（材料加工工程專業(yè)論文）基于數(shù)值模擬的放電加工精準(zhǔn)度研究.pdf

摘要 摘要 放電加工技術(shù)作為一種特種加工技術(shù)，在加工塑料模具方面有著獨(dú)特的優(yōu) 勢(shì)，并將在模具加工領(lǐng)域扮演越來(lái)越重要的角色。深入研究放電加工的材料蝕 除機(jī)理和決定模具質(zhì)量的主要因素及其影響機(jī)理，可為放電脈沖電源設(shè)計(jì)及加 工工藝的改進(jìn)提供相應(yīng)的理論支撐。 本文基于有限元仿真和金屬相變?cè)?，? 0 c r 模具鋼材料為加工對(duì)象，對(duì) 放電加工的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布、熱影響區(qū)分布以及熱應(yīng)力集中、熱變形的分布與 放電加工精準(zhǔn)度之間的關(guān)系進(jìn)行了研究，主要工作和結(jié)論如下： 1 通過(guò)對(duì)有限元軟件的二次開發(fā)，完成了對(duì)復(fù)雜高斯熱流密度載荷的施加， 模擬實(shí)現(xiàn)了電壓為6 v ，脈沖寬度為3 0 s 狀態(tài)參數(shù)下的瞬態(tài)溫度場(chǎng)分布計(jì)算。 結(jié)果顯示：在脈沖寬度范圍內(nèi)，每一時(shí)刻的溫度都超過(guò)4 0 c r 材料的熔融溫度， 放電中心最高溫度達(dá)到8 9 4 6 。c ，材料主要以熔融和氣化方式被蝕除， i 絡(luò)蝕為 7 0 9 9 ，氣蝕為2 9 0 1 ；繪制了放電徑向半徑和放電深度的時(shí)間演變曲線，并 得出：徑深比越大，表面粗糙度越小，放電精準(zhǔn)度越好。 2 基于金屬相變?cè)?，依?jù)位置坐標(biāo)與溫度節(jié)點(diǎn)相關(guān)，溫度節(jié)點(diǎn)與組織相 變相關(guān)，組織含量決定組織性能的分析原則，得出：h a z 分布( 熱影響區(qū)分布) 的平均厚度為9 1 7 9 m ，沿厚度方向，h a z 的硬度呈現(xiàn)出先急速升高，而后緩慢 下降的分布趨勢(shì)，其中，淬火硬化層的組織硬度最高；在變電壓仿真條件下， h a z 厚度前期擴(kuò)展迅速，后期擴(kuò)展平緩，變脈寬條件下的h a z 厚度擴(kuò)展趨勢(shì)與 之相反，短脈寬，小電壓的參數(shù)組合可以減小h a z 厚度，從而提高放電精準(zhǔn)度。 3 借助于溫度節(jié)點(diǎn)計(jì)算結(jié)果，并轉(zhuǎn)換單元類型，仿真計(jì)算了放電區(qū)域的熱應(yīng) 力集中，熱變形分布大小。結(jié)果說(shuō)明，在放電加工的受熱影響區(qū)與材料基體冷 態(tài)交界處，容易發(fā)生應(yīng)力集中，最大熱應(yīng)力為2 5 0 0 m p a ，可能會(huì)發(fā)生塑性變形 和應(yīng)力開裂；材料的變形發(fā)生了位移傳遞，最大熱變形發(fā)生在模型邊界處，最 大變形量為0 7 9 “m ，足以影響放電精準(zhǔn)度。 本文的研究結(jié)果可以為電參數(shù)的選取及優(yōu)化組合，模具表面硬度預(yù)測(cè)，模 具表面的變形和失效預(yù)測(cè)提供理論依據(jù)和支撐，值得進(jìn)一步深入研究。 關(guān)鍵詞：放電加工放電精準(zhǔn)度材料蝕除機(jī)理有限元仿真熱影響區(qū)分布 a b s t r a c t d i s c h a r g em a c h i n i n ga sas p e c i a lp r o c e s st e c h n o l o g yh a sa u n i q u ea d v a n t a g ei n p l a s t i cm o l dp r o c e s s i n g e l e c t r i c d i s c h a r g em a c h i n i n g t e c h n o l o g yi n t h em o l d p r o c e s s i n gf i e l dw i l lp l a yam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nt h ef u t u r e t h ei n d e p t h s t u d yo ft h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mi nt h ed i s c h a r g em a c h i n i n ga n dt h em a i n i n f l u e n c ef a c t o r sf o r d e t e r m i n i n gt h eq u a l i t yo fp r o c e s s i n gt h em o u l da n di t si n f l u e n c e m e c h a n i s m sw i l lp r o v i d ec o r r e s p o n d i n g a n dp r o c e s si m p r o v e m e n t t h e o r e t i c a ls u p p o r tf o rp u l s ep o w e rd e s i g n t h e p a p e rh a sar e s e a r c ho nt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ed i s c h a r g ea c c u r a c ya n d t h et r a n s i e n t t e m p e r a t u r e f i e l d d i s t r i b u t i o n ，h a zd i s t r i b u t i o n ，h e a ts 缸e s s c o n c e n t r a t i o n ，h e a td e f o r m a t i o nd i s t r i b u t i o n ，w h i c hi sb a s e do nt h ef i n i t ee l e i n e l l t s i m u l a t i o na n dt h em e t a lp h a s ec h a n g e p r i n c i p l e t h em a i nw o r ka n dc o n c l u s i o n sa r e a sf o l l o w s ： 1 t h ec o m p l e xg a u s s i a nh e a tf l u xi sa p p l i e db yt h es e c o n dd e v e l o p m e n tf o rt h e f