【正文】 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（論文）任務(wù)書專業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班級 xxx 姓名 xx 下發(fā)日期 202236題目 微細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)計的課題是微細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 ；m5010???進度及完成日期— 查找相關(guān)資料，熟悉課題內(nèi)容和相關(guān)知識，進行畢業(yè)實習(xí)?！? 查找和學(xué)習(xí)資料，加深微細電火花加工相關(guān)理論知識?！? 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，做好論文答辯準備。因此，研究微細電火花加工中溫度場的變化規(guī)律是十分必要的。另外，在實際應(yīng)用中，模擬微細電火花加工中工具電極和工件材料溫度場對于改進其加工方法，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，在微細加工中具有重要的作用。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(fù)雜，但熱力起了最主要的作用。 微細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，一個是向著自動化、柔性化、集成化、智能化等方向發(fā)展，即現(xiàn)代制造系統(tǒng)的自動化技術(shù)；另一個就是尋求現(xiàn)有制造技術(shù)的自身微細加工極限。由于微細電火花加工（MicroEDM，以下簡稱為 MEDM)擁有獨特的優(yōu)點，所以能制成各種極微細的高硬度（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，微細電火花加工技術(shù)將會成為微細三維結(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。微細電火花加工一般應(yīng)用于以下加工：（1）微細軸、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化，MEDM 的應(yīng)用是必然趨勢。以往與微細加工相關(guān)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。我國目前的微細電火花加工技術(shù)和用于該技術(shù)的微小驅(qū)動裝置也已經(jīng)取得了階段性的突破和成果，用微細電火花加工技術(shù)已經(jīng)能制作 Φ15μm 的微細軸和Φ19μm 的微小孔，接近國際先進水平。結(jié)合我國微細電火花成形加工技術(shù)的實際情況，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)實踐中積累了豐富的工藝經(jīng)驗，加工出許多具有國際領(lǐng)先水平的工件?，F(xiàn)在，國際上微細電火花加工技術(shù)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(shù)中是一個新的加工領(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 的微細孔和 的微細軸，代表了當前這一領(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智能化雖然智能控制系統(tǒng)在微細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 是機床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定工藝參數(shù)的流程圖。目前，國外電火花成形機幾乎都應(yīng)用了模糊控制(FC)技術(shù)。即對檢測到的間隙放電狀態(tài)進行模糊推理，以識別加工是否高效、穩(wěn)定，由此確定下階段新的加工參數(shù)，來實現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。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。新型電源和機器人技術(shù)也已應(yīng)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。在工程中，許多問題都可以歸結(jié)為解某一個特定的微分方程組，但由于實際問題多種多樣，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)換為可計算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計算機對原問題進行近似求解的一種工程計算方法。微細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。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)果與實驗數(shù)據(jù)比較后，基本上反映了單脈沖電火花加工的實際溫度場分布情況。圖15 單脈沖瞬態(tài)溫度場，工具電極放電中心的溫度隨時間變化曲線，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?負極。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。其中峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。由此，驗證了氣中微細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電火花加工的重要作用和意義。當兩極間加上脈沖電壓時，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 為微細電火花加工裝置示意圖 [6]。 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。由于放電開始階段通道截面很小，而通道內(nèi)由于高溫熱膨脹形成的壓力高達幾萬帕，高溫高壓的放電通道急速擴展，產(chǎn)生一個強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。正負電極間產(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(jié)碳，使加工無法進行，并燒壞電極。實際上，微細電火花加工的過程遠比上述復(fù)雜，它是電力、磁力、熱力、流體動力、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腐蝕痕（凹坑） ，實現(xiàn)微細電火花加工。放電必須是短時間的脈沖放電。脈沖放電需重復(fù)多次進行，并且多次脈沖放電在時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。在微細電火花加工過程中中，上述過程通過兩個途徑完成。 微細電火花加工的工作介質(zhì)選擇微細電火花加工通常在液體介質(zhì)中進行。工作液的氣化、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的沖刷作用，這對去除加工十分有利。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。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的沖刷作用會阻礙沉積層的形成 [8]。據(jù)研究表明，在氣體中進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。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(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)定進行 [9]。 微細電火花加工過程中的極性效應(yīng)在微細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。所以單純從帶電粒子對電極蝕除的影響角度考慮，在微細電火花加工中應(yīng)采用工具電極接負極的正極性加工。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。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。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行微細三維輪廓加工顯然是不現(xiàn)實的。因此，人們開始探索使用簡單形狀的電極，借鑒數(shù)控銑削的方法進行微細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：（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。（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)本章研究了了微細電火花加工的基本原理，其本質(zhì)是個熱過程。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。最后分析了微細電火花加工技術(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。第 3 章 單脈沖條件下微細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。相對于實驗來說，這種方法更省時。放電通道中生成的大量熱能使材料熔化、氣化和拋出。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。 熱源模型根據(jù)熱源形成的機理不同，電極上的熱源可以分為體積熱源與表面熱源兩種。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。因而在微細電火花加工中，熱源形式將以表面熱源為主。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。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。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處趨近于零，在放電通道中認為當 q(r) 時，可以忽略不計。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。圖31所示為模型的熱邊界條件。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。這樣就確定了模型的熱邊界條件。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。當峰值電流不變時，放電通道的半徑在放電的初期隨著