电火花加工蚀除过程动态仿真解宝成,王玉魁,王振龙(哈尔滨工业大学微系统微结构教育部重点实验室,黑龙江哈尔滨150001)摘要:在电火花单脉冲放电过程仿真的基础上,建立了电火花连续脉冲放电过程的三维热物理模型,利用有限元软件ANSYS模拟了连续脉冲放电过程的温度场分布,得到了连续脉冲放电过程不同时刻温度场分布和材料的动态蚀除过程,并根据脉冲放电的温度场和蚀除凹坑体积,分析了脉冲放电过程的残留温度分布和蚀除凹坑对后续脉冲放电过程的温度场分布和蚀除凹坑体积的影响规律。
在仿真过程中,根据数值模拟极间电场强度和分析小孔加工初始时刻放电凹坑分布情况,确定了连续放电仿真模型放电位置的随机选择原则。
并通过实验初步验证了材料仿真去除率,为预测材料去除率提供了理论基础。
关键词:电火花加工;连续脉冲放电过程;温度场;材料去除率中图分类号:TG661文献标识码:A文章编号:1009-279X(2013)01-0006-05Dynamic S imulation of Material Removal Process in EDM ProcessXie Baocheng,Wang Yukui,Wang Zhenlong(H arbin Institute of Technolog y,H arbin150001,China)Abstract:In the paper,the three-dimensional thermal physical model of the continuous pulse dis-charge in EDM process has been developed on the base of the single pulse electrical discharge process simulation.Temperature field simulation and dy nam ic simulation of the material removal process has been carried out using ANSYS softw are and the previous pulse discharge process influence on the sub-sequent pulse discharge process is discussed in terms of temperature field distribution and the volume of craters.Finally,prediction of the material removal rate is also addressed,and its comparison w ith ex-perim ental measurements show s a good agreement,which provides a theoretical basis to predict m ater-i al removal rate in EDM process.Key words:EDM;continuous pulse spark discharge process;temperature field distribution;m aterial removal rate由于电火花加工是利用极间火花放电产生大量的热使工件材料局部熔化、气化而被蚀除掉,以达到预定的加工要求,所以电火花加工技术具有非接触加工和无明显的宏观作用力等优点,在特殊及复杂形状的表面和零件以及难加工材料的加工上具有明显的优势,普遍应用于航空航天、模具加工、精密器械等领域。
但电火花加工效率低和电极损耗是制约收稿日期:2012-10-09基金项目:国家自然科学基金资助项目(51105111);国家重点基础研究发展计划(973计划)资助项目(2012CB934102)第一作者简介:解宝成,男,1982年生,博士研究生。
其发展应用的主要因素,由于其放电过程的随机性和复杂性,对材料蚀除过程进行研究显得尤其必要。
电火花加工工件表面是由无数个放电凹坑叠加组成,因此单个放电凹坑的尺寸和分布决定了最终表面形貌和材料去除率,所以多是建立不同的单脉冲放电仿真模型,并进行大量的数值模拟和单脉冲放电实验来研究电火花加工过程的蚀除机理[1-6]。
虽然电火花加工是连续无数个的单脉冲放电重复循环的过程,但与单脉冲放电过程有很大的区别,因此有必要研究连续脉冲放电过程的蚀除机理。
许多学者对连续脉冲放电过程的材料去除率和表面质量也)6 )进行了分析研究[7-10],但多基于恒定的放电凹坑体积和简单有序排列的放电位置,没有考虑实际加工过程的随机性和复杂性、没有将电火花加工过程与单脉冲放电过程进行有机结合、没有考虑放电位置的随机选择和先前的脉冲放电对后续脉冲放电的温度场分布和蚀除凹坑体积的影响,导致过去对材料去除率的计算与实际情况有很大的误差。
为此,本文在单脉冲放电热仿真的基础上,建立连续脉冲放电的热传导模型,利用有限元法对模型的温度场进行了数值模拟,动态仿真了材料的蚀除过程,并分析了先前脉冲放电过程对后续脉冲放电过程的温度场和蚀除凹坑体积的影响规律。
1 随机放电位置分布研究在电火花铣削加工过程中,局部电场强度的大小决定了放电位置的分布,其分布不可能依次排列成规则的图形[7]。
