【正文】 應(yīng)，為了適應(yīng)零件多品種、小批量的特點(diǎn)， 微細(xì) 電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能也呈現(xiàn)個(gè)性化的發(fā)展趨勢(shì)。 有限元法仿真在電火花加工中的應(yīng)用 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，使仿真技術(shù)在工業(yè)中得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用， 其中數(shù)值模擬方法，特別是有限元方法，作為一種先進(jìn)的科學(xué)手段，具有物理意義明確和易于考慮邊界條件等優(yōu)點(diǎn)，是進(jìn)行電火花加工機(jī)理研究的有效途徑。使用高分辨率的測(cè)溫儀雖然可以采集溫度場(chǎng)數(shù)據(jù)，但是費(fèi)用昂貴，而且采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響；應(yīng)用有限差分法研究溫度場(chǎng)雖有精確度高等優(yōu)點(diǎn)，但不適用于復(fù)雜的邊界條件。 圖 14 電火花加工的溫度場(chǎng)分析 [14] a)電火花加工有限元模型 b)溫度模擬結(jié)果 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 6 J． Marafona[4]利用有限元法模擬了放電加工的電熱過(guò)程，模型正極為銅，負(fù)極為鋼，放電通道抽象為均勻的圓柱體，使用定半徑的表面熱源，并對(duì)放電后電極和工件的溫度場(chǎng)進(jìn)行了分析（見(jiàn)圖 14）。 圖 16 氣中微細(xì)電火花沉積的工藝參數(shù)范圍圖 最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì) 模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，該實(shí)驗(yàn) 選擇在普通電火花成形機(jī)床 DP30 上進(jìn)行。如圖 17 所示為 氣中微細(xì)電火花沉積加工實(shí)例。 課題的主要研究?jī)?nèi)容 微細(xì)電火花加工是從傳統(tǒng)電火花加工中演變出來(lái)的一種新的加工方法，雖然機(jī)理方面和傳統(tǒng)的電火花加工并沒(méi)有本質(zhì)上的區(qū)別，但其能加工微細(xì)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)還是與電火花加工有著很多的區(qū)別的。 （ 3）通過(guò)對(duì)比氣體和液體介質(zhì)中，不同極性，不同材料的溫度場(chǎng)變化，分析和揭示 微細(xì)電火花加工過(guò)程中工具電極和工件 溫度場(chǎng)變化規(guī)律及特性。工具電極在伺服機(jī)構(gòu)的控制下向工件進(jìn)給，當(dāng)極間 的 間隙減小到一定值時(shí)，導(dǎo)致介質(zhì)在相對(duì)最小間隙處或絕緣強(qiáng)度最低處電離擊穿，形成放電通道，在該局部產(chǎn)生瞬時(shí)脈沖火花放電。在這種時(shí)間和空間高度集中的情況下，在極間電場(chǎng)作用下，通道中的正離子與電子高速地向陰極和陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)并發(fā)生劇烈碰撞，動(dòng)能轉(zhuǎn)變成熱能，在工件表面形成熱源。 重復(fù)上述過(guò)程，雖然脈沖放電蝕除的工件材料量極少，但因每秒有成千上萬(wàn)次脈 沖放電作用，就能蝕除較多的工件材料，完成微細(xì)電火花加工。 放電通道是由大量帶正電和負(fù)電的粒子以及中性粒子組成，帶電粒子高速運(yùn)動(dòng)，相互碰撞，產(chǎn)生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達(dá)到 10000 攝氏度以上。 工作介質(zhì)被電離、擊穿，形成放電通道后，通道間帶負(fù)電的粒子奔向正極，帶正電的粒子奔向負(fù)極，粒子間相互撞擊，產(chǎn)生大量的熱能，使通道瞬間達(dá)到很高的溫度。 （ 3） 電極材料的拋出。 （ 4） 極間介質(zhì)的消電離。 微細(xì)電火花加工 的實(shí)現(xiàn)條件 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 11 實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工，應(yīng)具備如下條件： 工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離。 