【文章內(nèi)容簡介】 因此，如果進(jìn)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。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]。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。據(jù)研究表明，在氣體中進(jìn)行放電沉積加工比較理想，因為在氣體介質(zhì)中加工對沉積材料的沖擊較弱，只有少部分碎屑飛出，對沉積物的形成十分有利。同時，在氣體介質(zhì)中熔融金屬的冷卻速度比在液體介質(zhì)中熔融金屬的冷卻速度慢很多，使熔化的電極材料容易附著在工件表面上。另外，氣體中進(jìn)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(fù)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(jìn)行 [9]。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。 微細(xì)電火花加工過程中的極性效應(yīng)在微細(xì)電火花加工中存在極性效應(yīng)，所謂極性效應(yīng) [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。當(dāng)電極和工件的材料不同時，這種差異會更加明顯。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。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。所以單純從帶電粒子對電極蝕除的影響角度考慮，在微細(xì)電火花加工中應(yīng)采用工具電極接負(fù)極的正極性加工。但在煤油介質(zhì)中進(jìn)行微細(xì)電火花加工，必須充分考慮碳保護(hù)膜對正極的保護(hù)作用會對工具電極和工件的蝕除量的變化產(chǎn)生很大的影響。在短脈沖放電條件時，碳保護(hù)膜難以形成，所以不必考慮其保護(hù)作用對電極蝕除量的影響。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]。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(yīng)即可。 微細(xì)電火花加工技術(shù)的特點在各種不同的電火花加工應(yīng)用中，通常把尺寸特別小的加工稱作微細(xì)電火花加工。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無明確的規(guī)定 [12]。微細(xì)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。但使用微小成形電極，利用傳統(tǒng)的電火花成形加工方法進(jìn)行微細(xì)三維輪廓加工顯然是不現(xiàn)實的。這是因為形狀復(fù)雜的微小電極本身就極難制作，而且由于加工過程中嚴(yán)重的電極損耗現(xiàn)象，使成形電極的形狀很快改變而無法進(jìn)行高精度的三維曲面加工。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(jìn)行微細(xì)三維輪廓的電火花加工 [13]。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。目前，MEDM 應(yīng)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]。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。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。如果脈寬固定不變，就不可能使電流值減少到最低程度。為此，不得不采取一方面將電流值保持在一定的程度，另一方面則通過減小脈寬來實現(xiàn)微小能量的簡便放電方法。所以，MEDM 所設(shè)定的脈寬要比一般電火花加工短很多。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)，放電能量主要轉(zhuǎn)換為熱，最終產(chǎn)生在陽極上。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(xì)、薄的工件，不會因工具的彈性變形而使精度受到影響。（2）能加工硬度高，韌性大的材料。（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。也就是說，MEDM 在微細(xì)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。 本章小結(jié)本章研究了了微細(xì)電火花加工的基本原理，其本質(zhì)是個熱過程。微細(xì)電火花加工的微觀過程為：（1）放電通道的形成；（2）電極材料的融化，汽化熱膨脹；（3）電極材料的拋出；（4）極間介質(zhì)的消電離。在微細(xì)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。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。最后分析了微細(xì)電火花加工技術(shù)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。通過這章，可以更深入的了解微細(xì)電火花加工的基本理論和特點，也為對微細(xì)電火花加工進(jìn)行下一步分析和研究奠定理論基礎(chǔ)。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。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(jī)上完成。相對于實驗來說，這種方法更省時。微細(xì)電火花加工本質(zhì)上屬于電火花加工，主要是一個熱過程。放電通道中生成的大量熱能使材料熔化、氣化和拋出。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]。本章通過建立微細(xì)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(jìn)行模擬分析。 微細(xì)電火花加工溫度場分析 微細(xì)電火花加工模型假設(shè)微細(xì)電火花加工的加工過程具有很強(qiáng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，但它遵循電火花加工和熱力學(xué)的基本規(guī)律，為了簡化計算，對該熱模型作如下假設(shè)：（1）一個脈沖放電只存在一個放電通道；（2）熱傳導(dǎo)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(dǎo)過程的輻射熱損失轉(zhuǎn)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。 