图1是小孔加工初始时刻工件表面的放电凹坑分布图,可看出放电凹坑在工件表面上形成了一个和工具电极直径大小相当的圆环槽,也就是工件表面与工具电极的底部边缘处相对应的位置率先被击穿形成放电通道,在工件表面留下相应的蚀除凹坑。
图1 小孔加工初始时刻放电凹坑分布根据电火花小孔加工初始情况,建立了工具电极直径为100L m 、极间距离为2.5L m 、开路电压为100V 、工作液为煤油的极间电场模型,并利用AN -SYS 软件对其进行了电场数值模拟,得到了极间的电场强度分布图(图2)。
从电场强度分布图可看出,因电流的趋附效应,工具电极底部边缘处的电场强度最大,略大于放电介质的击穿阈值场强,可在工具电极的边缘处及工件的对应位置率先被击穿形成放电通道。
根据小孔加工初始时刻工件表面的凹坑分布和极间的电场强度分布可知,工件表面对应于工具电极底部边缘处先于工件中心区域处被击穿形成放电通道,所以在连续放电的仿真过程中,放电位置的选择遵从先工件表面对应于工具电极底部边缘处、后工件中心区域的原则。
即建立两个以工件表面对应于工具电极底部边缘处的单元数和工件表面中间区域的单元数作为维数的无差别随机排列的数组,在数值求解过程中先调用边缘处单元的随机数组,全部调用完成后,再调用中间区域单元的随机数组。
图2 极间电场强度分布图2 连续脉冲放电模型的建立、加载及求解2.1 数学模型的建立电火花放电过程属于非线性热传导问题,根据傅里叶导热定律,得到直角坐标系下导热方程的数学公式为:9T 9t =K c Q (92T 9x 2+92T 9y 2+92T9z 2)(1)式中:T 为温度;t 为时间;c 、Q 和K 分别为电极材料的比热、密度和导热系数。
模拟连续放电过程温度场分布需确定3个基本元素,即热流密度、加载面积和持续时间。
加载在电极表面的热流密度呈现高斯分布形式,其热流密度为:q (r )=3P R 2pl asma G UI exp (-3r 2R 2plasma) (2)式中:U 为极间压降;I 为峰值电流;G 为能量分配系数;R pl asma 为放电通道半径。
关于极间能量分配系数,夏恒[11]认为:能量分配与脉冲宽度无关,在阳极和阴极分配的能量大致相当,分别为40%和25%。
有关气中焊接热过程的能量分配表明,分配在工件上的能量约为70%~85%,电火花加工的传热条件类似于气中焊接。
结合气中焊接的能量分配情况,并考虑加工过程脉冲持续时间短,放电通道形成和介质热分解,本文采用在阳极和阴极的能量分配系数分别为35%和20%。
Ikai 和Hashiguchi [12]根据大量的试验结果,总结了放电通道半径的经验公式作为等效热量输入半)7)径:R pla sma =0.00204I 0.43P T 0.44b(3)式中:R plasm a 为放电通道半径,L m;I P 为峰值电流,A;T b 为脉宽,L s 。
2.2 网格模型划分在连续放电过程中,由于热影响区域小,为提高计算效率,建立70L m @70L m @40L m 大小的物理模型,模型网格划分见图3。
为便于通过横向比较每个蚀除凹坑体积,受热影响区域网格统一划分为长度1L m 的正方体,在远离热影响区域的基体底部采用非均匀网格划分,以提高计算效率。
图3 模型网格划分考虑到电火花放电过程的随机性和复杂性,为便于数值计算,对该模型做以下简化:(1)每一次脉冲放电的持续时间内只存在一个放电通道,放电通道为等直径的圆柱体,且放电点不发生跳跃和转移。
(2)热传导过程主要考虑热传导和对流换热,忽略热辐射和气体冲击等作用。
(3)极间放电间隙恰好处于放电阈值距离,只有工件表面的最上层单元可参与放电,即工件表面的每一个单元最多只有一次可能作为放电中心位置。
(4)放电中心位置随机分布,根据随机放电位置分布的分析结果,工件表面对应于工具电极底部边缘处先于工件中心区域处被击穿形成放电通道。
2.3 加载流程及求解电火花连续脉冲放电过程的数值模拟,通过随机数组依次选择表面区域的外圈和中间单元作为放电中间点,进行单个脉冲放电过程的热流密度加载求解,根据单个脉冲放电过程的温度分布情况,杀死超过等效蚀除温度的单元,接着删除载荷进行冷却过程,然后重复循环这个过程,直到放电结束。
等效蚀除温度是以单脉冲放电实验凹坑的大小作为参考值,来推算单脉冲放电温度场仿真的蚀除温度。
电火花放电过程瞬态热仿真流程见图4。
图4 电火花连续脉冲放电过程的流程图3 仿真结果及分析仿真数据采用峰值电流1.2A 、脉宽2L s 的放电参数,图5是在不同时刻随机选择不同的放电位置的温度场分布图。
图5 不同时刻不同位置的温度场分布图从图5可看出,放电点的温度场在不同时刻分布在不同位置,且每次放电的最高温度大小不同。
图6是每次脉冲放电数值模拟温度场分布的最)8)高温度曲线图。
从图6可看出,每次脉冲放电温度场的最高温度大小不一,整体呈现下降趋势,主要原因是受到加载面积和先前脉冲放电未完全冷却的残留温度场的双重影响。
加载面积越大,吸收的热量和最高温度也就越大;残留温度场的温度越高,初始温度也就越高,在相同的热流密度、加载时间、加载面积的情况下,对应的最高温度也就越高。
由于热流密度和加载时间是恒定不变的,因此,加载面积和初始温度直接影响温度场分布和最高温度值。