【正文】 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。畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 班級 機(jī)械 072 姓名 XX 下發(fā)日期 202136 題目 微細(xì)電火花加工中工具電極及加工材料蝕除溫度場仿真 專題 主 要 內(nèi) 容 及 要 求 主要內(nèi)容：本次設(shè)計(jì)的課題是 微細(xì)電火花加工中工具電極及加工材料蝕除溫度場仿真 。通過利用 Marc 軟件 模擬單脈沖條件下微細(xì)電火花加工過程中工具電極和工件的溫度場變化。 主要技術(shù)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(jìn) 度 及 完 成 日 期 — 查找相關(guān)資料，熟悉課題內(nèi)容和相關(guān)知識(shí)，進(jìn)行畢業(yè)實(shí)習(xí)。 — 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) 。 — 書寫論文第一部分，即緒論部分。 — 書寫論文第三部分，并且學(xué)習(xí)利用 MARC 軟件模擬溫度場。 — 做好 ppt,打印和裝訂論文，做好論文答辯準(zhǔn)備。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。另外，在實(shí)際應(yīng)用中，模擬微細(xì)電火花加工中工具電極和工件材料溫度場對于改進(jìn)其加工方法，預(yù)測工藝參數(shù)，提高加工零件表面質(zhì)量等 方 面也具有很重要的意義。而微細(xì)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(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，在微細(xì)加工中具有重要的作用。在微細(xì)電火花加工過程中，對工件的蝕除作用力雖然很多很復(fù)雜，但熱力起了最主要的作用。 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(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。由于微細(xì)電火花加工（ MicroEDM，以下簡稱為 MEDM)擁有獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，所以能制成各種極微細(xì)的高硬度（金剛石燒結(jié)體，硬質(zhì)合金等）工具、模具及復(fù)雜形狀的三維工 件。因此，微細(xì)電火花加工技術(shù)將會(huì)成為微細(xì)三維結(jié)構(gòu)模具型腔制作的主流技術(shù)之一。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。 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。如果用 CNC 控制線電極的導(dǎo)向器位置，還能加工出帶有錐度﹑斜面及螺旋面等復(fù)雜形狀的凸形工件。 （ 2）微小孔、 維形狀、 3 維形狀加工。目前其應(yīng)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(dǎo)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(dá)到直徑 5 倍的深孔。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。因此人們可以以此作為制造微細(xì)模具的有力手段。 模具制造已成為電火花加工最大的 應(yīng)用領(lǐng)域，而隨著一部分模具的微細(xì)化，MEDM 的應(yīng)用是必然趨勢。 以往與微細(xì)加工相關(guān)的，多數(shù)為孔或狹縫加工，而現(xiàn)在已擴(kuò)大到加工 3 維形狀的型腔及凸形零件，同時(shí)還能直接用于加工微細(xì)凸透鏡及表面裝飾用鑄模、壓印模等模具。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(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，接近國際先進(jìn)水平。 結(jié)合我國微細(xì)電火花成形加工技術(shù)的實(shí)際情況， 比 如在電火花成形加工工藝技術(shù)方面，我們有不少能工巧匠，在長期的生產(chǎn)實(shí)踐中積累了豐富的工藝經(jīng)驗(yàn)，加工出許多具有國際領(lǐng)先水平的工 件?，F(xiàn)在，國際 上微細(xì) 電火花加工技術(shù)發(fā)展主要有 幾個(gè) 趨勢，在某種程度上來說，這也是它的 發(fā)展 特點(diǎn)： 精密微細(xì)化 微細(xì)加工在近代加工技術(shù)中是一個(gè)新的加工領(lǐng)域。 圖 11 是日本東京生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授 [1]加工出的 Φ5um 的微細(xì)孔和，代表了當(dāng)前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。 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。具體為： （ 1）專家系統(tǒng)的應(yīng)用。 （ 2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。圖 13 是機(jī)床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)確定 工藝參數(shù)的流程圖。 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)。即對檢測 到的間隙放電狀態(tài)進(jìn)行模糊推理，以識(shí)別加工是否高效、穩(wěn)定，由此確定下階段新的加工參數(shù)，來實(shí)現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。 高效化 近年來在提高 微細(xì) 電火花成型加工效率方面有了新突破。新型電源和機(jī)器人技術(shù)也已應(yīng)用到了 微細(xì) 電火花加工機(jī)床中，使 微細(xì) 電火花線切割 機(jī) 床的加工速度和其他性能 有了大幅度提高。 在工程中，許多問題都可以歸結(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(jì)算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計(jì)算機(jī)對原問題進(jìn)行近似求解的一種工程計(jì)算方法。 微細(xì) 電火花加工溫度場的研究工作受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。而有限元法克服了這一缺點(diǎn)。我國哈爾 濱工業(yè)大學(xué) [3]和廣東工業(yè)大學(xué) 也相繼開展了這方面的研究工作。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)際溫度場分布情況。 圖 15 單脈沖瞬態(tài)溫度場 他們研究了 峰值電流為 ，工具電極放電中心的溫度隨時(shí)間變化曲線 ，并 用此曲線預(yù)測工藝參數(shù)劃分了范圍，并把圖 16陰影區(qū)域作為工藝參數(shù)的選擇區(qū)。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(fù)極。 峰值電流 I/A 放電持續(xù)時(shí)間 t/μs 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 Tm 熔點(diǎn) Tb 沸點(diǎn) Cu(+)Tm Fe()Tm Cu(+)Tb Fe()Tb 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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(jìn)行加工，均有沉積物生成。