【正文】 條件之一，相反，把加工工件放在陰極上也是進行沉積加工的必要條件之一。因此，本文通過理論分析軟件仿真技術，對微細電火花加工的過程中的電極進行了溫度模擬，主要工作及結論如下：以傳統電火花加工理論為基礎，理解了微細電火花加工的基本原理，技術特點和應用領域。在本章中，我分別在氣體介質中和液體介質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行了模擬。（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。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 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中，由工具銅接陽極，工件高速鋼接陰極的溫度場模擬結果可知，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。a) 導熱系數隨溫度變化曲線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隨溫度變化曲線 模擬結果分析通過模擬得到微細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。如果不考慮材料的物理性能參數隨時間的變化，那么計算結果就會產生很大的偏差。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 進行分析，尺寸為100μm100μm50μm。具體菜單界面如圖 313。對有限元網格中的每一個單元都應該選擇一種適當單元類型。在定義 JOBS 時，切勿忘記定義單元類型。除了常規(guī)的節(jié)點溫度外，這里列出的所有單元上的結果只有被選中后才會 中，進一步通過 MENTAT，可視化處理。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)傳熱時可能出現的波動。程序根據 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束時的結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。此外，用戶給定的最大允許增量步數也可用來控制由于數值誤差或人為定義引起的太多增量步計算。當所有節(jié)點溫度低于或高于這一基準溫度時，程序才結束運行。定義自適應步長控制時，需輸入初始建議的時間步長和希望亮成給定時間長度內分析所需的最大時間增量步數.。當計算非線性穩(wěn)態(tài)熱傳導問題時，還需進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矩陣的最大溫度變化的允許值。如果后續(xù)熱應力分析仍采用低階應力單元，那么提取這種單元形心處的溫度計算出的單元內熱應變一會有助于使熱應變與低階單元常應變保持協調，從而改善熱應力分析結果精度。材料性質定義完后，應賦給相應的單元。圖 38 定義材料性質定義完導熱系數后，如需進行瞬態(tài)熱傳導分析，可進一步定義比熱、質量密度。選擇 HEAT TRANSFER 后進入材料參數輸入菜單。僅對需作橋態(tài)傳熱分析的情形才需定義初始溫度場。（4）EDGE RADIATION,FACE RADIATION 定義輻射邊界。對殼單元可區(qū)分上、下表面不同的對流邊界。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。Mentat 提供的標準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。 圖 34 定義節(jié)點用 Mentat 的自動網格生成器完成網格劃分，或從 CAD 界面讀入現成的有限元網格數據。Marc 程序擁有以下 4 個庫:單元庫、功能庫、分析庫、材料庫。總剛度矩陣、總質量矩陣等采用輪廓或稀疏存儲法存儲。單元剛度矩陣采用數值積分法生成。當單元數、節(jié)點數太多，內存不能滿足需要時，程序能夠自動利用硬盤空間進行分析。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構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)熱分析及熱一結構藕合問題，電磁場問題，流體力學問題，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構使用戶易學易用；接口的開放性使用戶很方便擴展程序功能。 Hayakawa,Kunieda經過理論推導和實驗研究得出當正負極材料相同時，正極上的能量分配比負極大，如果一極材料換成具有更高熱導率的材料，此極的能量分配會上升 [26]。研究發(fā)現，放電過程產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中。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]。F 4為對稱邊界，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。高斯熱源的數學表達式 [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；R(t)——t 時刻放電通道半徑(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時，由于電阻熱效應而產生的，它的形成在很大程度上依賴于電流的趨膚效應，因此它只有在電流急劇變化時才可能產生大量的焦爾熱；如果放電持續(xù)時間較長，放電電流的變化率較小，產生的焦爾熱是有限的 [17]。通過對微細電火花加工放電過程的溫度場進行分析研究有很多好處，如預測工藝參數，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量也有很大的意義 [16]。只要通過少量驗證試驗，證明數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上完成。在微細電火花加工過程中存在極性效應，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象。也就是說，MEDM 在微細程度、加工精度、加工對象的材質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。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 的關健問題之一便是如何設定加工尺寸更小的放電條件。微細電火花加工的原理與普通電火花加工并無本質區(qū)別，不同之處在于其自身的工藝特點。