【正文】 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(jié)構(gòu)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(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)的自身微細加工極限。因 此，微細電火花加工技術(shù)將會成為微細三維結(jié)構(gòu)模具型腔制作的主流技術(shù)之一。 微細電火花加工一般應用于以下加工： （ 1）微細軸 、 銷 、 棒類的加工。 （ 2）微小孔、 維形狀、 3 維形狀加工。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、邊進行加工的方法已使 3 維型腔加工成為可能。 模具制造已成為電火花加工最大的應用領(lǐng)域，而隨著一部分模具的微細化，MEDM 的應用是必然趨勢。我國目前的微細電火花加工技術(shù)和用于該技術(shù)的微小驅(qū)動裝置也已經(jīng)取得了階段性的突破和成果，用微細電火花加工技術(shù)已經(jīng)能制作 Φ15μm 的微細軸和Φ19μm的微小孔，接近國際先進水平。現(xiàn)在，國際 上微細 電火花加工技術(shù)發(fā)展主要有 幾個 趨勢，在某種程度上來說，這也是它的 發(fā)展 特點： 精密微細化 微細加工在近代加工技術(shù)中是一個新的加工領(lǐng)域。 圖 12 硬質(zhì)合金微型銑刀及其加工形狀 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 4 智能化 雖然智能控制系統(tǒng)在 微細 電火花成形加工中得到了大量應用，但仍有許多不完善之處，需解決一些問題。 （ 2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)的應用。 目前，國外電火花成形機幾乎都應用了模糊控制 (FC)技術(shù)。 高效化 近年來在提高 微細 電火花成型加工效率方面有了新突破。 在工程中，許多問題都可以歸結(jié)為解某一個特定的微分方程組，但由于實際問題多種多樣，邊界條件十分復雜，有限元方法就是把無法用理論方法精確求解的復雜問題，通過一定的方法轉(zhuǎn)換為可計算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計算機對原問題進行近似求解的一種工程計算方法。而有限元法克服了這一缺點。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較后，基本上反映了單脈沖電火花加工的實際溫度場分布情況。加工介質(zhì)為空氣，電極材料為黃銅， ? ，接正極；工件為普通高速鋼，接負極。其中 峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。因此，我將以微細電火花加工為研究對象，研究其溫度場方面的一些相關(guān)內(nèi)容。 （ 4）分析模擬 工具電極和工件 溫度場變化對于研究微細電火花加工的重要作用和意義。由于受到放電時磁場力箍縮效應和周圍工作介質(zhì)壓縮效應的作用，通道瞬間擴展受到限制，使放電能量集中于很小的范圍內(nèi)。由于這一加熱過程一般只有 107~104s，所以 使電極材料迅速熔化、氣化。圖 21 為微細電火花加工裝置示意圖 [6]。由于放電開始階段 通道截面很小，而通道內(nèi)由于高溫熱膨脹形成的壓力高達幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴展，產(chǎn)生一個強烈的沖擊波向四周傳播。高溫向四周擴散，使兩電極表面的金屬材料開始熔化直至沸騰氣化。 正負電極間產(chǎn)生的電火花現(xiàn)象，使放電通道產(chǎn)生高溫高壓。 在微細電火花放電加工過程中產(chǎn)生的電蝕產(chǎn)物如果來不及排除和擴散，那么產(chǎn)生的熱量將不能及時傳出，使該處介質(zhì)局部過熱，局部過熱的工作液高溫分解，結(jié)碳，使加工無法進行，并燒壞電極。 在該距離范圍內(nèi)，既可以滿足脈沖電壓不斷擊穿介質(zhì)，產(chǎn)生火花放電，又可以適應在火花通道熄滅后介質(zhì)消電離以及排出蝕除產(chǎn)物的要求。 輸送到兩電極間的脈沖能量密度應足夠大。 放電必須是短時間的脈沖放電。只有如此，才能避免發(fā)生電弧和局部燒傷。 微細電火花加工的工作介質(zhì)選擇 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 12 微細電火花加工通常在液體介質(zhì)中進行。中性的膠團在電場作用下可能與其可動層脫離，而成為帶負電的碳膠粒。 如果要進行沉積加工 ，則最好不要選擇煤油作為工作液，因為在煤油中加工的時候，由于工作液氣化、膨脹部分的去除效果會對熔化并要轉(zhuǎn)移到工件表面的電極材料有很強的沖刷作用會阻礙沉積層的形成 [8]。