【正文】 學版， 1999， 39(8)： 45． 48。電火花微細加工技術及其發(fā)展。 因為陽極能量分配高，所以在加工時對陽極的蝕除也就相對較大，所以，若是把加工工件放在陽極上是進行去除加工的必要條件之一，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。在本章中，我分別在氣體介質(zhì)中和液體介質(zhì)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。 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 。 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 。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 29 a) 導熱系數(shù)隨溫度變化曲線 b) 比熱容隨溫度變化曲線 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 30 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(shù)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。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。對有限元網(wǎng)格中的每一個單元都應該選擇一種適當單元類型。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記在后處理文件 .t16 或 .t19 中，進一步通過 MENTAT，可視化處理。程序根據(jù) 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。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。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(shù)矩陣的最大溫度變化的允許值。 材料性質(zhì)定義完后，應賦給相應的單元。選擇 HEAT TRANSFER 后進入材料參數(shù)輸入菜單。 （ 4） EDGE RADIATION,FACE RADIATION 定義輻射邊界。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。 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。 Marc 程序擁有以下 4 個庫 :單元庫、功能庫、分析庫、材料庫。 單元剛度矩陣采用數(shù)值積分法生成。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。研究發(fā)現(xiàn)，放電過程產(chǎn)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(zhì)中。 F4為對稱邊界，亦為絕緣。高斯熱源的數(shù)學表達式 [19]為 q(r)=qm exp(k)(22tRr) (31) 式中 q(r)——半徑 r 處的熱流密度 (W/m2)； qm——最大熱流密度 (W/m2)； k——熱源集中系數(shù)； R(t)——t 時刻放電通道半徑 (m)。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(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)生的焦爾熱是有限的 [17]。只要通過少量驗證試驗，證明數(shù)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。 也就是說， MEDM 在微細程度、加工精度、加工對象的材質(zhì)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。如果脈寬固定不變，就不可能使電流值減少到最低程度。微細電火花加工的原理與普通電火花加工并無本質(zhì)區(qū)別，不同之處在于其自身的工藝特點。由于電子質(zhì)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(zhì)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。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。工作液密度和粘度較大，壓縮放電通道的能力強，產(chǎn)生較大的爆炸力，強化電蝕產(chǎn)物的拋出效應。 由于放電時間短，使放電時產(chǎn)生的熱能來不及在被加工材料內(nèi)部擴散，從而把能量作用局限在很小范圍內(nèi)。若 兩電極距離過大，則脈沖電壓不能擊穿介質(zhì)、不能產(chǎn)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(xiàn)電腐蝕加工。通道中心的壓力最高，金屬汽化后不斷向外膨脹，形成內(nèi)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(zhì)中。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。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(chǎn)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(zhì)中。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 9 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(zhì)。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。 國內(nèi)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。自上個世紀 80 年代以來，有限元方法就被國內(nèi)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。用模糊控制理論可以起到替代一個熟練操作人員的作用。為此， 微細 電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應重點研究和應用以下技術。 青島理工大學本科畢業(yè)設計（論文）說明書 3 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。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。 眾所周知，傳統(tǒng)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。 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(shù)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。 — 翻譯外文資料 。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。 — 書寫論文第三部分，并且學習利用 MARC 軟件模擬溫度場。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。因 此，微細電火花加工技術將會成為微細三維結構模具型腔制作的主流技術之一。 （ 2）微小孔、 維形狀、 3 維形狀加工。 模具制造已成為電火花加工最大的應用領域，而隨著一部分模具的微細化，MEDM 的應用是必然趨勢?，F(xiàn)在，國際 上微細 電火花加工技術發(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中是一個新的加工領域。 （ 2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術的應用。 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。而有限元法克服了這一缺點。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。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內(nèi)容。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)。圖 21 為微細電火花加工裝置示意圖 [6]。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。 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，結碳，使加工無法進行，并燒壞電極。 輸送到兩電極間的脈沖能量密度應足夠大。只有如此，才能避免發(fā)生電弧和局部燒傷。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。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。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]。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 量主要轉換為熱，最終產(chǎn)生在陽極上。 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。放電通道中生成的大量熱能使材料熔化、氣化和拋出。因而在微細電火花加工中，熱源形式將以表面熱源為主。 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。 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。 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]。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。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。 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。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。需給定對流放熱系數(shù)和環(huán)境溫度。 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。按下 ANISOTROPIC 可定義 6 個各向異性熱傳導系數(shù)。此外，按 下 CONSTANT TEMPERATURE，表示將低階熱傳導單元內(nèi)線性分布的溫度結果等效到單元形心上輸出，并記錄在后處理結果文件 .t16 和 .t19 中。程序用時間 /增量步數(shù)獲得每步相等的時間步長。如果想用結束溫度檢查來控制求解何時停止，需給足夠長的總時間。 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)。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。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。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。溫度場如圖 317和圖 318。溫度場如圖 321和圖 322。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。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 。 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]。機械科學與技