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。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(yīng)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(yīng)，因此它只有在電流急劇變化時才可能產(chǎn)生大量的焦?fàn)枱?；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?fàn)枱崾怯邢薜?[17]。因此，一般在放電初期或加工不良導(dǎo)體時，它的作用才較明顯。在加工優(yōu)良導(dǎo)體時，其金屬蝕除量只占蝕除金屬總量的 1~2%，基本可以忽略不計。因而在微細(xì)電火花加工中，熱源形式將以表面熱源為主。由于放電通道的不均勻性，電極表面熱源也是不均勻的。研究表明瞬時放電通道中帶電粒子的密度符合高斯分布，即放電通道中心處帶電粒子的密度最高，而邊緣處帶電粒子的密度最低，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。qm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。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。高斯熱源的數(shù)學(xué)表達(dá)式 [19]為q(r)=qm exp(k ) (31)(2tRr式中 q(r)——半徑 r 處的熱流密度(W/m 2)；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)。由于放電時能量比較集中，放電面積很小，高斯分布曲線在無限遠(yuǎn)處趨近于零，在放電通道中認(rèn)為當(dāng) q(r) 時，可以忽略不計。由此可以得到式(32)：q[R(t)]= (32) 當(dāng) r=R(t)時，由式 (32)可得q[R(t)]=qm exp(k) (33)通過式(32)，式(33)，可以求得能量集中系數(shù) kk=－=3 (34)設(shè)高斯熱源在分布區(qū)域上的總功率輸入為 Q，放電電壓為 U，峰值電流為 I，能量分配系數(shù)為 η，則最大的熱流密度 qm[20]可解 (35)ms qktRrdtkdrQ)()(exp)(2202??? ???????ηUItRQtkqm)(3)(22 (36))(exp)((22trItr???式中 η——能量分配系數(shù)；U——放電電壓(V)；I——峰值電流(A)。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 （37 ）????)0.(3RUIUIRqm????其中，R 為等值的放電通道通道半徑。 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。圖31所示為模型的熱邊界條件。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F 1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]。電極的側(cè)表面F 2和下表面F 3不發(fā)生熱量傳遞，均為絕緣。F 4為對稱邊界，亦為絕緣。這樣就確定了模型的熱邊界條件。在F 2，F(xiàn) 3，F(xiàn) 4上， (38)0??nT當(dāng) t=0 時，兩極具有均勻的初始溫度，T=T 0=25℃。本文中假設(shè)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 （39 ）???2RUI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(xì)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。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]。當(dāng)峰值電流不變時，放電通道的半徑在放電的初期隨著放電的持續(xù)不斷地擴(kuò)大，但等離子放電通道的振動強(qiáng)度受到峰值電流的限制，到一定的時間后可以認(rèn)為半徑趨于穩(wěn)定，變化量很小。為了研究方便，我采取了等值的放電通道半徑，令 R=8μm。 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。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。P．T．Eubank，M．R ．Patel經(jīng)過試驗分析發(fā)現(xiàn)大概26%的能量分配在放電的兩極 [23]。B．Revaz，M．R ．Patel [24]經(jīng)過研究認(rèn)為消耗在等離子體通道的能量占總能量的70%以上。日本學(xué)者夏恒通過對能量在兩極分配比例的研究認(rèn)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]。 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]。綜合上述各位學(xué)者的研究成果，本文仿真中電極材料為黃銅，工件材料為普通高速鋼，在氣體介質(zhì)中采用能量分配系數(shù)分別為 50%和 20%，在液體介質(zhì)中采用能量分配系數(shù)分別為 45%和 18%。 溫度場仿真軟件為了對單脈沖條件下微細(xì)電火花加中工具電極和工件的溫度場進(jìn)行模擬分析，本人采用了 MARC 軟件。 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)。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)藕合問題，電磁場問題，流體力學(xué)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(jié)構(gòu)使用戶易學(xué)易用；接口的開放性使用戶很方便擴(kuò)展程序功能。MSC．Marc 軟件于 20 世紀(jì) 90 年代開始在我國的航空航天、核工業(yè)、鐵路運輸業(yè)、石油化工、機(jī)械制造、能源、汽車、電子、土木工程、造船、生物醫(yī)學(xué)、輕工、地礦、水利等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，為各領(lǐng)域中產(chǎn)品設(shè)計、科學(xué)研究作出了很大貢獻(xiàn)。Marc 是基于位移法的有限元程序，在非線性方面具有強(qiáng)大的功能。程序按模塊化編程，工作空間可根據(jù)計算機(jī)內(nèi)存大小自動進(jìn)行調(diào)整；用戶如果對精度要求較高，可選用雙精度進(jìn)行運算。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。在分析過程中，利用網(wǎng)格自適應(yīng)和重劃