(chǎn)生很大的熱爆炸力，使熔融態(tài)的電極材料被排擠、拋出而進(jìn)入工作介質(zhì)中。1自動進(jìn)給調(diào)節(jié)裝置 2工具 3工作液 4工件 5工作液泵 6脈沖電源 圖 21 微細(xì)電火花加工裝置示意圖。在放電的同時還伴隨著光效應(yīng)和聲效應(yīng)，這就形成了肉眼所能看到的電火花。通道高溫高壓，形成了爆炸膨脹的特性。通道中心的壓力最高，金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)外瞬間壓力差，高壓力處的熔融金屬液體和蒸汽被排擠，拋出放電通道，大部分被拋入到工作介質(zhì)中。因此為了保證微細(xì)電火花加工過程的正常進(jìn)行，在兩次放電之間必須有足夠的時間間隔讓電蝕產(chǎn)物充分排除，恢復(fù)放電通道的絕緣性，使工作介質(zhì)消電離。若兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質(zhì)、不能產(chǎn)生火花放電，若兩電極距離過短，則會造成短路，在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實現(xiàn)電腐蝕加工。在火花通道形成后，脈沖電壓變化不大，因此，通道的電流密度可以表征通道的能量密度。由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴(kuò)散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)。脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時排放至放電間隙之外，使重復(fù)性放電順利進(jìn)行。工作液密度和粘度較大，壓縮放電通道的能力強(qiáng)，產(chǎn)生較大的爆炸力，強(qiáng)化電蝕產(chǎn)物的拋出效應(yīng)。碳膠粒在電場的作用下會向正極移動，并吸附在正極表面，進(jìn)而在正極表面生成一層碳黑膜。另外，在煤油中加工時，碳黑膜的形成可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這也不利于沉積加工。本文在溫度場模擬中也考慮在氣體和液體介質(zhì)中兩種不同的情況，對兩種情況都進(jìn)行了分析和研究。由于電子質(zhì)量小、加速度大，很容易獲得較高的運動速度，并通過碰撞傳遞能量給陽極；相比之下，正離子質(zhì)量大、加速度小，很難獲得較高的速度，加之通道中粒子密度很高的原因，正離子對陰極表面的傳能作用很小。在較長脈沖條件下放電時，會隨加工時間的增加在正極表面形成碳保護(hù)膜，而保護(hù)膜對正極的保護(hù)作用也會不斷增強(qiáng)，這會嚴(yán)重減弱電子轟擊對正極材料的蝕除所起的作用，甚至使這種作用逐漸趨于零，正極表現(xiàn)為零損耗或負(fù)增長；與此同時，負(fù)極的蝕除量卻始終按放電次數(shù)的增加成比例增加，結(jié)果導(dǎo)致負(fù)極的蝕除量大于正極的蝕除量，所以此時要采用負(fù)極性加工 [11]。微細(xì)電火花加工的原理與普通電火花加工并無本質(zhì)區(qū)別，不同之處在于其自身的工藝特點。由于加工尺寸極小，加工表面更加致密，所以，MEDM 的關(guān)健問題之一便是如何設(shè)定加工尺寸更小的放電條件。如果脈寬固定不變，就不可能使電流值減少到最低程度。因此，在 MEDM 中，為降低電極的損耗率，一般將工件接于正極，電極接于負(fù)極。也就是說，MEDM 在微細(xì)程度、加工精度、加工對象的材質(zhì)以及加工形狀等許多方面同使用其他工具的加工方法相比，有其顯著的特點和優(yōu)越性。在微細(xì)電火花加工過程中存在極性效應(yīng)，即盡管使用同種材料的工具電極和工件，兩極的蝕除量仍然存在差異的現(xiàn)象。只要通過少量驗證試驗，證明數(shù)值方法在處理某一問題上的適用性，那么大量的篩選工作便可在計算機(jī)上完成。