【正文】 ，作用在電極表面的平面熱源的熱流密度呈現(xiàn)高斯分布 [18]如圖 31所示 。 本章通過建立微細電火花加工的熱源模型，利用 MARC 軟件，對單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場進行模擬分析。 最后 分析 了微細電火花加工技術的特點，也是 這種 加工 方法 的優(yōu)越性，即 宏觀 作用 力極小，加工材料選擇性廣，加工自由度、靈活性高等特點。 在使用工具的加工方法中 MEDM 具有以下的特點： （ 1）同其他加工法相比，由于 MEDM 的宏觀作用力極小 [15]，所以能加工細、薄的工件，不會因工具的彈性變形而使精度受到影響。目前， MEDM 應用的放電能量粗加工為 100μJ，精加工為 10μJ 左右，大體上是通常電火花加工能量 1J~100J 的 1/10000 左右 [14]。在氣體介質(zhì)中加工時，則不存在炭黑膜的影響，對加工方式的選擇主要考慮極性效應即可。 微細電火花加工過程中的極性效應 在微細電火花加工中存在極性效應，所謂極性效應 [10]即盡管使用相同材料的電極和工件，兩極的蝕除量仍然存在一定的差異現(xiàn)象。該層黑膜可在一定程度上阻止正極表面的損耗，這對傳統(tǒng)的去除加工是十分有利的。 在微細電火花加工過程中中，上述過程通過兩個途徑完成。能量密度足夠大，才可以使被加工材料局部熔化或汽化，從而在被加工材料表面形成一個腐蝕痕（凹坑），實現(xiàn)微細電火花加工。實際上，微細電火花加工的過程遠比上述復雜，它是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學和膠體化學等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程 [6]。所以在觀察微細電火花加工時，可以看到工件與工具 電極間有冒煙現(xiàn)象并聽到輕微的爆炸聲。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 10 微細電火花加工的微觀過程 微細電火花加工過程大致分為以下幾個階段： （ 1） 極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。通道中的介質(zhì)以等離子體狀態(tài)存在，其離子與電子的數(shù)量幾乎相等， 因此，該通道是電的良導體并呈電中性。 （ 2） 建立微細電火花 加工 的熱源模型， 用 MARC 軟件模擬 微細電火花加工過程圖 17 氣中微細電火花沉積加工實例 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 8 中工具電極和工件溫度場 變化 。 峰值電流 I/A 放電持續(xù)時間 t/μs 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 Tm 熔點 Tb 沸點 Cu(+)Tm Fe()Tm Cu(+)Tb Fe()Tb 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 7 表 11 沉積黃銅選用的工藝參數(shù) 工藝參數(shù) 1 工藝參數(shù) 2 工藝參數(shù) 3 峰值電流 I/A 脈沖寬度 ti/μs 4 8 8 脈沖間隔 to/μs 30 120 120 使用這三組工藝參數(shù)進行加工，均有沉積物生成。我國哈爾濱工業(yè)大學 [3]和廣東工業(yè)大學 也相繼開展了這方面的研究工作。新型電源和機器人技術也已應用到了 微細 電火花加工機床中，使 微細 電火花線切割 機 床的加工速度和其他性能有了大幅度提高。圖 13 是機床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡自動確定 工藝參數(shù)的流程圖。 圖 11 是日本東京生產(chǎn)技術研究所的增澤隆久教授 [1]加工出的 Φ5um 的微細孔和，代表了當前這一領域的世界前沿水平。 以往與微細加工相關的，多數(shù)為孔或狹縫加工，而現(xiàn)在已擴大到加工 3 維形狀的型腔及凸形零件，同時還能直接用于加工微細凸透鏡及表面裝飾用鑄模、壓印模等模具。目前其應用范圍是：圓孔直徑為 Φ5μm 左右；方孔單邊為 10μm 左右；可加工材料為金屬 、 合金 、 導電性陶瓷等；在加工深度上，可以加工出微孔深度超過直徑 2倍或在直徑超過 Φ50μm的情形下加工出孔深達到直徑 5 倍的深孔 。