i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e t h er e s u l ts h o w e dt h a t ：e v e r ym o m e n t st e m p e r a t u r ei sm o r e t h a n4 0 c rm a t e r i a lm e l t i n gt e m p e r a t u r e ，t h eh i g h e s tt e m p e r a t u r eo fd i s c h a r g ei st o 8 9 4 6 c t h em a t e r i a li sm a i n l yr e m o v e d b ym e l t i n ga n dg a s i f i c a t i o n ，a n dp g 鷸i 氐a t i i s 7 0 9 9 ，l l m e l t i n gi s2 9 0 1 t h ep a p e rd r a w st h et i m ee v o l u t i o nc l j l v eb yt h er a d i a l a n dt h ed e p t ha n dc o n c l u d e st h a tt h eb i g g e rt h er a d i a ld e p t ht h a ni s ，t h e l a g e rt h e s u r f a c er o u g h n e s s ，t h eb e t t e rt h ed i s c h a r g ea c c u r a c yi s 2 b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm e t a lp h a s ec h a n g e ，a c c o r d i n gt ot h ec o o r d i n a t e s r e l a t e dt ot h et e m p e r a t u r en o d e ，t h et e m p e r a t u r en o d e sr e l a t e dt ot h ep h a s e c h a n g e ， t h ep h a s ec h a n g er e l a t e dt ot h e o r g a n i z a t i o np e r f o r m a n c e ，i td r a w st h a tt h eh a z a v e r a g et h i c k n e s si s9 17 p m a l o n gt h et h i c k n e s sd i r e c t i o n ，t h eh a r d n e s sh a sa i n c r e a s et e n d e n c ya tf i r s t ，t h e nh a sas l o wd r o pt e n d e n c y , i nw h i c h ，t h eq u e n c h h a r d e n e dl a y e rh a r d n e s si st h eh i g h e s t o nt h ec h a n g ev o l t a g es i m u l a t i o nc o n d i t i o n , t h ee x p a n s i o no fh a zt h i c k n e s si sr a p i da n di st h e nq u i t e t h ee x p a n s i o no fh a z t h i c k n e s so nt h ec o n d i t i o no fc h a n g e p u l s ew i d t hi so p p o s i t et ot h ee x p a n s i o no fh a z i i a b s t r a c t t h i c k n e s so nt h ec o n d i t i o no fc h a n g ev o l t a g e i th a sac o n c l u s i o nt h a tt h ed i s c h a r g e a c c u r a c yi sb e t t e rw h e n t h ev o l t a g ei sl o w e ra n dt h ep u l s ew i d t hi ss m a l l e r 3 t h et h e r m a ls t r e s sc o n c e n t r a t i o na n dt h et h e r m a ls t r a i n d i s t r i b u t i o ni s s i m u l a t e da n dc a l c u l a t e db yt h et e m p e r a t u r en o d e sc a l c u l a t i o nr e s u l ta n dt h ee l e m e n t t y p e sc h a n g e t h er e s u l ts h o w st h a tt h ev u l n e r a b l et os t r e s sc o n c e n t r a t i o no c c u r si n t h ej u n c t i o nb e t w e e nt h eh a zi nt h ed i s c h a r g em a c h i n i n ga n dt h ec o l db a s i sm a t e r i a l t h em a t e r i a ld e f o r m a t i o n st a k ep l a c ead i s p l a c e m e n td e l i v e ra n dt h em a x i m u m t h e r m a ld e f o r m a t i o ni s0 7 9 1 a ma n do c c u r si nt h em o d e lb o r d e r , w h i c hi se n o u g ht o a f f e c tt h ed i s c h a r g ea c c u r a c y t h er e s e a r c hr e s u l ti su s e df o rt h ee l e c t r i cp a r a m e t e r ss e l e c t i o n ，i t so p t i m i z e d c o m b i n a t i o n s ，t h em o u l ds u r f a c eh a r d n e s sf o r e c a s ta n dt h ef a i l u r ep r e d i c t i o n ，w h i c hi s a b l et op r o v i d et h et h e o r ys u p p o r ta n dd e s e r v e st h ef u r t h e rs t u d y k e yw o r d s ：d i s c h a r g em a c h i n i n g ；d i s c h a r g ea c c u r a c y ；m a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s m ； f i n i t ee l e m e n ts i m u l a t i o n ；h a zd i s t r i b u t i o n 。 