通過對微細(xì)電火花加工放電過程的溫度場進(jìn)行分析研究有很多好處，如預(yù)測工藝參數(shù)，比較清晰的看出能量，熱量的分布特點，并且這對于研究工件表面加工質(zhì)量也有很大的意義 [16]。體積熱源是放電電流通過電極表面放電點時，由于電阻熱效應(yīng)而產(chǎn)生的，它的形成在很大程度上依賴于電流的趨膚效應(yīng)，因此它只有在電流急劇變化時才可能產(chǎn)生大量的焦?fàn)枱幔蝗绻烹姵掷m(xù)時間較長，放電電流的變化率較小，產(chǎn)生的焦?fàn)枱崾怯邢薜?[17]。由于放電通道的不均勻性，電極表面熱源也是不均勻的。高斯熱源的數(shù)學(xué)表達(dá)式 [19]為q(r)=qm exp(k ) (31)(2tRr式中 q(r)——半徑 r 處的熱流密度(W/m 2)；qm——最大熱流密度 (W/m2)；k——熱源集中系數(shù)；R(t)——t 時刻放電通道半徑(m)。 熱邊界條件和初始條件為了得到每一節(jié)點熱平衡方程的唯一解，需給出一定的邊界條件和初始條件。F 4為對稱邊界，亦為絕緣。實際上，放電通道半徑并非一個常值，而是隨放電時間的持續(xù)而發(fā)生變化 [22]。研究發(fā)現(xiàn)，放電過程產(chǎn)生的能量并不是全部被利用，而是有一部分熱能損失于周圍介質(zhì)中。 Hayakawa,Kunieda經(jīng)過理論推導(dǎo)和實驗研究得出當(dāng)正負(fù)極材料相同時，正極上的能量分配比負(fù)極大，如果一極材料換成具有更高熱導(dǎo)率的材料，此極的能量分配會上升 [26]。它擁有豐富和完善的單元庫、材料模型庫和求解器，保證了它能夠高效地求解各類結(jié)構(gòu)的靜力和動力中的線性、高度非線性問題，穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱分析及熱一結(jié)構(gòu)藕合問題，電磁場問題，流體力學(xué)問題，滑動軸承問題，以及多場藕合問題；友好的圖形用戶界面和程序結(jié)構(gòu)使用戶易學(xué)易用；接口的開放性使用戶很方便擴(kuò)展程序功能。當(dāng)單元數(shù)、節(jié)點數(shù)太多，內(nèi)存不能滿足需要時，程序能夠自動利用硬盤空間進(jìn)行分析。單元剛度矩陣采用數(shù)值積分法生成?？倓偠染仃嚒⒖傎|(zhì)量矩陣等采用輪廓或稀疏存儲法存儲。Marc 程序擁有以下 4 個庫:單元庫、功能庫、分析庫、材料庫。 圖 34 定義節(jié)點用 Mentat 的自動網(wǎng)格生成器完成網(wǎng)格劃分，或從 CAD 界面讀入現(xiàn)成的有限元網(wǎng)格數(shù)據(jù)。Mentat 提供的標(biāo)準(zhǔn)熱邊界條件分成以下幾類：（1）FIXED TEMPERATURE 給定溫度定義給定節(jié)點上的溫度值。對不同節(jié)點給出不同溫度變化，可以描述隨空間變化的給定溫度分布。同樣，殼體單元的 PRINT FLUX，EDGE FLUX 和 VOLUME FLUX 定義都有中面、上面和下面的區(qū)別。對殼單元可區(qū)分上、下表面不同的對流邊界。（4）EDGE RADIATION,FACE RADIATION 定義輻射邊界。僅對需作橋態(tài)傳熱分析的情形才需定義初始溫度場。選擇 HEAT TRANSFER 后進(jìn)入材料參數(shù)輸入菜單。圖 38 定義材料性質(zhì)定義完導(dǎo)熱系數(shù)后，如需進(jìn)行瞬態(tài)熱傳導(dǎo)分析，可進(jìn)一步定義比熱、質(zhì)量密度。材料性質(zhì)定義完后，應(yīng)賦給相應(yīng)的單元。如果后續(xù)熱應(yīng)力分析仍采用低階應(yīng)力單元，那么提取這種單元形心處的溫度計算出的單元內(nèi)熱應(yīng)變一會有助于使熱應(yīng)變與低階單元常應(yīng)變保持協(xié)調(diào)，從而改善熱應(yīng)力分析結(jié)果精度。