在多數(shù)情況下用其他加工方法，如銑削﹑車削﹑磨削等加工方法也能使工件較容易地加工出來，所以電火花加工所起的作用便不是唯一的。在微細電火花加工過程中，對工件的蝕除作用力雖然很多很復雜，但熱力起了最主要的作用。 — 做好 ppt,打印和裝訂論文，做好論文答辯準備。 主要技術參數(shù) 脈沖電壓 25V ；峰值電流 ；脈寬 8μm ；脈間 20μm ； 黃銅，高速鋼物性參數(shù)曲線圖； 1/4 模型 m50m1 0 0m1 0 0 ??? ?? ； 進 度 及 完 成 日 期 — 查找相關資料，熟悉課題內(nèi)容和相關知識，進行畢業(yè)實習。 — 安裝 Marc 軟件，學習并熟悉軟件命令 。 教學院長簽字 日 期 教研 室 主任簽字 日 期 指導 教師 簽字 日 期 指 導 教 師 評 語 指導教師 : 年 月 日 指 定 論 文 評 閱 人 評 語 評閱人 : 年 月 日 答 辯 委 員 會 評 語 評 定 成 績 指導教師給定 成績 (30%) 評閱人 給定 成績 (30%) 答辯成績 （ 40%） 總 評 答辯委員會主席 簽字 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 I 摘要 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(zhì)是熱過程，其中熱力在微細電火花加工過程中起了決定 性 的作用。 因此，模擬微細電火花加工過程中工具電極和工件的溫度場變化規(guī)律對于理解微細電火花加工的機理和特點 具有重要的作用，此外，研究溫度場的規(guī)律也可以預測工藝參數(shù)，這對于改進加工方法，提高工件加工速度，提高表面加工質(zhì)量也具有重要的意義。但是，在進行微細尺寸加工青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 2 時，例如像切削微細軸這類工件用一般切削方法就會因受切削力等方面的影響而引起彎曲，此時 MEDM 便能起重要作用。 利用微細電火花線切割能很容易地加工出 維形狀的工件，但是在其拐角處會帶有超出線電極半徑的圓??； 3 維型腔加工困難更大。 從總體來說，微細電火花加工技術在國際和國內(nèi)都取得了較大進展，日本已到了實用化的階段。 圖 11 Φ5μm的微細孔和 德國卡爾斯魯厄 (karlsruhe)大學和日本東京大學 [2]利用線電極電火花磨削（ WEDG)技術聯(lián)合開發(fā)了硬質(zhì) 合金微型銑刀的加工技術，并利用該銑刀進行了銑削加工試驗 (圖12)。 圖 13 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡自動確定 工 藝參數(shù)的流程圖 （ 3）模糊控制技術的應用。 有限元法仿真在電火花加工中的應用 隨著計算機技術的不斷發(fā)展，使仿真技術在工業(yè)中得到越來越廣泛的應用， 其中數(shù)值模擬方法，特別是有限元方法，作為一種先進的科學手段，具有物理意義明確和易于考慮邊界條件等優(yōu)點，是進行電火花加工機理研究的有效途徑。 圖 14 電火花加工的溫度場分析 [14] a)電火花加工有限元模型 b)溫度模擬結果 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 6 J． Marafona[4]利用有限元法模擬了放電加工的電熱過程，模型正極為銅，負極為鋼，放電通道抽象為均勻的圓柱體，使用定半徑的表面熱源，并對放電后電極和工件的溫度場進行了分析（見圖 14）。如圖 17 所示為 氣中微細電火花沉積加工實例。 （ 3）通過對比氣體和液體介質(zhì)中，不同極性，不同材料的溫度場變化，分析和揭示 微細電火花加工過程中工具電極和工件 溫度場變化規(guī)律及特性。在這種時間和空間高度集中的情況下，在極間電場作用下，通道中的正離子與電子高速地向陰極和陽極運動并發(fā)生劇烈碰撞，動能轉變成熱能，在工件表面形成熱源。 放電通道是由大量帶正電和負電的粒子以及中性粒子組成，帶電粒子高速運動，相互碰撞，產(chǎn)生大量熱能，使通道溫度升高，通道中心溫度可達到 10000 攝氏度以上。 （ 3） 電極材料的拋出。 微細電火花加工 的實現(xiàn)條件 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 11 實現(xiàn)微細電火花加工，應具備如下條件： 工具電極和工件電極之間必須維持合理的距離。