【正文】 [3] 宋小中，劉正塤，高長水。 根據(jù)對模擬的結(jié)果進(jìn)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。 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(xì)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(xì)電火花加工中工具電極和工件的溫度場 變化規(guī)律。 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 。 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(xué)本科畢業(yè)設(shè)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。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。 圖 314 可視化處理 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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(dǎo)，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。至于這些單元在分析中采用什么類 型單青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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。 （ 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。 圖 311 定義加載歷程 JOBS JOBS 的定義需指定當(dāng)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。 （ 2）指定結(jié)束分析的基準(zhǔn)溫度。 在穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)分析定義中，只 需選中當(dāng)前加載歷程需考慮的邊界條件。 當(dāng)上述標(biāo)準(zhǔn)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)。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)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)。 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(yīng)。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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 22 定義熱流隨時間的變化。 將主菜單翻至邊界條件，選擇一類熱邊界類型，定義所需設(shè)置數(shù)值，然后將這一邊界條件賦予 (ADD)功相應(yīng)的有限單元元素如節(jié)點、單元邊、單元面或單元。 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(kuò)展 Marc 程序的功能。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(yīng)力分析可采用初應(yīng)變法。 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(jì) 70 年代初誕生至今，一直緊跟有限元方法的理論和計算機(jī)硬、軟件發(fā)展的最新進(jìn)展，已發(fā)展成為功能強(qiáng)大、界面友好的有限元軟件系統(tǒng)。 極間放電能量的分配 關(guān)于極間放電能量的分配各國學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究，但目前為止還沒有很精確的公式可以應(yīng)用。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。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。 熱源模型 根據(jù)熱源形成的機(jī)理不同，電極上的熱源可以分為體積熱源與表面熱源 兩種 。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 15 第 3 章 單脈沖條件下微細(xì)電火花加工的溫度場仿真分析 隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)學(xué)模型和數(shù)值模擬技術(shù)的地位和作用越來越重要。 （ 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。電火花加工是在大氣壓力條件下進(jìn)行的過渡性電弧放電。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無明確的規(guī)定 [12]。在微細(xì)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。 如果要進(jìn)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(qiáng)的沖刷作用會阻礙沉積層的形成 [8]。 微細(xì)電火花加工的工作介質(zhì)選擇 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 12 微細(xì)電火花加工通常在液體介質(zhì)中進(jìn)行。 放電必須是短時間的脈沖放電。 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(yīng)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。 正負(fù)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。由于放電開始階段 通道截面很小，而通道內(nèi)由于高溫?zé)崤蛎浶纬傻膲毫Ω哌_(dá)幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴(kuò)展，產(chǎn)生一個強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。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。 （ 4）分析模擬 工具電極和工件 溫度場變化對于研究微細(xì)電火花加工的重要作用和意義。其中 峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。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。 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(fù)雜，有限元方法就是把無法用理論方法精確求解的復(fù)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(jī)對原問題進(jìn)行近似求解的一種工程計算方法。 目前，國外電火花成形機(jī)幾乎都應(yīng)用了模糊控制 (FC)技術(shù)。 圖 12 硬質(zhì)合金微型銑刀及其加工形狀 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 智能化 雖然智能控制系統(tǒng)在 微細(xì) 電火花成形加工中得到了大量應(yīng)用，但仍有許多不完善之處，需解決一些問題。我國目前的微細(xì)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(xì)電火花加工技術(shù)已經(jīng)能制作 Φ15μm 的微細(xì)軸和Φ19μm的微小孔，接近國際先進(jìn)水平。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。 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。 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。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。 — 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 。 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； （ 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(jìn)行建模，模擬溫度場； （ 4）建立微細(xì)電火花的熱源模型，通過溫度場仿真結(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。 — 反復(fù) 整理和修 改論文，最終完成論文。 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。 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。可以認(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)電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標(biāo)之一。 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。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（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。 B． Revaz， Anjali V． Kulkarni， Yadava Vinod， J． Marafona等分別開展了這方面的研究工作。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了 三組工藝參數(shù) (見表 11)。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 。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。 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 。通道高溫高壓，形成了爆炸膨脹的特性。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。 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。 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。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。 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。 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]。 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。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。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。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]。 由于放電通道的不均勻性，電極表面熱源也是不均勻的。 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 。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]。 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]。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。總剛度矩陣、總質(zhì)量矩陣等采用輪廓或稀疏存儲法存儲。 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)。 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。對殼單元可區(qū)分上、下表面不同的對流邊界。僅對需作橋態(tài)傳熱 分析的情形才需定義初始溫度場，初始給定溫 .度邊界應(yīng)施加在單元節(jié)點上。 圖 38 定義材料性質(zhì) 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（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。 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。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) .。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。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。 在定義 JOBS 時，切勿忘記定義單元類型。具體菜單界面