i i i 緒論 1緒論 1 1 放電加工技術(shù)及其特點(diǎn) l 。1 1 放電加工技術(shù) 放電加工即電火花加工，是將被加工工件和工具電極浸沒(méi)在工作介質(zhì)中， 利用脈沖式的放電過(guò)程逐步蝕除工件上的金屬，使之對(duì)工具電極的輪廓仿形， 最后實(shí)現(xiàn)工件的尺寸加工的一種加工方法【l 】o 辣 圖1 1 放電加工基本原理示意圖 f i 9 1 1d i s c h a r g em a c h i n i n gf u n d a m e n t a ls c h e m e s 放電加工時(shí)，工具電極和被加工工件分別連接著脈沖電源的兩極，若工件 連接脈沖電源的正極，則為正極性加工，若工件連接脈沖電源的負(fù)極，則為負(fù) 極性加工。同時(shí)，將工件和工具電極都浸沒(méi)在工作介質(zhì)中( 介質(zhì)可以是煤油， 去離子水，空氣等) ，保持一定的放電間隙( 如圖1 1 所示) 。若放電間隙過(guò)大， 形成不了放電，不能形成放電通道；若放電間隙過(guò)小，則容易短路，引起過(guò)燒。 當(dāng)形成放電通道之后，放電通道中會(huì)瞬時(shí)聚集極高的能量，溫度可達(dá)幾千乃至 上萬(wàn)攝氏度，從而使工件表面局部微量的金屬微粒迅速被熔化和氣化，并爆炸 式的飛濺到工作介質(zhì)中，隨后，這些飛濺到工作介質(zhì)中的金屬微粒迅速的冷凝， 形成固定的金屬顆粒，并被工作介質(zhì)帶走【2 】。同時(shí)在放電區(qū)域的工件表面留下了 一個(gè)很小的凹坑( 如圖1 2 所示) 。 緒論 圖1 2 放電凹坑 f i 9 1 2d i s c h a r g em a c h i n i n gp i t 此時(shí)，放電過(guò)程會(huì)發(fā)生短暫的放電停歇，兩極間工作液又恢復(fù)到絕緣的狀 態(tài)。緊接著，下一個(gè)脈沖放電重復(fù)上一個(gè)脈沖放電的過(guò)程。雖然每次脈沖放電 蝕除的金屬量有限，但是一秒內(nèi)就有成千個(gè)脈沖發(fā)生，周而復(fù)始的連續(xù)脈沖放 電就具有了一定的加工效率。 1 1 2 加工技術(shù)特點(diǎn) 圖1 3 電火花成型加工 f i 9 1 3 e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g 放電加工技術(shù)因其特殊的工作原理，一般具有以下幾個(gè)基本的特點(diǎn)： ( a ) 利料的去除不通過(guò)外部機(jī)械t ：u 削力的施加而去除，是一種非接觸的加 2 緒論 工方法，消除了機(jī)械加工應(yīng)力的影響； ( b ) 能夠加工普通機(jī)械切削加工難以切削的高硬度材料； ( c ) 是一種仿形加工技術(shù)，能夠加工具有復(fù)雜型腔的模具； ( d ) 加工模具的過(guò)程中有金屬模具材料的相變，加工后有熱影響區(qū)的存在； ( e ) 一般不會(huì)出現(xiàn)機(jī)械加工時(shí)出現(xiàn)的刀痕、毛刺等缺陷； ( f ) 對(duì)工具電極材料的硬度要求不高，工具電極制造容易。 放電加工機(jī)根據(jù)加工用途的不同，可以大致分為電火花成型加工機(jī)和電火 花線切割加工機(jī)兩大類( 如圖1 3 所示) 。放電加工技術(shù)在模具加工中的應(yīng)用， 主要是用來(lái)加工模具型腔，模具型孔及窄縫等，現(xiàn)在已經(jīng)成為模具加工中的主 導(dǎo)加工方法，推動(dòng)了模具加工技術(shù)的不斷發(fā)展。 1 2 放電加工技術(shù)的研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì) 1 2 1 國(guó)外的研究現(xiàn)狀 1 放電加工效果的評(píng)價(jià)研究 國(guó)外在這方面的研究很多集中在材料去除速率( m r r ) 、電極損耗( t w r ) 、表 面質(zhì)量( s r ) 的評(píng)價(jià)量化和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)改進(jìn)方面。 ( 1 ) 材料的去除評(píng)價(jià)研究 這部分的研究主要包括材料的去除機(jī)理研究( m r m ) ，提高材料去除速率的 方法研究( m m r r ) 這兩個(gè)主要方面。 在研究材料去除機(jī)理方面，s o n i 和c h a k r a v e r t i 通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)了一種可以對(duì) 電極擴(kuò)散到工件上的電極元素進(jìn)行評(píng)估評(píng)價(jià)的方法，同時(shí)也可以對(duì)從工件擴(kuò)散 到電極上的工件元素進(jìn)行評(píng)估評(píng)價(jià)。這些元素以熔融或氣態(tài)的方式擴(kuò)散到工件 表面上【3 1 。在這個(gè)過(guò)程中，工具電極被侵蝕，以工具電極表面元素的分解，流失， 腐蝕的方式被侵蝕掉1 4 。 s i n g h 和g h o s h 研究發(fā)現(xiàn)：對(duì)于短脈沖電火花加工，陰極電極的靜電力和應(yīng) 力分布是材料去除的主要原因【5 1 。g a d a l l a 和t s a i 對(duì)w c - - c o 復(fù)合材料電極的金 屬去除過(guò)程進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)該電極材料的侵蝕主要是因?yàn)閣 c 元素是一種熱 傳導(dǎo)率低的材料，c o 元素更容易蒸發(fā)和流失所致【6 】。 在研究提高材料去除速度方面，隨著c n c 在放電加工中應(yīng)用的不斷深入， 使得通過(guò)利用可隨時(shí)切換電極的方法來(lái)提高加工速度成為一種可能。