（机械制造及其自动化专业论文）分流法小孔电火花加工数值模拟及试验.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着现代化工业的发展，在航天、航空、军工、机械、自动控制、化学纤维、光电、 仪器仪表等行业的一些尖端制品和新产品中，微d , f l 及微细深孔的应用日趋广泛，对小 孔精度和加工速度等方面的要求也越来越高，小孔加工工艺已成为工业许多领域的关键 技术。电火花小孔加工作为不同于传统加工的一种工艺方法，被广泛应用在各种工业制 造领域中。在一定加工条件下，通过改变电火花加工工艺，改善小孔的电加工条件，而 加工出更小的孔，是电火花小孔加工的重要思路之一，引起关注。 将等面积分流法的原理引入电火花小孔加工中，在不小于稳定加工临界尺寸的前提 下，通过改变电极的制作工艺，用稳定加工参数，获得小于机床稳定加工临界尺寸的更 小孔的加工方法，是一种新的小孔加工工艺，本文所做的主要工作和结果如下： 进行等面积分流法电火花加工过程的理论分析，加强对利用电腐蚀来蚀除多余金属 的认识，了解分流法的基本原理，同时深化等面积分流法d , f l 电火花加工机理认识，分 流法通过减小峰值电流从而达到减小表面粗糙度、减小蚀除物体积等目的，为后续仿真、 试验提供理论依据。 借助有限元分析软件a n s y s ，利用a p d l 语言编程，进行单次脉冲放电温度场的 模拟分析，在此基础上进行小孔的电火花加工过程以及温度场分布的模拟，对仿真结果 分析得n d , 孑l 的孔径和材料去除量的变化规律，与试验结果具有一致性，其可预见加工 结果。 选用紫铜工具电极，奥氏体不锈钢工件，进行验证试验，寻求加工规律，根据小方 孔的等面积分流法电火花加工结果，利用m a t l a b 建立工艺指标( 加工速度、电极损 耗、单边放电间隙) 随着电极个数增加的函数关系并拟合出曲线。结果表明，等面积分 流法小孔电火花加工过程中，加工速度和放电间隙略有减小，而电极损耗稍稍变大，变 化越来越小，趋于一致，加工过程平稳，且加工出的孔满足质量和精度要求。 本文为等面积分流法小孔电火花加工提供理论依据，仿真模型及试验数据，得出在 放电参数一定的条件下，用机床稳定加工参数，进行等面积分流法d , f l 电火花加工，可 以突破机床原有的稳定加工指标，加工出临界指标以下的小孔，加工过程平稳，为d q l 加工提供了一种新的工艺方法，同时，为微d , f l n 工提供借鉴。 关键词：电火花加工；分流法；等面积；小孔 分流法小孔电火花加工数值模拟及试验 s i m u l a t i o na n de x p e r i m e n t so fs m a l l h o l ee d m b yc u r r e n td i v i d i n g a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g y ，s m a l l - h o l ea n dm i c r o - h o l ea r ew i d e l y u s e di nt h ef i e l d so f a v i a t i o n ，s p a c e f l i g h t ，m i l i t a r y ，m a c h i n e ，a n ds oo n t h er e q u i r e m e n t sf o r m a c h i n i n gp r e c i s i o na n ds p e e do fs m a l l - h o l eb e c o m eh i g h e ra n dh i g h e r e l e c t r i c a ld i s c h a r g e m a c h i n i n g ( e d m ) i so n eo ft h em o s te x t e n s i v e l yu s e dn o n - c o n v e n t i o n a lm a t e r i a lr e m o v a l p r o c e s s e s i t su n i q u ef e a t u r eo fu s i n gt h e r m a le n e r g yt om a c h i n ee l e c t r i c a l l yc o n d u c t i v ep a r t s r e g a r d l e s so f h a r d n e s st oe n s u r eh i g hp r e c i s i o na n dg o o ds u r f a c eq u a l i t yh a sb e e n i t sd i s t i n c t i v e a d v a n t a g ei n t h em a n u f a