當(dāng)計算非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題時，還需進(jìn)一步定義迭代溫度的最大允許誤差和需重新考慮溫度變化重新集成分解系數(shù)矩陣的最大溫度變化的允許值。定義自適應(yīng)步長控制時，需輸入初始建議的時間步長和希望亮成給定時間長度內(nèi)分析所需的最大時間增量步數(shù).。當(dāng)所有節(jié)點溫度低于或高于這一基準(zhǔn)溫度時，程序才結(jié)束運行。此外，用戶給定的最大允許增量步數(shù)也可用來控制由于數(shù)值誤差或人為定義引起的太多增量步計算。程序根據(jù) JOBS 中定義的加載歷程排列順序，逐個分析，并自動將上個加載歷程結(jié)束時的結(jié)果作為下一個加載歷程開始時的初值，順次分析完所有加載歷程。后者有助于提高計算效率，并且對線性單元可避免求解瞬態(tài)傳熱時可能出現(xiàn)的波動。除了常規(guī)的節(jié)點溫度外，這里列出的所有單元上的結(jié)果只有被選中后才會 中，進(jìn)一步通過 MENTAT，可視化處理。在定義 JOBS 時，切勿忘記定義單元類型。對有限元網(wǎng)格中的每一個單元都應(yīng)該選擇一種適當(dāng)單元類型。具體菜單界面如圖 313。同時因為工件具有幾何形狀、材料分布和溫度條件的軸對稱性，溫度場也具有軸對稱性，因此，只對放電區(qū)域的 1/4 進(jìn)行分析，尺寸為100μm100μm50μm。如果不考慮材料的物理性能參數(shù)隨時間的變化，那么計算結(jié)果就會產(chǎn)生很大的偏差。a) 導(dǎo)熱系數(shù)隨溫度變化曲線b) 比熱容隨溫度變化曲線c) 密度隨溫度變化曲線圖 316 普通高速鋼及黃銅的熱物性參數(shù)隨溫度變化曲線 模擬結(jié)果分析通過模擬得到微細(xì)電火花加工的工具電極和工件的單脈沖溫度場如圖所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。圖 317 工具電極黃銅溫度場圖 318 工件高速鋼溫度場在空氣介質(zhì)中，由工具銅接陽極，工件高速鋼接陰極的溫度場模擬結(jié)果可知，接陽極的工具電極的中心點溫度場的溫度高于接陰極的工件的中心點溫度場的溫度。對比空氣中對換極性的工具電極和工件的溫度場變化，可以看出，微細(xì)電火花加工中陽極的溫度場溫度總是高于陰極的溫度場溫度。圖 321 工具電極黃銅溫度場圖 322 工件高速鋼溫度場在煤油介質(zhì)中，由工具電極銅接陽極，工件高速鋼接陰極的溫度場模擬結(jié)果可知，接陽極的工具電極的中心點溫度場的溫度高于接陰極的工件的中心點溫度場的溫度。對比煤油中對換極性的工具電極和工件的溫度場變化，可以看出，微細(xì)電火花加工中陽極的溫度場溫度總是高于陰極的溫度場溫度。（2）不同材料作為電極所模擬的溫度場變化不相同，在相同條件下，其中銅電極的溫度場溫度高于高速鋼電極的溫度場溫度。在本章中，我分別在氣體介質(zhì)中和液體介質(zhì)中模擬了工具電極和工件的溫度場，并且在每種加工方法中，都對互換極性的情況進(jìn)行了模擬。因此，本文通過理論分析軟件仿真技術(shù)，對微細(xì)電火花加工的過程中的電極進(jìn)行了溫度模擬，主要工作及結(jié)論如下：以傳統(tǒng)電火花加工理論為基礎(chǔ)，理解了微細(xì)電火花加工的基本原理，技術(shù)特點和應(yīng)用領(lǐng)域。因為陽極能量分配高，所以在加工時對陽極的蝕除也就相對較大，所以，若是把加工工件放在陽極上是進(jìn)行去除加工的必要條件之一，相反，把加工工件放在陰極上也是進(jìn)行沉積加工的必要條件之一。機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2022，20(5)：762—763。電火花微細(xì)加工技術(shù)及其發(fā)展。[5] 金柏冬，曹國輝，王振龍等，空氣中微細(xì)電火花沉積工藝規(guī)律研究[J]。機(jī)械工程學(xué)報，20