其中 峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。由此，驗(yàn)證了氣中微細(xì)電火花沉積溫度場的數(shù)值模擬分析對預(yù)測其工藝參數(shù)適用。因此，我將以微細(xì)電火花加工為研究對象，研究其溫度場方面的一些相關(guān)內(nèi)容。 （ 2） 建立微細(xì)電火花 加工 的熱源模型， 用 MARC 軟件模擬 微細(xì)電火花加工過程圖 17 氣中微細(xì)電火花沉積加工實(shí)例 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 8 中工具電極和工件溫度場 變化 。 （ 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。當(dāng)兩極間加上脈沖電壓時(shí)，由于工具電極與工件表面微觀不平，使極間電場分布不均勻。由于受到放電時(shí)磁場力箍縮效應(yīng)和周圍工作介質(zhì)壓縮效應(yīng)的作用，通道瞬間擴(kuò)展受到限制，使放電能量集中于很小的范圍內(nèi)。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(dǎo)體并呈電中性。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。在脈沖間隔 期間，兩電極間消電離，工作介質(zhì)恢復(fù)絕緣狀態(tài)。圖 21 為微細(xì)電火花加工裝置示意圖 [6]。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 10 微細(xì)電火花加工的微觀過程 微細(xì)電火花加工過程大致分為以下幾個(gè)階段： （ 1） 極間介質(zhì)的電離、擊穿，形成放電通道。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(gè)強(qiáng)烈的沖擊波向四周傳播。 （ 2） 電極材料的融化，汽化熱膨脹。高溫向四周擴(kuò)散，使兩電極表面 的金屬材料開始熔化直至沸騰氣化。所以在觀察微細(xì)電火花加工時(shí)，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。 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。加工中看到的桔紅色火花就是被拋出的高溫金屬熔滴和碎屑。 在微細(xì)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(kuò)散， 那么產(chǎn)生的熱量將不能及時(shí)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(jié)碳，使加工無法進(jìn)行，并燒壞電極。實(shí)際上，微細(xì)電火花加工的過程遠(yuǎn)比上述復(fù)雜，它是電力、磁力、熱力、流體動(dòng)力、電化學(xué)和膠體化學(xué)等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程 [6]。 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。 兩電極之間必須充入介質(zhì)。 輸送到兩電極間的脈沖能量密度應(yīng)足夠大。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(gè)腐蝕痕（凹坑），實(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工。 放電必須是短時(shí)間的脈沖放電。 脈沖放電需重復(fù)多次進(jìn)行，并且多次脈沖放電在時(shí)間上和空間上是分散的。只有如此，才能避免發(fā)生電弧和局部燒傷。 在微細(xì)電火花加工過程中中，上述過程通過兩個(gè)途徑完成。 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）說明書 12 微細(xì)電火花加工通常在液體介質(zhì)中進(jìn)行。工作液的氣化、膨脹部分的去除效果，會(huì)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，這對去除加工十分有利。中性的膠團(tuán)在電場作用下可能與其可動(dòng)層脫離，而成為帶負(fù)電的碳膠粒。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。 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]。 據(jù)研究表明，在氣體中進(jìn)行放電沉積加工比較理想，因?yàn)樵跉怏w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。另外，氣體中進(jìn)行放電加工時(shí)，放電間隙內(nèi)部不存在液體加工時(shí)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]。 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。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(dòng)。所以單純從帶電青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 13 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。在短脈沖放電條件時(shí)，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。在氣體介質(zhì)中加工時(shí)，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。所謂特別小，究竟小到何種程度，目前尚無明確的規(guī)定 [12]。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(shí)的。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]。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]。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。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(shí)現(xiàn)微小能量的簡便放電方法。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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）說明書 14 量主要轉(zhuǎn)換為熱，最終產(chǎn)生在陽極上。 在使用工具的加工方法中 MEDM 具有以下的特點(diǎn)： （ 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(huì)因工具的彈性變形而使精度受 到影響。 （ 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。 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(gè)熱過程。 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。 最后 分析 了微細(xì)電火花加工技術(shù)的特點(diǎn)，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(diǎn)。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計(jì)（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。相對于實(shí)驗(yàn)來說，這種方法更省