有人通過(guò) 3 緒論 利用線框狀的加工電極和三維實(shí)體電極加工進(jìn)行聯(lián)合加工，先用簡(jiǎn)單的線框電 極去除不需要的材料，然后切換到三維實(shí)體電極進(jìn)行精細(xì)加工，這樣提高了加 工的效率和增加了較為昂貴的三維實(shí)體電極的使用壽命1 7 】。同時(shí)，c n c 技術(shù)在 放電加工中的應(yīng)用，也使利用簡(jiǎn)單電極加工復(fù)雜三維形貌的型腔，成為了一種 可能，利用多軸聯(lián)動(dòng)的加工方法，有效解決了一些在這方面的加工難題【8 】。還有 許多學(xué)者通過(guò)研究單脈沖放電的過(guò)程，來(lái)不斷完善放電加工的機(jī)理，從而為提 高放電的材料蝕除速率奠定了一定的理論基礎(chǔ)。k u m e d a 和m u t o 實(shí)驗(yàn)研究了一 個(gè)多電極系統(tǒng)，通過(guò)一種方法，使多個(gè)電極的排屑趨于一致1 9 1 。這種多電極系統(tǒng) 的設(shè)計(jì)方法來(lái)源于m o h f ie ta 1 的關(guān)于一個(gè)電極變?yōu)槎鄠€(gè)電極的設(shè)計(jì)原則，就是電 極之間必須保證絕緣【l o 】。這種系統(tǒng)的電極磨損和能量加工效率比傳統(tǒng)的放電加 工要好很多，通過(guò)利用放電加工輔助系統(tǒng)，很好地提高了材料去除速科j 。 ( 2 ) 工具電極磨損評(píng)價(jià)研究 工具電極的磨損過(guò)程和放電加工的機(jī)理很相似，在放電的過(guò)程，工具電極 一方面將工件被加工區(qū)域的金屬材料蝕除，一方面自身的材料也會(huì)發(fā)生蝕除。 只是放電加工的能量在兩極的分配不一樣，工件端相應(yīng)分配能量要多一些，所 以整體呈現(xiàn)出工件材料去除明顯，而工具電極材料去除不明顯但仍發(fā)生材料蝕 除。m o h f ie ta 1 認(rèn)為，在放電的過(guò)程中，工作液介質(zhì)( 煤油) 發(fā)生碳?xì)浠衔锏?分解，由于碳元素材料和電極金屬材料的材料向異性，不容易發(fā)生很迅速的沉 淀，由于沉淀量小于工具的損耗量，因而工具電極出現(xiàn)了磨損【l2 1 。但是有的時(shí) 候工具電極的磨損并不一定是有害的，如果工具電極磨損的材料能夠沉淀在放 電凹坑的表面上，而且增強(qiáng)了放電區(qū)域的綜合性能，那么這種情況下的電極損 耗就是有利的。國(guó)外一些學(xué)者不僅研究了工具電極損耗帶來(lái)的不利影響，而且 對(duì)工具電極損耗帶來(lái)的有利作用也做了一些建設(shè)性的研究。m a r a f o n a 和w y k e s 通過(guò)改變正常放電加工時(shí)的加工參數(shù)來(lái)達(dá)到抑制碳膜的形成，這樣不僅有效的 阻礙了碳膜的形成，而且也不會(huì)對(duì)材料蝕除速率產(chǎn)生較大的不利影響，同時(shí)由 于碳膜的形成被抑制，有用的工具電極材料金屬就會(huì)更多的沉淀在工件表面上， 從而起到了很好的加工效果【1 3 1 。 在研究改善電極磨削方面。為了實(shí)時(shí)優(yōu)化放電電極的加工軌跡，一種基于 計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，實(shí)時(shí)改善優(yōu)化的方法就提了出來(lái)，并且正在逐步發(fā)展【l4 1 。y ue t a 1 研究了一種基于電極均衡往復(fù)運(yùn)動(dòng)來(lái)補(bǔ)償電極損耗磨削的一種加工路徑，取得 了一定的效果【1 5 1 。還有一些學(xué)者通過(guò)研究放電脈沖電壓降落時(shí)間內(nèi)的脈沖特點(diǎn) 4 緒論 來(lái)推斷電極磨削的程度和結(jié)果i i 制。同時(shí)，k u n i e d ae ta 1 利用高粘度的放電工作液 作為放電介質(zhì)，來(lái)實(shí)驗(yàn)放電磨削加工過(guò)程中的電極磨削狀態(tài)和磨削速率的變化 情況，并說(shuō)明了高粘度工作液有效降低了電極磨削的程度和速率【1 7 j 。d a u w 利用 材料蝕除的原理來(lái)模擬仿真放電磨削加工電極的幾何尺寸損耗情況，這是一種 基于離線的仿真算法1 1 8 】。還有一些學(xué)者研究了放電加工的逆向仿真技術(shù)，通過(guò) 模擬電極的形狀變化過(guò)程，來(lái)反向推理工件的形狀變化過(guò)程l l 引。 ( 3 ) 放電加工表面質(zhì)量的評(píng)價(jià)研究 圖1 4 自層 f i 9 1 4 w h i t el a y e r 存放電加t 表而質(zhì)量分析方而。放電加t 的表而由i 個(gè)各不相同的層綢成 分別是白層( 或稱熔融再凝固層) ，h a z 層，未受影響的母材基體層1 2 。l i me t a 1 基于金屬冶金學(xué)的原理和金屬固態(tài)相變的原理研究發(fā)現(xiàn)：白層的厚度主要是由 放電通道的擴(kuò)展過(guò)程所決定【2 1 1 。白層是放電加工熔融的材料再次凝固在工件外 層的饅化層，兇為在光學(xué)顯微鏡下組織為白色，故稱為白層( 如圖1 4 所示) 。 它是與環(huán)境接觸的最外面的一層，因此對(duì)表面質(zhì)量的影響是非常大的。許多學(xué) 者都發(fā)現(xiàn)了一種現(xiàn)象：在很高的溫度梯度下，放電凹坑的表面常常伴隨有微裂紋 的存在，而且也伴隨有高的殘余應(yīng)力，這些對(duì)放電加工的表面質(zhì)量都是極為不 利的【2 2 1 。微裂紋和殘余應(yīng)力的存在使工件的抗疲勞強(qiáng)度大為降低，而且微裂紋 可以在自層沿著多個(gè)方向進(jìn)行擴(kuò)展和傳遞，造成了一種極為不好的加工狀態(tài)1 2 川。 同時(shí)由于工作液介質(zhì)中碳的析出，會(huì)沉淀在自層一k ，從而改變了該層的微觀硬 度，一般情況下，有一個(gè)相當(dāng)?shù)母呶⒂^硬度【2 4 1 。無(wú)論是碳在加工表面的富集， 5 緒論 還是放電加工后表面層的組織組成，都是由電流的極性和頻率，還有放電通道 的形狀，放電間隔時(shí)間，電解質(zhì)的溫度共同決定的【2 5 1 。學(xué)者t h o m s o n 認(rèn)為，當(dāng) 用石蠟作為放電介質(zhì)時(shí)，碳的富集程度會(huì)小很多，因此微裂紋的傾向就較小， 當(dāng)用銅電極加工時(shí)，微裂紋的數(shù)量和大小主要是由放電脈沖的持續(xù)時(shí)間所決定 的【2 6 1 。 在提高表面質(zhì)量的方法研究方面。國(guó)外現(xiàn)在主要運(yùn)用的研究方法有球化機(jī) 械拋光，表面合金化，粉末沉淀法，表面光潔處理的數(shù)值模擬法等。