c t u r eo fs m a l l - h o l e s o ，e d mi sp o t e n t i a l l yv e r ys u i t a b l ef o rs m a l l - h o l e ， w h i c hh a sc a u s e dal o to fr e s e a r c ha t t e n t i o n n e wm a c h i n i n g p r o c e s sl i k ec o m b i n e dm a c h i n i n g t e c h n o l o g yo fe d mw i t ho t h e r sh a v eb e e nc a r d e do u t ，s u c ha su l t r a s o n i ce d m ，m i x e d - p o w d e r e d ma n de d m b yc u r r e n td i v i d i n ga t t r a c t st h ea u t h o r sa t t e n t i o n i tt h a ti m p r o v e st h ed r i l l i n g c o n d i t i o nf o rs m a l l h o l ei san e wm e t h o do fe d m d i s c h a r g i n g a r e ae q u a l i z a t i o na n dc u r r e n td i v i d i n ga r ei n t r o d u c e di nt h em e t h o do f d r i l l i n gs m a l l h o l eb ye d m s m a l l h o l ew h o s es i z e sa r el e s st h a nc r i t i c a lv a l u eo fm a c h i n i n g s t a b l yc a nb ep r o d u c e du s i n gt h es t a b l ep a r a m e t e r s t h eg u i d a n c eo fs m a l l h o l ee d mb y c u r r e n td i v i d i n gi st h a td i v i d i n gp e a kc u r r e n tt h r o u g hs i n g l ee l e c t r o d er e p l a c e db y m u l t i e l e c t r o d e so nd i s c h a r g i n g a r e ae q u a l i z a t i o n n l es t u d yd e t a i l sa r ea sf o l l o w e d ： w i 也ad e t a i l e dt h e o r e t i c a la n a l y s i so fd r i l l i n gp r o c e s s ，t h ee f f e c to fe l e c t r oe r o s i o n r e m o v i n gm a t e r i a l si np u l s ed i s c h a r g ef o re d mb yc u r r e n td i v i d i n gi ss t u d i e da n dt h ep r i n c i p l e o fd i v i d i n gp e a kc u r r e n tt h r o u g hs i n g l ee l e c t r o d er e p l a c e db ym u l t i e l e c t r o d e so nd i s c h a r g i n g - a r e ae q u a l i z a t i o ni sr e c o g n i z e d t h em e c h a n i s m so fe d m b yc u r r e n td i v i d i n gi np r o c e s s i n ga r e s t u d i e d ，a n dd i v i d i n gp e a kc u r r e n ta c h i e v e st h ea i mo fd e c r e a s i n gs u r f a c er o u g h n e s sa n d i m p r o v i n gt h ep r o c e s s i n gc o n d i t i o n s i tp r o v i d e sar e l i a b