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膜，而保護膜對正極的保護作用也會不斷增強，這會嚴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，正極表現為零損耗或負增長；與此同時，負極的蝕除量卻始終按放電次數的增加成比例增加，結果導致負極的蝕除量大于正極的蝕除量，所以此時要采用負極性加工 [11]。由于電子質量小、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。本文在溫度場模擬中也考慮在氣體和液體介質中兩種不同的情況，對兩種情況都進行了分析和研究。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。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，產生較大的爆炸力，強化電蝕產物的拋出效應。脈沖放電后的電蝕產物能及時排放至放電間隙之外，使重復性放電順利進行。由于放電時間短，使放電時產生的熱能來不及在被加工材料內部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內。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、不能產生火花放電，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，也不可能實現電腐蝕加工。因此為了保證微細電火花加工過程的正常進行，在兩次放電之間必須有足夠的時間間隔讓電蝕產物充分排除，恢復放電通道的絕緣性，使工作介質消電離。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中。通道高溫高壓，形成了爆炸膨脹的特性。在放電的同時還伴隨著光效應和聲效應，這就形成了肉眼所能看到的電火花。1自動進給調節(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 微細電火花加工裝置示意圖。這些氣化后的金屬蒸汽瞬時間體積猛增，快速熱膨脹，導致氣壓升高，產生很大的熱爆炸力，使熔融態(tài)的電極材料被排擠、拋出而進入工作介質中。在放電通道非常小的空間內將瞬時流過放電電流，電流密度極大，可達 104~107 A/cm2。第 2 章 微細電火花加工的相關原理 微細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。本課題將就微細電火花加工技術的以下問題進行研究：（1）以傳統電火花加工理論為基礎，從電火花加工中影響材料放電蝕除的主要因素入手，分析微細電火花加工的機理和特點。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。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了三組工藝參數(見表 11)。國內也有研究人員曾用有限元仿真方法模擬氣中微細電火花沉積加工 [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。B．Revaz，Anjali V．Kulkarni，Yadava Vinod，J ．Marafona等分別開展了這方面的研究工作。自上個世紀 80 年代以來，有限元方法就被國內外的很多研究機構和學者應用到了電火花加工的研究當中，并在溫度場等方面的研究取得了顯著的進展。利用非燃性工作液或在工作液中加入添加劑的微細電火花成形加工機可成倍提高加工速度。用模糊控制理論可以起到替代一個熟練操作人員的作用。人工神經網絡具有自組織、自學習、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、放電位置等的預測精度，提高在線實時控制效果，推動微細電火花成形加上過程控制向更高層次發(fā)展。為此，微細電火花成形加工智能控制系統應重點研究和應用以下技術。微細電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標之一。微細電火花加工技術具有電極制作簡單、電極與工件間宏觀作用力小、可控性好等優(yōu)點，微細電火花加工技術已成為微機械制造領域的一個重要組成部分，在精密機械加工、微電子技術、生物醫(yī)學工程、航空航天、光學、通訊、模具等領域有著廣泛的應用前景?？梢哉J為，今后在模具尺寸上會提出更加微細化的需求，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行應用研究。特別是當與 WEDG 方法相結合時，能加工出拐角銳利的 3 維微細型腔。利用微細電極，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孔。利用微細電火花加工方法可制成直徑為 Φ5μm 左右的微細軸及單邊為 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，傳統的機械加工并不擅長加工尺寸極小的形體，隨著工程技術領域對微型機械的迫切需求，微細加工技術正受到人們普遍的關注。微細電火花加工是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學等綜合作用的過程，但其本質是熱過程。在本論文中，通過選取合適的熱源模型，利用MARC軟件對單脈沖條件下微細電火花加工中工具電極和工件的溫度場進行了數值模擬，分析了微細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電火花加工過程中能量及熱傳導狀況，促進了對微細電火花加工機理的理解。— 反復整理和修改論文，最終完成論文?！? 翻譯外文資料。要求：（1）以傳統電火花加工理論為基礎，從電火花加工中影響材料放電蝕 除的主要 因素入手，分析微細電火花加工的機理和特點； （2）翻譯不少于 5000 字的外文資料；（3）熟悉 Marc 軟件指令，會利用該軟件進行建模，模擬溫度場；（4）建立微細電火花的熱源模型，通過溫度場仿真結果，揭示微細電火花加工過程中工具電極和工件溫度場的變化規(guī)律和特性；（5）整理資料、撰寫論文，內容不得少于 2 萬字，要求內容豐富，圖文并茂。通過利用 Marc 軟件模擬單脈沖條件下微細電火花加工過程中工具電極和工件的溫度場變化?！? 查找和學習資料，加深微細電火花加工相關理論知識?！? 書寫論文第三部分，并且學習利用 MARC 軟件模擬溫度場。因此，研究微細電火花加工中溫度場的變化規(guī)律是十分必要的。而微細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，能加工微三維結構等特點，在微細加工中具有重要的作用。 微細電火花加工的研究現狀及成果現代制造技術的發(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，即現代制造系統的自動化