【正文】 作為國(guó)際上第一個(gè)通用非線(xiàn)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(jì)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(guó)學(xué)者都進(jìn)行了深入的研究，但目前為止還沒(méi)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(gè)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(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 15 第 3 章 單脈沖條件下微細(xì)電火花加工的溫度場(chǎng)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(lái)越重要。 （ 3）工具的旋轉(zhuǎn)不再是絕對(duì)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(guò)渡性電弧放電。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無(wú)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(chǎng)力的作用分別向陽(yáng)極和陰極移動(dòng)。 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?yàn)樵诿河椭屑庸さ臅r(shí)候，由于工作液氣化、膨脹部分的去除效果會(huì)對(duì)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(huì)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(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 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(shí)間的脈沖放電。 在該距離范 圍內(nèi)，既可以滿(mǎn)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(kāi)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(wàn)帕，高溫高壓的放電通道急速擴(kuò)展，產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。由于這一加熱過(guò)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(chǎng)變化對(duì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)比較后，基本上反映了單脈沖電火花加工的實(shí)際溫度場(chǎng)分布情況。 在工程中，許多問(wèn)題都可以歸結(jié)為解某一個(gè)特定的微分方程組，但由于實(shí)際問(wèn)題多種多樣，邊界條件十分復(fù)雜，有限元方法就是把無(wú)法用理論方法精確求解的復(fù)雜問(wèn)題，通過(guò)一定的方法轉(zhuǎn)換為可計(jì)算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計(jì)算機(jī)對(duì)原問(wèn)題進(jìn)行近似求解的一種工程計(jì)算方法。 目前，國(guó)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(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 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(wèn)題。我國(guó)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(dòng)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(guó)際先進(jìn)水平。但是最近研制成功的利用簡(jiǎn)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(xiāo) 、 棒類(lèi)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(shì)，一個(gè)是向著自動(dòng)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(dòng)化技術(shù)；另一個(gè)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(chǎng)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(shí) 。 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(guò)溫度場(chǎng)仿真結(jié)果，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)的變化規(guī)律和特性 ； （ 5） 整理資料、撰寫(xiě)論文，內(nèi)容不得少于 2 萬(wàn)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(dòng)力、電化學(xué)等綜合作用的過(guò)程，但其本質(zhì)是熱過(guò)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(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(lái)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(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(xiàn)實(shí)時(shí)控制效果，推動(dòng) 微細(xì) 電火花成形加上過(guò)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(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 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(kāi)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(jiàn)表 11)。本課題將就微 細(xì)電火花加工技術(shù)的以下問(wèn)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) 。在放電通道非常小的空間內(nèi)將瞬時(shí)流過(guò)放 電電流， 電流密度極大，可達(dá) 104~107 A/cm2。 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 。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(guò)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。 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(shí)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(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。 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。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]。 由于加工尺寸極小，加工表面更加致密，所以， MEDM 的關(guān)健問(wèn)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(guò)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(guò)對(duì)微細(xì)電火花加工放電過(guò)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]。 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(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。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]。 Hayakawa,Kunieda經(jīng)過(guò)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]。當(dāng)單元數(shù)、節(jié)點(diǎn)數(shù)太多，內(nèi)存不能滿(mǎn)足需要時(shí)，程序能夠自動(dòng)利用硬盤(pán)空間進(jìn)行分析?？倓偠染仃嚒⒖傎|(zhì)量矩陣等采用輪廓或稀疏存儲(chǔ)法存儲(chǔ)。 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)。 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。對(duì)殼單元可區(qū)分上、下表面不同的對(duì)流邊界。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。 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(shuō)明書(shū) 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(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。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) .。此外，用戶(hù)給定的最大允許增量步數(shù)也可用來(lái)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。后者有助于提高計(jì)算效率，并且對(duì)線(xiàn)性單元可避免求解瞬態(tài)傳熱時(shí)可能出現(xiàn)的波動(dòng)。 在定義 JOBS 時(shí)，切勿忘記定義單元類(lèi)型。具體菜單界面如圖 313。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。 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(shuō)明書(shū) 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。 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 。 （ 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 。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。機(jī)械科學(xué)與技術(shù)， 2021， 20(5)： 762—763。 [。清華大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版， 1999， 39(8)： 45． 48。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。 （ 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。溫度場(chǎng)如圖 323和圖 324。溫度場(chǎng)如圖 319和圖 320。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)。 具體菜單界面如圖 314 所示。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(xiàn)的兒何形狀還小能完全確定這些青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 27 結(jié)構(gòu)全部幾何信息 ,還需給定截面幾何特性。對(duì)殼單元沿厚度方向的分布，指明線(xiàn)性變化或是二次變化。 菜單界面如圖 311 所示。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。 圖 310 定義幾何特性 加載歷程 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說(shuō)明書(shū) 25 在主菜單下?lián)?LOADCASES 可選 HEAT TRANSFER，進(jìn)入定義穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)傳熱的加載歷程。如考慮相變潛熱，可擊 LATENT 定義兩相溫度和潛熱大小。 菜點(diǎn)界面如圖 37所示。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(hù)子程序定義對(duì)流條件。依施 加對(duì)象的不同而分類(lèi)。 圖 35 自動(dòng)生成網(wǎng)格 定義熱邊界條件。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 對(duì)于非線(xiàn)性問(wèn)題采用增量解法，在各增量步內(nèi)對(duì)非線(xiàn)性代數(shù)方程組進(jìn)行迭代以滿(mǎn)足收斂判定條件。 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 。為了研究方便，我采取了等值的放電通道半徑，令 R=8μm。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(xiàn)，半徑以?xún)?nèi)施加熱源，半徑外以對(duì)流換熱的方式考慮能量損耗 [21]。 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。 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)