【正文】 陰極的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果可知，接陽(yáng)極的工具電極的 中心點(diǎn) 溫度場(chǎng) 的溫度 高于接陰極的工件的 中心點(diǎn) 溫度場(chǎng) 的溫度 。 對(duì)比空氣中對(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 317 工具電極黃銅溫度場(chǎng) 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 31 圖 318 工件高速鋼溫度場(chǎng) 在 空氣介質(zhì)中， 由 工具銅接陽(yáng)極，工件高速鋼接陰極的溫度場(chǎng)模擬結(jié)果可知，接陽(yáng)極的工具電極 的中心點(diǎn) 溫度場(chǎng) 的溫度 高于接陰極的工件的 中心點(diǎn)溫度場(chǎng)的 溫度。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 29 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 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 30 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(chǎng)如圖所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。如果不考慮材料的物理性能參數(shù)隨時(shí)間的變化，那么計(jì)算結(jié)果就會(huì)產(chǎn)生很大的偏差。同時(shí)因?yàn)楣ぜ哂袔缀涡螤?、材料分布和溫度條件的軸對(duì)稱性，溫度場(chǎng)也具有軸對(duì)稱性， 因此， 只對(duì)放電區(qū)域的 1/4 進(jìn)行分析，尺寸為100μm100μm50μm。具體菜單界面如圖 313。對(duì)有限元網(wǎng)格中的每一個(gè)單元都應(yīng)該選擇一種適當(dāng)單元類型。 在定義 JOBS 時(shí)，切勿忘記定義單元類型。除了常規(guī)的節(jié)點(diǎn)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(huì)記在后處理文件 .t16 或 .t19 中，進(jìn)一步通過 MENTAT，可視化處理。后者有助于提高計(jì)算效率，并且對(duì)線性單元可避免求解瞬態(tài)傳熱時(shí)可能出現(xiàn)的波動(dòng)。程序根據(jù) JOBS 中定義的加載歷程排列順序，逐個(gè)分析，并自動(dòng)將上個(gè)加載歷程結(jié)束時(shí)的結(jié)果作為下一個(gè)加載歷程開始時(shí)的初值，順次分析完所有加載歷程。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(jì)算。當(dāng)所有節(jié)點(diǎn)溫度低于或高于這一基準(zhǔn)溫度時(shí)，程序才結(jié)束運(yùn)行。定義自適應(yīng)步長(zhǎng)控制時(shí)，需輸入初始建議的時(shí)間步長(zhǎng)和希望亮成給定時(shí)間長(zhǎng)度內(nèi)分析所需的最大時(shí)間增量步數(shù) .。當(dāng)計(jì)算非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)問題時(shí)，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。 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(jì)算出的單元內(nèi)熱應(yīng)變一會(huì)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。 材料性質(zhì)定義完后，應(yīng)賦給相應(yīng)的單元。 圖 38 定義材料性質(zhì) 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 24 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。選擇 HEAT TRANSFER 后進(jìn)入材料參數(shù)輸入菜單。僅對(duì)需作橋態(tài)傳熱 分析的情形才需定義初始溫度場(chǎng)，初始給定溫 .度邊界應(yīng)施加在單元節(jié)點(diǎn)上。 （ 4） EDGE RADIATION,FACE RADIATION 定義輻射邊界。對(duì)殼單元可區(qū)分上、下表面不同的對(duì)流邊界。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(duì)不同節(jié)點(diǎn)給出不同溫度變化，可以描述隨空間變化的給定溫度分布。 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(diǎn)上的溫度值。 圖 34 定義節(jié)點(diǎn) 用 Mentat 的自動(dòng)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)。 Marc 程序擁有以下 4 個(gè)庫(kù) :單元庫(kù)、功能庫(kù)、分析庫(kù)、材料庫(kù)?？倓偠染仃?、總質(zhì)量矩陣等采用輪廓或稀疏存儲(chǔ)法存儲(chǔ)。 單元?jiǎng)偠染仃嚥捎脭?shù)值積分法生成。當(dāng)單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)太多，內(nèi)存不能滿足需要時(shí)，程序能夠自動(dòng)利用硬盤空間進(jìn)行分析。它擁有豐富和完善的單元庫(kù)、材料模型庫(kù)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(dòng)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(chǎng)問題，流體力學(xué)問題，滑動(dòng)軸承問題，以及多場(chǎng)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。 Hayakawa,Kunieda經(jīng)過理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)研究得出當(dāng)正負(fù)極材料相同時(shí)，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(huì)上升 [26]。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。實(shí)際上，放電通道半徑并非一個(gè)常值，而是隨放電時(shí)間的持續(xù)而發(fā)生變化 [22]。 F4為對(duì)稱邊界，亦為絕緣。 熱邊界條件和初始條件 為了得到每一節(jié)點(diǎn)熱平衡方程的唯一解，需給出一定的邊界條件和初始條件 。高斯熱源的數(shù)學(xué)表達(dá)式 [19]為 q(r)=qm exp(k)(22tRr) (31) 式中 q(r)——半徑 r 處的熱流密度 (W/m2)； qm——最大熱流密度 (W/m2)； k——熱源集中系數(shù)； R(t)——t 時(shí)刻放電通道半徑 (m)。 由于放電通道的不均勻性，電極表面熱源也是不均勻的。體積熱源是放電 電流通過電極表面放電點(diǎn)時(shí)，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(shí)才可能產(chǎn)生大量的焦?fàn)枱?；如果放電持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，放電電流的變化率較小，產(chǎn)生的焦?fàn)枱崾怯邢薜?[17]。通過對(duì)微細(xì)電火花加工放電過程的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析研究有很多好處，如預(yù)測(cè)工藝參數(shù)，比較清晰的看出能量，熱量的分布特點(diǎn)，并且這對(duì)于研究工件表面加工質(zhì)量也有很大的意義 [16]。只要通過少量驗(yàn)證試驗(yàn)，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(jì)算機(jī)上完成。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。 也就是說， MEDM 在微細(xì)程度、加工精度、加工對(duì)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(diǎn)和優(yōu)越性。