國(guó)外一些 學(xué)者利用硬的，光滑的，附著在電極表面上的球狀微粒，在工件的表面形成一 個(gè)可發(fā)生塑性變形的層，這個(gè)層可以用來(lái)修飾加工表面的微結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)該過(guò)程 的處理，加工表面的耐腐蝕性，抗疲勞性，表面質(zhì)量都有很明顯的提升【2 7 1 。一 些學(xué)者利用復(fù)合材料電極，根據(jù)粉末冶金的原理，由于復(fù)合材料電極本身較低 的熱傳導(dǎo)率，使其有一些沉淀在工件加工表面，從而達(dá)到提高表面抗腐蝕性， 耐磨性和減少裂紋的目的【2 s 1 。t s a ia n dw a n g 基于多參數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，建立 了多種表面拋光模型，擬合了一種基于材料本身熱物理性能，以及工件和電極 之間放電參數(shù)為基礎(chǔ)的評(píng)價(jià)模型【2 9 1 。 2 放電加工參數(shù)的優(yōu)化研究 放電加工的參數(shù)包括放電加工電參數(shù)和放電加工非電參數(shù)。放電加工的電 參數(shù)研究方面主要包括電參數(shù)的優(yōu)化和放電加工過(guò)程的電參數(shù)變化監(jiān)控和控制 兩個(gè)主要方面。 在放電加工電參數(shù)研究方面。一般情況下，最優(yōu)電參數(shù)的選擇來(lái)源于個(gè)人 的經(jīng)驗(yàn)和各種電加工手冊(cè)上的推薦值。因此建立一種有效放電參數(shù)選擇理論和 標(biāo)準(zhǔn)，是具有現(xiàn)實(shí)使用價(jià)值的。m a r a f o n a 和w y k e s 通過(guò)使用高碳含量的電極來(lái) 進(jìn)行常規(guī)放電加工，有效的提高了電極材料的磨削性【3 0 】。l i ne ta 1 通過(guò)一種基于 模糊邏輯的模擬算法，通過(guò)設(shè)置不同的放電電參數(shù)來(lái)評(píng)價(jià)各種狀態(tài)下的加工效 果【3 l l 。t z e n g 和c h e r t 通過(guò)使用動(dòng)態(tài)信噪比來(lái)分類輸入加工參數(shù)，優(yōu)化了高速加 工下的電參數(shù)，使加工參數(shù)的波動(dòng)始終維持在一定范圍內(nèi)【3 2 】。 在放電加工非電參數(shù)研究方面。國(guó)外放電非典參數(shù)的研究主要集中在工作 液介質(zhì)流體對(duì)放電加工過(guò)程的影響方面。l o n a r d o 和b r u z z o n e 研究發(fā)現(xiàn)沖液速度 會(huì)影響放電加工后微裂紋的密度和白亮層厚度，以及放電加工的表面粗糙度【3 3 1 。 同時(shí)，雖然不同的工作液介質(zhì)性質(zhì)在放電加工中所起的作用都不一樣，但是都 對(duì)放電加工的影響很大，因此可以通過(guò)優(yōu)化工作液的沖液速度對(duì)放電過(guò)程進(jìn)行 6 緒論 優(yōu)化【3 4 1 。 3 電極設(shè)計(jì)及加工制造研究 這方面的研究主要以計(jì)算機(jī)電極輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，高速工具電極制造系 統(tǒng)這兩個(gè)大的方面為主。 在計(jì)算機(jī)電極輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)方面。對(duì)于形狀復(fù)雜且難于制造的三維電 極設(shè)計(jì)制造，利用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)制造系統(tǒng)，不僅可以設(shè)計(jì)出電極的三維幾何 尺寸，而且可以對(duì)不合理的設(shè)計(jì)地方進(jìn)行優(yōu)化分析，從而達(dá)到使用要求【3 5 1 。綠 色生產(chǎn)制造方面，y e o 和n e w 發(fā)展了一種環(huán)境友好型的加工方法，該加工方法 運(yùn)用一種多目標(biāo)分析方法來(lái)研究放電加工過(guò)程。該種加工方法考慮了環(huán)境的影 響，加工的能效和能量浪費(fèi)和節(jié)省，傳統(tǒng)的加工制造評(píng)價(jià)指標(biāo)，諸如加- e 速率 和質(zhì)量等【3 6 】。 在高速電極制造系統(tǒng)方面。許多的研究者在探索電極的快速制造方面做了 很多工作，各種各樣的快速電極制造路徑大致可以分為間接制造法和直接制造 法【3 7 1 。y a n g 和l e u 通過(guò)利用電鑄沉積的方法加工放電工具電極，實(shí)驗(yàn)了用直接 法來(lái)加工模具型腔，發(fā)現(xiàn)電鑄過(guò)程產(chǎn)生的熱量引起的熱變形是引起電極制造不 精準(zhǔn)的主要原斟3 引。 1 2 2 國(guó)內(nèi)的研究現(xiàn)狀 1 放電加工的材料蝕除研究 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院的崔景芝等人等通過(guò)建立放電凹坑形成的數(shù)值仿 真模型，利用a n s y s 軟件分析了超短脈寬放電情況下的放電加工情況，同時(shí)利 用單脈沖放電電源做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)很好的驗(yàn)證了數(shù)值模擬的結(jié)果【3 9 1 。上 海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院的高陽(yáng)等人通過(guò)對(duì)放電過(guò)程建立物理模型和數(shù) 學(xué)模型，以熱流密度和對(duì)流換熱作為主要的外載荷，對(duì)不同峰值電流大小，不 同脈沖寬度下的放電過(guò)程進(jìn)行了分析，利用a n s y s 的后處理功能分析了放電凹 坑的變化過(guò)程，并做了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)放電模型很好的預(yù)測(cè)了放電 凹坑的形成過(guò)程【加】。南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院的張慶利用基于一種r c 脈沖的 放電電源，利用數(shù)值分析的方法對(duì)不同形狀、不同極性放電電極區(qū)域的電場(chǎng)分 布和溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了分析比較，闡述了極性、放電電極形狀等對(duì)電場(chǎng)分布和 溫度場(chǎng)分布以及加工效果的影響，并做了一定的實(shí)驗(yàn)研究【4 1 1 。