另外，氣 體中進行放電加工時，放電間隙內(nèi)部不存在液體加工時的加工屑漂浮現(xiàn)象，放電結(jié)束后可以迅速恢復間隙的絕緣狀態(tài)，減少了電弧放電的發(fā)生，這樣更有利于沉積加工的穩(wěn)定進行 [9]。在微細電火花放電通道中，電子和正離子受電場力的作用 分別向陽極和陰極移動。在短脈沖放電條件時，碳保護膜難以形成，所以不必考慮其保護作用對電極蝕除量的影響。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無明確的規(guī)定 [12]。因此，人們開始探索使用簡單形狀的電極，借鑒數(shù)控銑削的方法進行微細三維輪廓的電火花加工 [13]。電火花加工是在大氣壓力條件下進行的過渡性電弧放電。在這種極短脈沖的放電過程中，形成濃度極低的等離子放電，而電子流則成為主要的載流子，即變成一種接近于電子束的加工狀態(tài)，放電能青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 14 量主要轉(zhuǎn)換為熱，最終產(chǎn)生在陽極上。 （ 3）工具的旋轉(zhuǎn)不再是絕對的條件，由于工具的所有表面都起到加工作用， 所以工具的形狀及被加工形狀的自由度都很高。 在 微細電火花加工 中，選擇不同的工作介質(zhì)適合不同的加工，選擇液體工作介質(zhì)更適合于去除加工，而選擇氣體工作介質(zhì)更適合于沉積加工。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 15 第 3 章 單脈沖條件下微細電火花加工的溫度場仿真分析 隨著現(xiàn)代科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學模型和數(shù)值模擬技術(shù)的地位和作用越來越重要。放電通道中生成的大量熱能使材料熔化、氣化和拋出。 熱源模型 根據(jù)熱源形成的機理不同，電極上的熱源可以分為體積熱源與表面熱源 兩種 。因而在微細電火花加工中，熱源形式將以表面熱源為主。它主要有兩個要素：第一，熱源在分布區(qū)域上的能量；第二，熱源在分布區(qū)域的半徑，在這里即為放電通道半徑。 對放電通道半徑內(nèi)的能量密度采用通道內(nèi)中心密度與半徑邊緣處密度之和的一半 ,即 ???? 22 )(32 RUIUIRqqq Rm ????? （ 37） 其中， R 為等值的放電通道通道半徑。電極的側(cè)表面 F2和下表面 F3不發(fā)生熱量傳遞，均為絕緣。 本文中 假設放電通道 半徑內(nèi)的能量密度分布是等值的，在放電通道半徑外，為對流換熱密度具體計算式為 ?? ?2RUI （ 39） 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 18 具體模型邊界條件如圖 32： 圖 32 模型的熱邊界條件 放電通道半徑 在微細電火花加工的傳熱過程研究中，我們需要知道放電通道半徑的大小，也就是熱源在材料表面加載半徑的大小。 極間放電能量的分配 關(guān)于極間放電能量的分配各國學者都進行了深入的研究，但目前為止還沒有很精確的公式可以應用。 日本學者夏恒通過對能量在兩極分配比例的研究認為：無論脈沖寬度如何變化，工具陽極獲得的能量總要比工件陰極大得多，其比例分別為 40%和 25%左右 [25]。 MARC 軟件簡介及特點 作為國際上第一個通用非線性商用有限元軟件， MSC． Marc 軟件從 20 世紀 70 年代初誕生至今，一直緊跟有限元方法的理論和計算機硬、軟件發(fā)展的最新進展，已發(fā)展成為功能強大、界面友好的有限元軟件系統(tǒng)。程序按模塊化編程，工作空間可根據(jù)計算機內(nèi)存大小自動 進行調(diào)整；用戶如果對精度要求較高，可選用雙精度進行運算。根據(jù)具體分析的問題可采用不同的分析方法，如對于彈塑性分析和大位移分析可采用切線剛度法，對于蠕變分析或熱應力分析可采用初應變法。程序計算、存儲單元所有積分點或單元中心點的應力、應變、溫度等。 Marc 程序擁有許多對用戶開放的子程序即用戶子程序，用戶可以根據(jù)各自需要用Fortran 語言編制用戶子程序，實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的修改、材料本構(gòu)關(guān)系的定義、載荷條件、邊界條件、約束條件的變更，甚至擴展 Marc 程序的功能。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 21 通過 Mentat 界面定義單元節(jié) 點坐標和單元節(jié)點編碼 命令按鈕如圖 34。 將主菜單翻至邊界條件，選擇一類熱邊界類型，定義所需設置數(shù)值，然后將這一邊界條件賦予 (ADD)功相應的有限單元元素如節(jié)點、單元邊、單元面或單元。這取決于期望溫度沿厚度方程的分布用線性還是二次曲線描述。加在單元節(jié)點上的熱流為POINT FLUX 加在二維單元邊上的分布熱流為 EDGE FLUX，加在三維單元面上的熱流為 FACE FLUX，加在單元數(shù)值積分點上的熱流為 VOLUME FLUX，也可用 table 來青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 22 定義熱流隨時間的變化。