所以，放電通 道必須具有足夠大的峰值電流，通道才可以在脈沖期間得到維持。一方面，火花放電以及電腐蝕過程本身具備將蝕除產(chǎn)物排離的固有特性；蝕除物以外的其余放電產(chǎn)物（如介質(zhì)的汽化物）亦可以促進上述過程；另一方面，還必須利用一些人為的輔助工藝措施，例如工作液的循環(huán)過濾，加工中采用的沖、抽油措施等等 。因此，如果進行工件去除加工，采用液體介質(zhì)作為工作液是相對來說是非常合適的。當電極和工件的材料不同時，這種差異會更加明顯。 微細電火花加工技術的特點 在各種不同的電火花加工應用中，通常把尺寸特別小的加工稱作微細電火 花加工。 由于 MEDM 的放電能量與通常的電火花加工不同，因而有其自身的特殊狀況。 （ 2）能加工硬度高，韌性大的材料。通過這章，可以更深入的了解 微細電火花加工的基本理論和特點，也為對微細電火花加工進行下一步分析和研究奠定理論基礎。 微細電火花加工溫度場分析 微細電火花加工模型假設 微細電火花加工的加工過程具有很強的隨機性和復雜性，但它遵循電火花加工和熱力學的基本規(guī)律，為了簡化計算，對該熱模型作如下假設： （ 1） 一個脈沖放電只存在一個放電通道； （ 2） 熱傳導模型為軸向?qū)ΨQ； （ 3） 電極材料為各向同性的均勻物質(zhì)； （ 4） 不考慮材料的去除問題； （ 5） 熱傳導過程的輻射熱損失轉換成對流換熱的方式考慮； （ 6） 把放電通道看做等能量密度分布的均勻圓柱體考慮。 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模擬中使用最廣泛的熱源模型，是最能反映實際情況的一種熱源。放電通道傳遞給工件的能量以熱能形式進行，所以上表面 F1以放電通道形位半徑為界線，半徑以內(nèi)施加熱源，半徑外以對流換熱的方式考慮能量損耗 [21]。為了研究方便，我采取了等值的放電通道半徑，令 R=8μm。 溫度場仿真軟件 為了 對單脈沖條件下 微細電火花加中工 具電極和工件的溫度場進行模擬分析 ，本人采用了 MARC 軟件 。 Marc 對于非線性問題采用增量解法，在各增量步內(nèi)對非線性代數(shù)方程組進行迭代以滿足收斂判定條件。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)選項組確定，分析模型的內(nèi)容由模型定義選項組確定，增量步數(shù)據(jù)由歷程定義選項組確定，圖形輸出由繪圖定義選項組確定。 圖 35 自動生成網(wǎng)格 定義熱邊界條件。依施加對象的不同而分類。對于非標準的對流邊界，按下 USER SUB． FILM，可通過用戶子程序定義對流條件。 菜點界面如圖 37所示。如考慮相變潛熱，可擊 LATENT 定義兩相溫度和潛熱大小。 圖 310 定義幾何特性 加載歷程 在主菜單下?lián)?LOADCASES 可選 HEAT TRANSFER，進入定義穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)傳熱的青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 25 加載歷程。程序計算完整個時間域內(nèi)溫度后自動正常退出。 菜單界 面如圖 311 所示。對殼單元沿厚度方向的分布，指明線性變化或是二次變化。因為有限元劃分出的網(wǎng)格只提供了單元幾何形狀信息，對殼、桿、梁單元，僅僅是中面或軸線的兒何形狀還小能完全確定這些結構全部幾何信息 ,還需給定截面幾何特性。 具體菜單界面如圖 314 所示。所以 為了精確模擬微細電火花加工過程的溫度場，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 關材料參數(shù)的工程數(shù)據(jù)庫。溫度場如圖 319和圖 320。溫度場如圖 323和圖 324。 （ 3）和在液體介質(zhì)中相比，在氣體介質(zhì)中進行微細電火花加工時，電極材料獲得的能量更高，相應模擬的的電極 的 溫度 場的溫度 也更高。為了便于分析和建模，模型中認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，應用了有限元方法對單脈沖條件下的工具電極和工件的溫度場進行數(shù)值模擬。清華大學學報：自然科