哈爾濱工業(yè)大學(xué) 的陳曉菲基于分子動(dòng)力學(xué)的知識(shí)對(duì)放電加工的過(guò)程進(jìn)行了三維仿真分析，深入 7 緒論 研究了放電力h - r _ 中材料的去除機(jī)制以及被去除材料的來(lái)源及去向等【4 2 1 。另外， 南京航空航天大學(xué)的周勇等人在研究負(fù)極性加工時(shí)的工具電極損耗理論時(shí)，通 過(guò)對(duì)放電兩極問(wèn)放電電壓和脈沖峰值電流的變化趨勢(shì)進(jìn)行研究，并且考慮了實(shí) 際放電加工過(guò)程中的電解質(zhì)分解的脫碳沉淀行為，研究認(rèn)為工具電極的損耗主 要是由于放電前期電子流的轟擊作用所致【4 3 1 。 2 放電加工設(shè)備及工藝研究 1 縭碼器：步進(jìn)咆帆3 胝電陶瓷4 v 理芷承5 皮帶輪6 電綴7 蛩翔輪8 乜毛5 l 蝗9 收縫電機(jī)1 0 i 絡(luò)j ：詐臺(tái)1 1 點(diǎn) 鞠l ：作舒1 ：精幫咎鞔1 3 蕾轆1 4 稽掰滾珠縫杠 15 在線電解櫧 圖1 5 放屯加工設(shè)備組成示意圖 f i g1 5d i s c h a r g em a c h i n i n g e q u i p m e n ts c h e m e s 放電加工設(shè)備作為放電加工的實(shí)施主體，對(duì)放電加工的效果起著決定性的 影響。太原理工大學(xué)的葉國(guó)明等人研究了單脈沖放電的放電機(jī)理，并且以 p i c l 6 f 8 7 7 單片機(jī)控制原理為基礎(chǔ)，發(fā)明設(shè)計(jì)了一種晶體管式脈沖電源，使脈沖 寬度能夠在很大范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，拓展了單脈沖放電實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)范圍，為脈沖 電源的設(shè)計(jì)提供了有益的參考】。南京航空航天大學(xué)的一些研究者在哈爾濱工 業(yè)大學(xué)設(shè)計(jì)的一種可用于微細(xì)線切割加工電源的基礎(chǔ)中上，改進(jìn)了這種加工電 源，使原來(lái)側(cè)重于放電回路控制但不能有效控制充電回路的電源得到了改善【4 。 北京電加工研究所等單位研究了不同放電參數(shù)下，聚晶金剛石( p c d ) 的表面變質(zhì) 層變化情況，以及各種放電參數(shù)狀態(tài)下，p c d 材料的表面微觀性能，為實(shí)際放 電j n - r 提供了一定的參考【4 5 1 。浙江大學(xué)化工機(jī)械研究所的陳扣杰等人通過(guò)對(duì)放 電電極的電極補(bǔ)償機(jī)理進(jìn)行研究，設(shè)計(jì)了一種有效的計(jì)算機(jī)輔助電極設(shè)計(jì)系統(tǒng)， 很大程度上提高了電極的設(shè)計(jì)效率和生產(chǎn)制造周期m 】。 8 緒論 3 放電加工的表面質(zhì)量研究 哈爾濱工程大學(xué)郭黎濱等人認(rèn)為由于放電加工的表面形貌和金屬機(jī)械切削 加工所形成的加工質(zhì)量是不相同的，用常規(guī)的切削加工評(píng)價(jià)方法并不能夠很好 的反映放電加工的表面質(zhì)量，并提出一種新的有效評(píng)價(jià)方法【4 7 】。西安理工大學(xué) 的伍尚禮等人研究了放電加工線切割電參數(shù)對(duì)不同淬硬模具鋼材表面微觀組織 的影響和變化規(guī)律，主要研究了加工表面層的沖擊性能，彎曲性能，耐磨性能 變化情況等【4 8 】。上海材料研究所的朱宗元，張嘉立研究了脈沖寬度在4 炒。2 0 0 0 岫 范圍內(nèi)，放電加工后模具鋼材料表面變質(zhì)層的耐磨性，硬度，粗糙度，微裂紋 的傾向等之間的互相影響關(guān)系，并研究了放電加工結(jié)束后熱處理工藝對(duì)表面變 質(zhì)層質(zhì)量的影響【刪。 1 2 3國(guó)內(nèi)外的發(fā)展趨勢(shì) 1 加工過(guò)程的高效化和精細(xì)化 隨著現(xiàn)代生產(chǎn)對(duì)加工效率的要求越來(lái)越高，對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量控制的越來(lái)越精細(xì) 化，放電加工技術(shù)的發(fā)展也必須主動(dòng)適應(yīng)這個(gè)趨勢(shì)。加工過(guò)程的高速化和精細(xì) 化，對(duì)放電加工過(guò)程的放電加工穩(wěn)定性提出了更高的要求，對(duì)放電電源的可靠 性和放電電極的快速設(shè)計(jì)加工制造提出了更高的要求。然而這些關(guān)鍵技術(shù)的提 高必須有相應(yīng)理論的深化和支持，因此對(duì)放電加工的加工機(jī)理進(jìn)行更加深入細(xì) 微的研究，分層次，有重點(diǎn)的研究已經(jīng)成為必須要加以實(shí)施的工作。 2 加工的自動(dòng)控制和參數(shù)優(yōu)化 加工過(guò)程的自動(dòng)控制和加工參數(shù)的計(jì)算機(jī)自動(dòng)優(yōu)化，是減小人為操作因素 干擾而影響產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段，是產(chǎn)品質(zhì)量數(shù)字控制化，全過(guò)程控制化的必 然要求，是生產(chǎn)制造過(guò)程和信息化結(jié)合的必然要求，將極大的提高產(chǎn)品的全壽 命周期，同時(shí)主動(dòng)改善不利的加工狀態(tài)，是生產(chǎn)智能化的一種具體體現(xiàn)，也是 未來(lái)先進(jìn)制造系統(tǒng)的重要組成部分。 3 加工過(guò)程的綠色化和節(jié)能化 隨著國(guó)家節(jié)能減排的不斷深入實(shí)施，生產(chǎn)制造加工技術(shù)的發(fā)展也必須與之 相適應(yīng)，主動(dòng)順應(yīng)國(guó)家關(guān)于對(duì)生產(chǎn)制造業(yè)的發(fā)展要求，積極發(fā)展新型，環(huán)保， 綠色的放電加工技術(shù)。例如放電介質(zhì)的改變，從煤油變?yōu)闅怏w，將大大減小放 電能量的極間損耗和放電中有害氣體的產(chǎn)生和排放，同時(shí)在一定程度上提高了 放電加工的加工效率和質(zhì)量，是一種未來(lái)應(yīng)用前景很好的加工方法。 9 緒論 1 3 放電加工精準(zhǔn)度的評(píng)價(jià) 放電加工精準(zhǔn)度的評(píng)價(jià)指標(biāo)主要包括放電加工能夠完成所需幾何形狀尺寸 表達(dá)的能力和放電加工結(jié)束后表面質(zhì)量的控制兩個(gè)方面。