l eb a s ei nt h e o r yf o rt h ef o l l o w i n g s t u d i e s t h es i m u l a t i o nm o d eo ft e m p e r a t u r ef i e l dw a sa c h i e v e dw i t ht h eb e n e f i to ff i n i t ee l e m e n t a n a l y s i ss o f t w a r ea n s y su s i n ga p d ll a n g u a g e n u m e r i c a lm o d e lo fs i n g l ep u l s ee l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n gi se s t a b l i s h e da n da n a l y z e dg i v i n gr e f e r e n c ef o re d md r i l l i n go fs m a l l h o l e b a s e do nt h i s ，t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no f m a t e r i a lr e m o v a la n d t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n si n t h ee d mf o rs m a l l h o l ei sd o n e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h e r ei sa c o n s i s t e n c yi np r o c e s so f e x p e r i m e n ta n ds i m u l a t i o n ，a n dt h em e t h o dh e l p st oc o n t r o lt h ed i m e n s i o np r e c i s i o n t h ee x p e r i m e n to fe d m - 712 5s h a p i n gm a c h i n ed r i l l i n gh o l e so nd i s c h a r g i n g - a r e a e q u a l i z a t i o nb yc u r r e n td i v i d i n gw a sc o n d u c t e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s ，t h e f u n c t i o nr e l a t i o n so f d r i l l i n gs p e e d ，e l e c t r o d ew e a ra n do n e - s i d e dd i s c h a r g eg a pw i t ht h e i i 大连理工大学硕士学位论文 e l e c t r o d e sn u m b e r sa r ed e v e l o p e db ym a t l a b t h er e s u l t ss h o wt h a tt h ed r i l l i n gs p e e da n d d i s c h a r g eg a pd e c r e a s eal i r l e ，b u te l e c t r o d e sw e a ri n c r e a s e ss l i g h t l y ，a n dt h e r ei sac o n s i s t e n c y i np r o c e s sa b i l i t yb e t w e e ns i n g l ea n dm u l t i e l e c t r o d e s i tv e r i f i e st h a tt h es m a l l h o l ep r o d u c e d b yo r i g i n a lc r i t i c a lv a l u eo f s t a b l em a c h i n i n gc a nb es m a l l e rt h a nb e f o r e s oe d mf o rs m a l l - h o l eo nd i s c h a r g i n g - a r e ae q u a l i z a t i o nb yc u r r e n td i v i d i n gi sf e a s i b l ea n ds t a b l e ，a n