在進(jìn)行微細(xì)電火花加工時(shí)，兩極間一般采用液體介質(zhì)；進(jìn)行沉積加工時(shí)，采用氣體介質(zhì)效果更好。所以，放電通 道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。 這里包含兩個(gè)方面的意義：其一，時(shí)間上相鄰的兩個(gè)脈沖不在同一點(diǎn)上形成通道；其二，若在一定時(shí)間范圍內(nèi)脈沖放電集中發(fā)生在某一區(qū)域，則在另一段時(shí)間內(nèi)，脈沖放電應(yīng)轉(zhuǎn)移到另一區(qū)域。一方面，火花放電以及電腐蝕過(guò)程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物（如介質(zhì)的汽化物）亦可以促進(jìn)上述過(guò)程；另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過(guò)濾，加工中采用的沖、抽油措施等等 。一般來(lái)說(shuō)微細(xì)電火花加工用煤油作為工作液，在放電過(guò)程中將發(fā)生熱分解，而產(chǎn)生大量的碳，還能和金屬結(jié)合形成金屬碳化物的顆粒，即膠團(tuán) [7]。因此，如果進(jìn)行工件去除加工，采用液體介質(zhì)作為工作液是相對(duì)來(lái)說(shuō)是非常合適的。同時(shí)，在氣體介質(zhì)中熔融金屬的冷卻速度比在液體介質(zhì)中熔融金屬的冷卻速度慢很多，使熔化的電極材料容易附著在工件表面上。當(dāng)電極和工件的材料不同時(shí)，這種差異會(huì)更加明顯。 但在煤油介質(zhì)中進(jìn)行微細(xì)電火花加工，必須充分考慮碳保護(hù)膜對(duì)正極的保護(hù)作用會(huì)對(duì)工具電極和工件的蝕除量的變化產(chǎn)生很大的影響。 微細(xì)電火花加工技術(shù)的特點(diǎn) 在各種不同的電火花加工應(yīng)用中，通常把尺寸特別小的加工稱作微細(xì)電火 花加工。這是因?yàn)樾螤顝?fù)雜的微小電極本身就極難制作，而且由于加工過(guò)程中嚴(yán)重的電極損耗現(xiàn)象，使成形電極的形狀很快改變而無(wú)法進(jìn)行高精度的三維曲面加工。 由于 MEDM 的放電能量與通常的電火花加工不同，因而有其自身的特殊狀況。所以， MEDM 所設(shè)定的脈寬要比一般電火花加工短很多 。 （ 2）能加工硬度高，韌性大的材料。微細(xì)電火花加工的 微觀過(guò)程 為 ： （ 1） 放電通道的形成； （ 2） 電極材料的融化，汽化熱膨脹； （ 3） 電極材料的拋出； （ 4） 極間介質(zhì)的消電離。通過(guò)這章，可以更深入的了解 微細(xì)電火花加工的基本理論和特點(diǎn)，也為對(duì)微細(xì)電火花加工進(jìn)行下一步分析和研究奠定理論基礎(chǔ)。 微細(xì)電火花加工本質(zhì)上屬于電火花加工，主要是一個(gè)熱過(guò)程。 微細(xì)電火花加工溫度場(chǎng)分析 微細(xì)電火花加工模型假設(shè) 微細(xì)電火花加工的加工過(guò)程具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，但它遵循電火花加工和熱力學(xué)的基本規(guī)律，為了簡(jiǎn)化計(jì)算，對(duì)該熱模型作如下假設(shè)： （ 1） 一個(gè)脈沖放電只存在一個(gè)放電通道； （ 2） 熱傳導(dǎo)模型為軸向?qū)ΨQ； （ 3） 電極材料為各向同性的均勻物質(zhì)； （ 4） 不考慮材料的去除問(wèn)題； （ 5） 熱傳導(dǎo)過(guò)程的輻射熱損失轉(zhuǎn)換成對(duì)流換熱的方式考慮； （ 6） 把放電通道看做等能量密度分布的均勻圓柱體考慮。在加工優(yōu)良導(dǎo)體時(shí)，其金屬蝕除量只占蝕除金屬總量的 1~2%，基本可以忽略不計(jì)。 圖 31 熱流密度高斯分布示意圖 因此，高斯熱源是等離子體溫度場(chǎng)模擬中使用最廣泛的熱源模型，是最能反映實(shí)際情況的一種熱源。