完成所需幾何形狀尺 寸表達(dá)的能力主要是指放電加工結(jié)束后，放電加工區(qū)域完成預(yù)定形狀尺寸設(shè)計(jì) 要求的能力，表面質(zhì)量的控制主要是指放電加工結(jié)束后所形成的微觀形貌對(duì)表 面力學(xué)性能和表面光潔度的影響控制。放電加工精準(zhǔn)度不僅反映了放電加工的 形狀尺寸精度控制，而且能夠反映放電加工后的表面微觀形貌性能和表面光潔 度的表達(dá)，將放電加工精準(zhǔn)度作為放電加工效果的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)提出，是綜合考慮 了放電加工實(shí)際情況的模具質(zhì)量評(píng)價(jià)指標(biāo)，是一個(gè)能夠反映加工實(shí)際模具質(zhì)量 的一個(gè)有效的，適合的指標(biāo)。放電加工精準(zhǔn)度的穩(wěn)定性控制的好，且放電過(guò)程 容易實(shí)現(xiàn)程序控制，那么放電加工結(jié)束后的模具質(zhì)量是可以進(jìn)行較為準(zhǔn)確預(yù)測(cè) 的，模具的使用性能也可以準(zhǔn)確表達(dá)。利用計(jì)算機(jī)仿真分析方法，對(duì)放電精準(zhǔn) 度進(jìn)行分析和預(yù)測(cè)，深入探究放電加工精準(zhǔn)度的微觀作用機(jī)理，這將有助于實(shí) 際放電加工模具質(zhì)量的有效改善和量化預(yù)測(cè)表達(dá)。 1 4 開展的主要工作及意義 1 針對(duì)常用4 0 c r 模具鋼材料的放電加工的過(guò)程進(jìn)行理論分析，建立放電加 工過(guò)程材料蝕除的物理模型和數(shù)學(xué)模型，考慮放電加工實(shí)際的加工條件，使所 建立的模型能夠最大程度反映放電加工的實(shí)際。 2 利用有限元分析的方法，對(duì)4 0 c r 模具鋼材料放電加工的區(qū)域進(jìn)行單元離 散化，考慮主要的施加載荷，熱流密度和對(duì)流換熱等，設(shè)定近于實(shí)際的邊界條 件，借助a p d l 方法，對(duì)時(shí)變半徑，時(shí)變熱源的高斯熱流密度進(jìn)行了加載計(jì)算， 利用a n s y s 有限元分析軟件對(duì)放電加工區(qū)域溫度場(chǎng)的演變過(guò)程進(jìn)行分析。 3 在溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，基于金屬固態(tài)相變的原理和金屬學(xué)熱處理的理 論，對(duì)放電加工結(jié)束后，模具鋼加工表面的熱影響區(qū)分布情況和組織漸變過(guò)程， 主要力學(xué)性能進(jìn)行預(yù)測(cè)分析，分析出變電參數(shù)時(shí)對(duì)熱影響區(qū)厚度的影響趨勢(shì)。 4 在溫度場(chǎng)分析的基礎(chǔ)上，對(duì)溫度梯度引起的溫度熱應(yīng)力應(yīng)變分布進(jìn)行計(jì)算 分析，得出4 0 c r 模具鋼材料放電加工結(jié)束后加工區(qū)域表面形貌的熱應(yīng)力分布大 小和熱變形的分布情況，預(yù)測(cè)出放電加工結(jié)束后模具的微觀熱變形傾向和應(yīng)力 集中狀況。 1 0 緒論 4 0 c r 模具鋼是一種常用的模具加工材料，以其為研究對(duì)象，對(duì)實(shí)際加工有 一定的指導(dǎo)和應(yīng)用價(jià)值。利用計(jì)算機(jī)有限元方法分析放電加工的材料去除過(guò)程 是國(guó)內(nèi)外現(xiàn)在的一個(gè)研究熱點(diǎn)，經(jīng)過(guò)前人的努力及對(duì)加工模型的不斷改善，一 些理論確實(shí)已經(jīng)在實(shí)際加工中起到了指導(dǎo)作用，并且有效的減少了由于不斷試 模造成的人力，物力，財(cái)力，時(shí)問(wèn)的不必要損耗，擴(kuò)大了放電加工在實(shí)際中的 應(yīng)用空間和范圍。對(duì)放電加工的機(jī)理進(jìn)行深入研究和對(duì)其過(guò)程中發(fā)生的金屬固 態(tài)相變進(jìn)行微觀細(xì)致的研究，將助于進(jìn)一步深化理論基礎(chǔ)，促進(jìn)實(shí)際加工與理 論的進(jìn)一步接軌，而且利用金屬固態(tài)相變和金屬學(xué)熱處理的知識(shí)對(duì)放電的微觀 過(guò)程分析是一種嘗試和有益的探索，具有一定的可操作性和理論基礎(chǔ)，將會(huì)對(duì) 放電加工精準(zhǔn)度控制和改善提供一種有益的參考。 2 基于材料蝕除的溫度場(chǎng)仿真分析 2 基于材料蝕除的溫度場(chǎng)仿真分析 放電加工過(guò)程中，被加工工件材料蝕除的情況，將會(huì)對(duì)放電凹坑的形狀形 貌產(chǎn)生很大的影響，從而影響被加工區(qū)域的形狀精度和尺寸精度，對(duì)塑料模具 的放電精準(zhǔn)度產(chǎn)生比較大的影響作用。伴隨著微機(jī)電系統(tǒng)的不斷發(fā)展，未來(lái)對(duì) 微d , n 品、微小結(jié)構(gòu)件的質(zhì)量要求將越來(lái)越高，而模具質(zhì)量的是否優(yōu)良很大程 度上決定了我們能否生產(chǎn)出合格的微小塑料制品。對(duì)于微小且精細(xì)程度要求高 的模具，電火花精加工技術(shù)作為一種有效且優(yōu)勢(shì)突出的加工方法，將會(huì)占有重 要的地位。因此，深入研究放電過(guò)程中模具鋼金屬材料的蝕除微觀機(jī)理，對(duì)于 進(jìn)一步提高放電加工精準(zhǔn)度的科學(xué)化控制水平，很有意義。 。 2 1材料蝕除的理論模型分析 2 1 1 材料蝕除的物理模型分析 放電加工區(qū)域的放電過(guò)程很復(fù)雜，是一個(gè)多場(chǎng)耦合、共同作用的過(guò)程，有 溫度場(chǎng)、電磁場(chǎng)、流場(chǎng)以及力場(chǎng)等的共同作用，可以形象的用下面的圖2 1 說(shuō)明。 圖2 1 放電加工中的能量 f i 9 2 1e n e r g yi nd i s c h a r g em a c h i n i n g 同時(shí)，由于放電脈沖寬度，電火花加工液，材料的放電加工間歇性蝕除等 因素的影響，放電加工過(guò)程又具有一定的不確定性。常規(guī)的研究測(cè)試方法很難 1 2 2 基于材料蝕除的溫度場(chǎng)仿真分析 對(duì)放點(diǎn)加工的瞬態(tài)過(guò)程進(jìn)行分析研究，通過(guò)對(duì)放電加工過(guò)程建立與之相宜的物 理模型，運(yùn)用有限元分析軟件研究放電過(guò)程，無(wú)疑是一種有效且高效的方法。 