dt h eh o l e s a f t e rd r i l l e dm e e tt h er e q u i r e m e n t so fp r e c i s i o na n dq u a l i t y t 1 1 i st h e s i ss u p p l i e st h e o r yb a s e s i m u l a t i o nm o d e la n de x p e r i m e n t a ld a t e sf o re d mb y c u r r e n td i v i d i n go nd i s c h a r g i n g a r e ae q u a l i z a t i o n t h er e s u l t sa r et h a ts m a l l h o l ew h o s es i z e l e s st h a nc r i t i c a lv a l u eo f m a c h i n i n gs t a b l yc a l lb ep r o d u c e du s i n gt h es t a b l ep a r a m e t e r st h r o u g h s i n g l ee l e c t r o d er e p l a c e db ym u l t i - e l e c t r o d e so nd i s c h a r g i n g a r e ae q u a l i z a t i o n i tp r e s e n t sa n o v e lt e c h n o l o g ya n dt h o u g h tf o rs m a l l h o l ea n dc a r lb eu s e da sr e f e r e n c ef o rm i c r o h o l e k e yw o r d s ：e d m ；c u r r e n td i v i d i n g ；d i s c h a r g i n g a r e ae q u a l i z a t i o n ；s m a l l h o l e ； 1 i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 鱼塑坐选出亟堑圣亟焦遵望选彗致 作者签名：查逮翻日期：型里乏年生月生日 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：继尘：塾鱼烛盔三熬馅龇这煎 作者签名：垄建盈日期：竺乞年上月l 日 导师签名 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 现代工业产品不断向轻、薄、短、小的方向发展，其组成零件也越来越趋于小型化 和精密化，小孔的应用日趋广泛，小孔加工工艺已成为工业许多领域的关键技术。据统 计，孔加工约占机械加工总量的三分之一，占机械加工时间的四分之一。在孔加工中， 尤其以小孔、深孔的加工最为困难【l j 。特别是近年来，随着材料向高强度、高硬度的方 向发展，经常需要在一些高硬度、高强度的难加工材料，如模具钢、硬质合金、陶瓷材 料和聚晶金刚石等上，进行小孔、深孔加工1 2 圳。这些小孔用一般的传统加工方法加工 时，加工效率很低或者无法加工。 电火花小孔加工作为不同于传统加工的一种工艺方法，属于热加工，电极与工件不 直接接触，加工时接触力较小；直接用热能去除金属，此方法被广泛应用在各种工业制 造领域。它不仅能满足孔径小、精度高的要求，而且满足生产效率和经济效益上的要求， 由于其独特的优势，电火花d , 孑l n 工在各种工业制造领域中发挥着不可替代的作用。 1 1 课题背景 航空燃气涡轮叶片、喷管叶片、燃烧室等部件的表面要打上数以千计的孔( 通常从 2 5 到4 万个不等) 来保证表面被一层薄薄的冷却空气覆盖，达到增加零件使用寿命，提 高引擎工作性能的目的，这些冷却孔通常用电火花打孔加工，比如：燃气轮机叶片上的 薄膜冷却孔、内部冷却孔、端孔等用电火花加工，叶片插件挡板上的很多小孔用特殊的 电火花加工，离心式燃料喷嘴也用电火花加工来形成涡流孔。电火花打孔在模具及汽车， 钟表等行业中也有广泛应用。 电火花加工是靠火花放电产生的高温把材料腐蚀去除的。由于它是一种利用电热进 行加工的方法，摆脱了机械加工中工具材料必须比工件材料硬的约束，能以较软的工具 加工较硬的工件，而且加工过程中切削力很小，对电极的强度和刚度要求很低，所以非 常适合小孔的加工。从理论上讲，该方法可以在任何硬度的导电材料上加工出非常小的 孔【5 1 。随着对电火花加工机理的认识以及电火花加工工艺的提高，电火花小孔加工已经 深入到精微加工的范畴。但是由于小孔的直径较小，为了加工稳定以及电蚀产物顺利排 出，要求蚀除物体积较小，单次脉冲放电能量较小。