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。如果脈寬固定不變，就不可能使電流值減少到最低程度。 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。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(diǎn)。 在較長(zhǎng)脈沖條件下放電時(shí)，會(huì)隨加工時(shí)間的增加在正極表面形成碳保護(hù)膜，而保護(hù)膜對(duì)正極的保護(hù)作用也會(huì)不斷增強(qiáng)，這會(huì)嚴(yán)重減弱電子轟擊對(duì)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(zhǎng)；與此同時(shí)，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(shí)要采用負(fù)極性加工 [11]。由于電子質(zhì)量小、加速度大，很容易獲得較高的運(yùn)動(dòng)速度，并通過碰撞傳遞能量給陽(yáng)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(duì)陰極表面的傳能作用很小。 本文在溫度場(chǎng)模擬中也考慮在氣體和液體介質(zhì)中兩種不同的情況，對(duì)兩種情況都進(jìn)行了分析和研究。另外，在煤油中加工時(shí)，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。碳膠粒在電場(chǎng)的作用下會(huì)向正極移動(dòng)，并吸附在正極表面，進(jìn)而在正極表面生成一層碳黑膜。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)。 脈沖放電后的電蝕產(chǎn)物能及時(shí)排放至放電間 隙之外，使重復(fù)性放電順利進(jìn)行。 由于放電時(shí)間短，使放電時(shí)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)。 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。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(huì)造成短路，在兩電極間沒有脈沖能量消耗，也不可能實(shí)現(xiàn)電腐蝕加工。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(shí)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。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。通道高溫高壓，形成了爆炸膨脹的特性。在放電的同時(shí)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。 1自動(dòng)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 。這些氣化后的金屬蒸汽瞬時(shí)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。在放電通道非常小的空間內(nèi)將瞬時(shí)流過放電電流， 電流密度極大，可達(dá) 104~107 A/cm2。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 9 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)。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(diǎn) 。沉積柱直徑 ，高 ，加工時(shí)間 180min，加工過程中火花微弱，沉積增長(zhǎng)緩慢但十分穩(wěn)定，沉積效果良好。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了 三組工藝參數(shù) (見表 11)。 國(guó)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(chǎng)，如圖 15所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。 B． Revaz， Anjali V． Kulkarni， Yadava Vinod， J． Marafona等分別開展了這方面的研究工作。自上個(gè)世紀(jì) 80 年代以來，有限元方法就被國(guó)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(chǎng)等方面的研究取得了顯著 的進(jìn)展。利用非燃性工作液或在青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 5 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。用模糊控制理論可以起到替代一個(gè)熟練操作人員的作用。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自學(xué)習(xí)、容錯(cuò)性和并行處理信 息的能力，可以提高對(duì)放電狀態(tài)、加工效率、放電位置等的預(yù)測(cè)精度，提高在線實(shí)時(shí)控制效果，推動(dòng) 微細(xì) 電火花成形加上過程控制向更高層次發(fā)展。為此， 微細(xì) 電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)研究和應(yīng)用以下技術(shù)。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。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 3 微細(xì)電火花加 工技術(shù)具有電極制作簡(jiǎn)單、電極與工件間宏觀作用力小、可控性好等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)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?？梢哉J(rèn)為，今后在模具尺寸上會(huì)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。特別是當(dāng)與 WEDG 方法相結(jié)合時(shí)，能加工出拐角銳利的 3 維微細(xì)型腔。 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。 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。 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。 眾所周知，傳統(tǒng)的機(jī)械加工并不擅長(zhǎng)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。 微細(xì)電火花加工是電力、磁力、熱力、流體動(dòng)力、電化學(xué)等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程。 在本論文中，通過選取合適的熱源模型，利用 MARC軟件對(duì)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(chǎng)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(chǎng) 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(duì)微細(xì)電火花加工機(jī)理的理解。 — 反復(fù) 整理和修 改論文，最終完成論文。 — 翻譯外文資料 。 要求 ： （ 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(diǎn)； （ 2）翻譯不少于 5000 字的外文資料； （ 3） 熟悉 Marc 軟件指令，會(huì)利用該軟件進(jìn)行建模，模擬溫度場(chǎng)； （ 4）建立微細(xì)電火花的熱源模型，通過溫度場(chǎng)仿真結(jié)果，揭示微細(xì)電火花加工過程中工具電極和工件溫度場(chǎng)的變化規(guī)律和特性 ； （ 5） 整理資料、撰寫論文，內(nèi)容不得少于 2 萬字，要求內(nèi)容豐富，圖文并茂。通過利用 Marc 軟件 模擬單脈沖條件下微細(xì)電火花加工過程中工具電極和工件的溫度場(chǎng)變化。 — 查找和學(xué)習(xí)資料，加深微細(xì)電火花加工相關(guān)理論知識(shí) 。 — 書寫論文第三部分，并且學(xué)習(xí)利用 MARC 軟件模擬溫度場(chǎng)。因此，研究微細(xì)電火花加工中溫