根據(jù)對(duì)實(shí)際放電過(guò)程的宏觀和微觀理解，基于實(shí)際放電加工設(shè)備的構(gòu)造， 本著考慮主要的影響因素，適當(dāng)簡(jiǎn)化分析模型的原則，可以建立如下圖2 2 所示 的物理模型。 圖2 2 放電加：l j 的物理模型 f i 9 2 2p h y s i c a lm o d e lo fd i s c h a r g em a c h i n i n g 在放電電極和工件的兩端，分別連接著放電電源的兩極，放電電極和工件 之間的距離我們稱之為放電間隙。在放電間隙內(nèi)部充滿了電火花工作液。當(dāng)工 件接電源正極時(shí)，為正極性加工，反之為負(fù)極性加工。在放電加工過(guò)程中，無(wú) 論是正極性加工，還是負(fù)極性加工，都會(huì)受到不同程度的電蝕，即使正負(fù)兩極 的材料相同，電蝕程度也是不一樣的，這種現(xiàn)象稱之為極性效應(yīng)。當(dāng)放電發(fā)生 時(shí)，電火花加工液被擊穿、電離，在初始的時(shí)刻，由于電子具有較小的慣性， 因而容易獲得較大的加速度，因而在初始放電時(shí)刻，就會(huì)有大量的電子涌向正 極，此時(shí)正極得到的能量就多；而正離子由于慣性比較大，獲得的加速度較小， 在放電的初始時(shí)刻，只有少部分的正離子到達(dá)負(fù)極，負(fù)極得到的能量就相應(yīng)較 少。所以，產(chǎn)生極性效應(yīng)的主要原因是因?yàn)榉烹娔芰吭趦蓸O分配不均造成的。 在實(shí)際加工過(guò)程中，在短脈寬加工時(shí)，一般采用正極性加工，這時(shí)候正極獲得 能量較多，工件材料更容易蝕除，并且電極的損耗也較小。反之，在長(zhǎng)脈寬加 工時(shí)，一般采用負(fù)極性加工。 在放電發(fā)生擊穿之后，在放電間隙之間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)放電通道，放電通道的 1 3 2 基丁材料蝕除的溫度場(chǎng)仿真分析 電流密度很高，一般在1 0 0a c m 2 左右【刪，帶電粒子在兩極電場(chǎng)力的作用下， 高速的撞擊電極表面，將自身的動(dòng)能瞬問(wèn)轉(zhuǎn)化為內(nèi)能，產(chǎn)生了很高的瞬時(shí)溫度， 沿著放電通道傳向工件表面，由于時(shí)間很短，熱量來(lái)不及傳導(dǎo)和擴(kuò)散，工件表 面放電區(qū)域的材料被熔融，甚至汽化，同時(shí)放電區(qū)域的電火花加工液受熱膨脹， 產(chǎn)生了很高的內(nèi)部壓力，將熔融和汽化的材料拋出，形成放電蝕坑。 物理模型建立的假設(shè)條件： 1 放電通道以放電中心點(diǎn)成軸對(duì)稱； 2 放電能量主要流向正負(fù)兩極和放電通道之間，成一定的比例分配，忽略極 小部分向外輻射的放電通道能量； 3 每個(gè)單脈沖放電的時(shí)間為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)脈沖寬度，按照概率均等的原則，排除 每個(gè)單個(gè)脈沖放電的微小差異性； 4 模型考慮了熱傳導(dǎo)、焓變、比熱容和對(duì)流換熱等的影響，不考慮體積內(nèi)熱 源的微小影響； 2 1 2 材料蝕除的數(shù)學(xué)模型分析 2 3 熱傳導(dǎo)微分示意圖 f i 9 2 3 d i f f e r e n t i a ls c h e m e so ft h e r m a lc o n d u c t i o n 根據(jù)熱平衡和能量守恒原理，在任意一段時(shí)間內(nèi)，物體的任意微小部分所 積蓄的熱量等于傳入該微小部分的熱量加上內(nèi)部熱源的能量，如圖2 3 所示。在 d t 時(shí)間內(nèi)，微小六面體所積蓄的能量為 署倒x d y d z d t 其中p 是物體密度，c 是比熱容。在時(shí)間d t 內(nèi)，由由六面體a b a b 面?zhèn)?入的熱量為q d x d y d z d t ，由c d c d 面?zhèn)魅氲臒崃繛?1 4 2 基- 丁材料蝕除的溫度場(chǎng)仿真分析 則傳入的靜熱量為 由 可得： ( g 。+ 孕d x ) d y d 礎(chǔ) d x 一盟d z d y d z d t a x 鏟一磋a x ( 2 1 ) 一象皿拈力警加出 曉2 2 ， 蘇 。 蘇2 。 f、 因此傳入微小體的總靜熱量為： 爪窘+ 萬(wàn)c 3 2 t + 警) d x d y d z d t ( 2 3 ) 根據(jù)熱量平衡原理，可得三維坐標(biāo)下的傳熱微分方程： 印警d x d y d z d 剛籌+ 霧+ 窘) d x d y d z d t ( 2 4 ) 放電加工的過(guò)程中，放電通道中的熱流密度非常大，熱量來(lái)不及傳遞，因 而放電區(qū)域的材料被蝕除，由于熱量的不斷輸入，放電半徑也不斷擴(kuò)展，因而 放電加工的熱源模型是一個(gè)時(shí)變半徑，時(shí)變熱源的瞬態(tài)傳熱模型。在固態(tài)傳熱 區(qū)，滿足熱傳導(dǎo)微分方程；在熔融和汽化蝕除區(qū)，不滿足熱傳導(dǎo)微分方程。在 液相區(qū)，滿足對(duì)流傳熱。為了能夠進(jìn)行分析計(jì)算，將整個(gè)過(guò)程統(tǒng)一為一個(gè)熱傳 導(dǎo)過(guò)程，并考慮對(duì)流傳熱的作用。 2 1 3 放電通道中的能量傳遞 當(dāng)放電通道形成時(shí)，放電電源就通過(guò)放電通道傳遞能量，將電能轉(zhuǎn)化為熱 能，電磁能，光能等。單個(gè)脈沖在放電通道中所釋放的總能量為 w = 【u ( t ) i ( t ) d t = 礬+ w j + w g ( 2 5 ) 其中u ( t ) 為t 時(shí)刻工件與電極兩端的放電電壓； 1 5 2 基丁材料蝕除的溫度場(chǎng)仿真分析 i ( t ) 為t 時(shí)刻兩極之間的放電電流； 、砜為電極端的能量分配； w j 為放電間隙能量損耗； w g 為工件端的能量分配； 以熱傳導(dǎo)方式傳遞熱量 g ( r ) 零q e x p ( ) 圖2 4 熱流密度分布示意圖 f i 9 2 4 s c h e m e so ft h e r m a lf l u xd i s t r i b u t i o n 放電過(guò)程中產(chǎn)生的能量主要以高斯熱流密度的形式加載在放電通道上，以 熱傳導(dǎo)的形式傳遞給工件，如上圖2 4 所示。在放電通道中心點(diǎn)，熱流密度最大。 沿著放電半徑方向擴(kuò)展，熱流密度逐漸變小，有如下的數(shù)學(xué)關(guān)系： q ( r ) = 籌e x p ( _ 4 5 ( 舢( t ) ) 2 ) ( 2 6 ) 其中