目前大部分学者主要研究的是利用 高频窄脉冲电源【6 - 9 】进行微小孔加工，虽然取得了一定成果，但机床设备复杂，加工成 本较高。在一定的加工条件下，通过改变电火花加工工艺( 如与其它加工方法结合，分 流法电火花加工等) ，可以突破电源的最小脉宽和最小峰值电流的限制，提供小孔加工 所需要的微小能量，从而改善小孔的电加工条件，得到更小孔的加工，这是小孔加工的 一个重要思路。目前，国内外十分重视电火花小孔加工的研究与开发工作。 1 2电火花小孔加工技术概述 电火花小孔加工技术发展到今天，已有很大进步，下面从电火花成形机床技术，电 火花打孔工艺方法和电火花小孔加工方法的数值模拟这三各方面讲述电火花小孔加工 的概况。 1 2 1电火花成形机床技术 电火花小孔加工向着高效率、高精度、低损耗方向发展，加工过程的高效化不仅体 现在改进电火花加工伺服系统、控制系统、工作液系统、机床结构等，减少上述因素对 电火花小孔加工的影响，在保证加工精度的前提下，提高粗、精加工效率：同时还应尽 量减少辅助时间，如编程时间、电极与工件定位时间、维修时间等。这就需要增强机床 的自动编程功能，扩展机床的在线后台编程能力，改进和开发适用的电极与工件定位装 置。在机床维护方面，应增强机床的多媒体功能和在线帮助功能，有利于增强机床的可 操作性和操作人员的操作技能。发达国家的微细电火花加工技术已进入工业应用甚至商 业销售阶段：如日本松下精机、瑞士夏米尔、美国麦威廉斯等公司都有较成熟的产品。 瑞士阿奇夏米尔集团开发研制了h s s 型l s w e d m 脉冲电源，脉冲峰值电流大， 脉宽窄。该脉冲电源的最大特点是线路结构十分简单，没有能耗限流电阻，提高了电能 利用率，成本低，体积只有原来的1 1 0 。另外，设置了充电调节电路，多余电能可以反 馈给直流电源，防止电路产生过电压。同时，日本三菱电机公司推出了数控电火花e a 系 列成型机的标准配置f p l i 脉冲电源。该脉冲电源在保持了优良加工性能的基础上，大幅 度降低了电能消耗，电能利用率提高到了接近7 0 。此外，日本沙迪克公司开发了无电 阻节能型数控脉冲电源l n l w l n l 0 w ，这种电源是实现高效低损耗的电源。由于该电 源无电阻发热而成为低发热电源，使间接空冷得以实现，低发热减少了消耗电能，只相 当于以往电源的1 2 7 。 瑞士阿奇夏米尔集团的电火花成形机r o b f o r m 3 5 ，具有高精度、高可靠性和高效 率的指标，机床( x 、y 、z 轴) 的分辨率为0 5 1 x m ；定位精度高达2 p m ，采用激光检测 电子补偿，光栅尺闭环控制；c 轴分辨率为0 0 0 1 度，c 轴电机驱动功率达2 0 0 0k g c m ， 工作灵敏。r o b o f r m 3 5 机的智能专家控制功能，特别对型腔加工困难的零件，具有较 强控制效果。它能根据电极表面放电变化实时跟踪调整，拟定新的价格策略，获得电极 低损耗，加工清角，以及高加工速度f l0 1 。 一2 大连理工大学硕士学位论文 瑞士阿奇夏米尔集团的电火花成形机a g i em o n d os t a r2 0 ( 5 0 ) ，机床结构为 c 形构架，通过有限元法计算动、静态刚度，热稳定性好。采用高精密的滚珠丝杠滚动 导轨，以保证定位精度高的要求。三轴均采用直流马达半闭环伺服驱动，最高移动速度 为0 9 m m i n ，分辨率为o 1 i m a ，采用激光干涉检验校准精度。z 轴有内置式的c 轴，采 用直流电机驱动，转速为0 5 5 r m i n ，可选配1 6 只电极交换1 7 。 日本沙迪克公司率先推出了直线电机驱动的电火花成形机床a m 5 5 l 型( z 轴直线 马达) 和a q 3 5 l 型( x 、y 、z 三轴直线马达) ，这种机床由于应用了直线电机伺服系 统使a n t 性能大幅度提耐1 0 】。 日本三菱公司，将模糊控制由f u z z yp r o i 型，发展到f u z z yp r o l i 型，除了原专家系 统，面积检测和反力检测外，在原摇动方式的基础上建立起来半自由高速摇动方式，大 大提高了a n t 屑排除和深孔肋条的a n t 效果。x 、y 、z 轴伺服驱动最小当量为0 0 5 1 m a ， 采用无鞍型溜板结构提高机床刚性，智能型的交流伺服系统，提高灵敏度和保证最小当 量的稳定性1 1 0 j 。 美国c u r r e n t 公司的高速小孔电火花加工机床( h s e d m ) ，其水平较高。c t 5 0 0 可5 轴控制( x 、y 、z 、a 、c 可控) ，6 轴加工( w 轴不可控) ，a 轴为工作台上的 旋转轴，z 轴为伺服轴，c 轴为旋转轴；c t l 6 0 0 f 大型h s e d m 除具有与c t 5 0 0 相同5 轴外，主轴头还可进行角度调节。一台小型的h s e d m ，用小型机器人夹持工件，工件可 做空间自由运动，可进行空间分布的小孔加工。