需給定對流放熱系數(shù)和環(huán)境溫度。 FIXED VELOCITY 定義域內(nèi)各節(jié)點速度，用于分析考慮質(zhì)量遷移引起的對流效應。 圖 36 定義熱邊界條件 初始條件 在主菜單中擊 INITIAL CONDITIONS 可定義初始條件。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 23 圖 37 定義初始條件 材料性質(zhì) 回到主菜單，擊 MATERIAL PROPERTIES 定義材料熱物理性質(zhì)。按下 ANISOTROPIC 可定義 6 個各向異性熱傳導系數(shù)。 當上述標準材料的熱物理性質(zhì)定義不能滿足用戶需要時，可通過 AKNOND 等用戶子程序接口輸入用戶自定義的各種材料熱參數(shù)。此外，按 下 CONSTANT TEMPERATURE，表示將低階熱傳導單元內(nèi)線性分布的溫度結(jié)果等效到單元形心上輸出，并記錄在后處理結(jié)果文件 .t16 和 .t19 中。 在穩(wěn)態(tài)熱傳導分析定義中，只 需選中當前加載歷程需考慮的邊界條件。程序用時間 /增量步數(shù)獲得每步相等的時間步長。 （ 2）指定結(jié)束分析的基準溫度。如果想用結(jié)束溫度檢查來控制求解何時停止，需給足夠長的總時間。 圖 311 定義加載歷程 JOBS JOBS 的定義需指定當前分析的問題類型，選定在此 JOBS 中希望采用的一個或若干個加載歷程。 圖 312 JOBS 定義 JOBS 時，用戶還要選擇其他項： （ 1） ANALYSIS OPTIDNS 可指定是否采用一致 熱容矩陣或用集中熱容矩陣(LUMP)。 （ 2） JOB RESULTS：指明輸出結(jié)果以 .t16 或 .t19 形式存儲，以及存儲結(jié)果的增量步頻率等。如果不能提供足夠內(nèi)存，程序自動實施內(nèi)外存交換來分析問題，只是計算速度可能會大大減低。至于這些單元在分析中采用什么類 型單青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 27 元，如節(jié)點自由度、分析問題維數(shù)、積分階次等信息必須在定義了確定的單元類型后才明確。如有用戶子程序被采用，應單擊 USER SUBS FILE 選項，指明所定義的用戶子程序名后，再單擊 SUBMIT I運行。 圖 314 可視化處理 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 28 單脈沖溫度場的數(shù)值模擬 建模及網(wǎng)格劃分 放電加工時，放電點相對工件和電極尺寸來說比較小且放電時間短，溫度來不及傳導，只有放電點周圍的小部分區(qū)域受熱影響，所以放電加工可視為微小面熱源對半無限大物體的加熱。但是放電加工過程中，放電時間比較短，溫度變化范圍大，并且溫度變化的速度快。模擬中電極材料為黃銅，工件材料為普通高速鋼，它們的材料熱物性參數(shù)隨溫度變化曲線如圖316 所示。溫度場如圖 317和圖 318。 圖 319 工具 電極黃銅溫度場 圖 320 工件高速鋼溫度場 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 32 在 空氣介質(zhì)中， 由 工具電極銅接 陰 極，工件高速鋼接 陽 極的溫度場模擬結(jié)果 可知，接陽極的工 件的中心點 溫度場 的溫度 高于接陰極的工 具電極 的 中心點溫度場的 溫度。溫度場如圖 321和圖 322。 圖 323 工具電極黃銅溫度場 圖 324 工件高速鋼溫度場 在 煤油介質(zhì)中， 由 工具電極銅接陰極，工件高速鋼接陽極的溫度場模擬結(jié)果可知，接陽極的工件的 中心點 溫度場 的溫度 高于接陰極的工具電極的 中心點 溫度場 的溫度 。在微細電火花加工中存在的這種極性效應可以作為選擇微細電火花加工方青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 34 式的重要依據(jù)之一。 本章小結(jié) 本章通過選取合適的熱邊界條件和放電通道半徑等，建立了微細電火花加工的熱源模型，并 通過 MARC 軟件，模擬了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 變化規(guī)律。溫度場模擬對于分析微細電火花加工放電過程中微觀的物理本質(zhì)可以更直觀的，更容易的理解其機理 。 根據(jù)對模擬的結(jié)果進行比較，同時也驗證了電極間能量分配不均的現(xiàn)象，通過對比結(jié)果可知，在陽極上的能量分布多于陰極的，所以即使是同種材料，同種加工條件和邊界條件下，在陽極 上的溫度梯度要高于陰極上的溫度梯度，即陽極能量分配高于陰極的能量分配。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 36 參考文獻 [1] 趙偉，任延華，任中根等，電火花放電通道中帶電粒子 運動規(guī)律的研究 [J]。 [3] 宋小中，劉正塤，高長水。機械科學與技