由此可以得到式 (32)： q[R(t)]= (32) 當(dāng) r=R(t)時(shí)，由式 (32)可得 q[R(t)]=qm exp(k) (33) 通過(guò)式 (32)，式 (33)，可以求得能量集中系數(shù) k k=－ =3 (34) 設(shè)高斯熱源在分布區(qū)域上的總功率輸入為 Q，放電電壓為 U，峰值電流為 I，能量qm 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 17 分配系數(shù)為 η，則最大的熱流密度 qm[20]可解 ms m qk tRr dr dtR rkqdsrqQ )())(e xp()(220 0 22 ??? ???? ? ? ? ?? (35) ηU ItRQtR kq m )(3)( 22 ?? ?? ))(3e xp ()(3)( 2 22 tR rηU ItRrq ?? ? (36) 式中 η——能量分配系數(shù)； U——放電電壓 (V)； I——峰值電流 (A)。放電通道傳遞給工件的能量以熱能形式進(jìn)行，所以上表面 F1以放電通道形位半徑為界線，半徑以內(nèi)施加熱源，半徑外以對(duì)流換熱的方式考慮能量損耗 [21]。 在 F2， F3， F4上， 0???nT (38) 當(dāng) t=0 時(shí)，兩極具有均勻的初始溫度， T=T0=25℃ 。為了研究方便，我采取了等值的放電通道半徑，令 R=8μm。 B． Revaz， M． R． Patel[24]經(jīng)過(guò) 研究認(rèn)為消耗在等離子體通道的能量占總能量的 70%以上。 溫度場(chǎng)仿真軟件 為了 對(duì)單脈沖條件下 微細(xì)電火花加中工 具電極和工件的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬分析 ，本人采用了 MARC 軟件 。 Marc 是基于位移法的有限元程序，在非線性方面具有強(qiáng)大的功能。 Marc 對(duì)于非線性問(wèn)題采用增量解法，在各增量步內(nèi)對(duì)非線性代數(shù)方程組進(jìn)行迭代以滿足收斂判定條件。應(yīng)變一位移函數(shù)根據(jù)高斯點(diǎn)來(lái)評(píng)價(jià)。輸入數(shù)據(jù)文件由 4 部分組成，其中分析功能的指示由參數(shù)選項(xiàng)組確定，分析模型的內(nèi)容由模型定義選項(xiàng)組確定，增量步數(shù)據(jù)由歷程定義選項(xiàng)組確定，圖形輸出由繪圖定義選項(xiàng)組確定。 Marc 軟件溫度場(chǎng)仿真流程 圖 33 MARC 軟件仿真流程圖 MARC 軟件仿真流程及具體過(guò)程如下： 定義單元節(jié)點(diǎn)編碼和節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)。 圖 35 自動(dòng)生成網(wǎng)格 定義熱邊界條件。對(duì)于殼單元，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以指定 2 個(gè) (中面、頂部或底部 )溫度或 3 個(gè) (中面、頂部及底部 )溫度值。依施加對(duì)象的不同而分類。 （ 3） EDGE FILM， FACE FILM 定義施加在二維單元邊界，三維單元表面的分布對(duì)流放熱邊界條件。對(duì)于非標(biāo)準(zhǔn)的對(duì)流邊界，按下 USER SUB． FILM，可通過(guò)用戶子程序定義對(duì)流條件。 定義邊界條件菜單界面如圖 36 所示。 菜點(diǎn)界面如圖 37所示。按下 ISOTROPIC 只需給 l 個(gè)熱傳導(dǎo)系數(shù)，按下 ORTHOTROPIC應(yīng)輸入 3 個(gè)正交方向的材料熱傳導(dǎo)系數(shù)。如考慮相變潛熱，可擊 LATENT 定義兩相溫度和潛熱大小。 幾何特性 定義幾何特性的主要用途在于對(duì)桿、殼結(jié)構(gòu)單元定義橫截面積和厚度大小。 圖 310 定義幾何特性 加載歷程 在主菜單下?lián)?LOADCASES 可選 HEAT TRANSFER，進(jìn)入定義穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)傳熱的青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 25 加載歷程。定義固定時(shí)間步長(zhǎng)時(shí)，要輸入在給定加載時(shí)問(wèn)內(nèi)需分析的增量步數(shù)。程序計(jì)算完整個(gè)時(shí)間域內(nèi)溫度后自動(dòng)正常退出。它并不能干擾用戶給定的總時(shí)間的完成。 菜單界 面如圖 311 所示。具體菜單青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 26 界面如圖 312 所示。對(duì)殼單元沿厚度方向的分布，指明線性變化或是二次變化。 （ 4） JOB PARAMETERS：用戶可重新分配所需內(nèi)存大小，盡量使計(jì)算在內(nèi)存中完成。因?yàn)橛邢拊獎(jiǎng)澐殖龅木W(wǎng)格只提供了單元幾何形狀信息，對(duì)殼、桿、梁?jiǎn)卧瑑H僅是中面或軸線的兒何形狀還小能完全確定這些結(jié)構(gòu)全部幾何信息 ,還需給定截面幾何特性。 在 JOB 中單擊 RUNSUHMIT 1，可運(yùn)行 Marc 分析程序。 具體菜單界面如圖 314 所示。 圖 315 網(wǎng)格模型 材料物性參數(shù)設(shè)置 金屬材料的物理性能參數(shù)如比熱、導(dǎo)熱系數(shù)密度等一般都隨溫度變化而變化，是非線性的。所以 為了精確模擬微細(xì)電火花加工過(guò)程的溫度場(chǎng)，材料的熱物理特性都采用隨溫度變化的取值方式，這樣就建立了相 關(guān)材料參數(shù)的工程數(shù)據(jù)庫(kù)。 在空氣 介質(zhì)中的溫度場(chǎng)模擬 （ 1） 工具 黃銅接陽(yáng)極，工件高速鋼接陰極。溫度場(chǎng)如圖 319和圖 320。 在 液體 介質(zhì)中的溫度場(chǎng)模擬 （ 1）工具黃銅接陽(yáng)極，工件高速鋼接陰極。溫度場(chǎng)如圖 323和圖 324。 通過(guò)對(duì)微細(xì)電火花加工過(guò)程中工具電極和工件蝕除溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，可以得出微細(xì)電火花加工中電極溫度場(chǎng)的以下規(guī)律特點(diǎn)： （ 1）陽(yáng)極的溫度場(chǎng) 溫度 高于陰極的溫度場(chǎng) 的溫度 ，即陽(yáng)極獲得的能量高于陰極獲得的能量。 （ 3）和在液體介質(zhì)中相比，在氣體介質(zhì)中進(jìn)行微細(xì)電火花加工時(shí)，電極材料獲得的能量更高，相應(yīng)模擬的的電極 的 溫度 場(chǎng)的溫度 也更高。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 35 結(jié)論 微細(xì)電火花加工方法的出現(xiàn)，對(duì)整個(gè)電火花加工技術(shù)和微型機(jī)械制造領(lǐng)域的進(jìn)步有著重要的意義。為了便于分析和建模，模型中認(rèn)為放電通道半徑是等徑的，考慮了材料物性參數(shù)隨溫度的變化，應(yīng)用了有限元方法對(duì)單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。這對(duì)于選取合適的工藝參數(shù)，提高加工速度和加工質(zhì)量有著重要的作用。清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 1999， 39(8)： 45． 48。 [4] 王振龍，趙萬(wàn)生，微細(xì)電火花加工中電極材料的蝕除機(jī)理研究 [J]。電火花微細(xì)加工技術(shù)及其發(fā)展。機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2022， 20(5)： 762—763。 因?yàn)殛?yáng)極能量分配高，所以在加工時(shí)對(duì)陽(yáng)極的蝕除也就相對(duì)較大，所以，若是把加工工件放在陽(yáng)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。因此，本文通過(guò)理論分析軟件仿真技術(shù) ，對(duì) 微細(xì)電火花加工的過(guò)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(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域。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(chǎng)，并且在每種加工方法中，都對(duì)互換極性的情況進(jìn)行了模擬。 （ 2）不同材料作為電極所模擬的溫度場(chǎng) 變化 不相同，在相同條件下，其中銅電極的溫度場(chǎng) 溫度 高于高速鋼電極 的溫度場(chǎng) 溫度 。 對(duì)比煤油中對(duì)換極性的工具電極和工件的溫度場(chǎng) 變化 ，可以看出，微細(xì)電火花加工中陽(yáng)極的溫度場(chǎng) 溫度 總是 高于陰極的溫度場(chǎng) 溫度 。 圖 321 工具電極黃銅溫度場(chǎng) 圖 322 工件高速鋼溫度場(chǎng) 在 煤油介質(zhì)中， 由 工具電極銅 接陽(yáng)極，工件高速鋼接