最为先进的是c t 3 0 0 a g e s f ( f x ) ， 它设有管电极库，可自动交换电极。该公司也生产普通型的h s e d m ，工作液有二种， 即水和油。在油中加工时，采用浸入式的加工方式，加工孔的范围为0 1 6 5 m m ，最大径 深比为1 ：5 0 0 。在加工0 5 m m 的孔时，材料为钢，其加工速度为5 0 m m m i n 。美国 b e a u m o n t 公司的h s e d m 采用西门子系统，工作台上有二个旋转轴，一个可3 6 0 。 旋转，另一个为1 2 0 。旋转；主轴头也可进行角度调节，是6 轴控制、8 轴加工的h s e d m 。 b e l m o n t 公司的a 6 6h s e d m ，可5 轴控制，并带有电极库【l 。 1 2 2 电火花打子l 工艺方法 为改善电火花小孔加工过程的排屑条件，提高加工效率和加工质量，在普通电火花 小孔加工的基础上，又发展起来了超声波电火花复合小孔加工，高速电火花小孔加工以 及混粉电火花小孔加工等新的电火花小孔加工工艺。 超声波电火花复合小孔加工是在电极上附加超声振动，使电极端面频繁进入合适的 放电间隙，提高火花击穿的概率，同时由于超声的空化和泵吸作用，可以增大被加工材 料的去除量，加速工作液循环，改善间隙放电条件，从而提高加工孔的深径比，加工的 一3 分流法小孔电火花加工数值模拟及试验 稳定性，及生产率：并且在振幅得到良好控制的情况下，可以获得更高的加工精度12 1 ， 超声频间隙脉冲放电加工原理图如1 1 所示。 变 幅 杆 超 声 波 换 畿 罂 工作液循环系统 图1 1 超声频间隙脉冲放电加工原理图 f i g 1 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fu l t r a s o n i c e d m 电火花高速深小孔加工采用管形铜电极为工具电极，以去离子水作为加工介质。将 去离子水以高压通过管电极，泵进加工区域，强制排除加工产物，以保持加工过程的稳 定性。为保证能达到足够的穿孔深度，要选择较长的电极管，为防止加工过程中电极变 形和振动而破坏加工精度，必须采用专用的导向器，安装在靠近被加工工件的表面。为 了使工作液能高速通过电极孔输送到加工区域，加工设备必须配备小流量的高压泵，通 常使用柱塞泵或专用增压器【l 引，电火花高速深小孔加工原理图如1 2 所示。 图1 2电火花高速深小孔加工原理图 f i g 1 2 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fh s e d m 裂藤 大连理工大学硕士学位论文 混粉电火花小孔加工，是在电火花加工的工作液中添加一定量的s i 、砧等微细粉 末，使放电间隙增大，放电间隙至少增大2 倍，一般增大4 6 倍，混粉电火花加工可以 使放电点分散，细化放电能量，由于微细粉末的进入，使得极间距离增大，两极间的寄 生电容减小。混粉电火花加工可以使工件加工表面粗糙度得到显著改善，能够达到近似 镜面的效果，且精加工时间也会大大缩短。 气中放电加工( 也称干式电火花加工) 一般采用薄壁管状电极，加工中管状电极作 回转和分层轴向进给运动，以高压气体作介质实现工具与工件间的放电，加工中高速流 动的气体带走融化或气化的工件材料，并使放电点迅速冷却，避免熔融的被加工材料粘 附到工具或工件表面，并起到冷却电极的作用。 1 2 3电火花小孔加工的数值模拟 目前，由于研究手段的缺乏以及放电过程本身的复杂性和随机性，使得电火花加工 机理的研究还相对滞后，人们对电火花加工的蚀除原理仍然只有一个模糊认识，并没有 一个确切的理论能对其过程进行概括，这在一定程度上制约了电火花加工技术的进一步 发展。普遍认为其放电过程是动能、热能、电能、磁能、光能等多场耦合的复杂过程， 且其本质是热过程，工件表面放电点周围温度分布决定放电凹坑的形状【1 4 j 引，从热传导 的角度仿真研究电火花加工过程电极材料的蚀除，一直是电火花加工的研究热点之一， 国内外许多学者对电火花加工模拟进行了大量的研究。 上海交通大学进行电火花放电蚀坑的有限元热分析，把正态分布的瞬时平面热源认 为内热源，在考虑热源半径，热载荷、热传导、热对流、热辐射和材料相变的条件下， 利用有限元的方法，把热载荷加载到被加工材料表面的有限单元格上，建立电火花加工 温度场模型。在此基础上用有限元软件a n s y s 对所建立的电火花放电加工温度场物理 模型进行求解，从而研究单脉冲放电蚀坑温度场分布状况，分析不同脉宽和电流条件下 的蚀坑大小变化和加工机理，并通过试验对所得结果进行验证i l 6 。 上海交大在前几年所进行的计算机仿真技术研究基础上，针对放电过程做了许多有 意义的工作。通过改变放电的参数和条件，分析极间放电状态和工艺效果，即所谓在计 算机上进行工艺试验，探讨在不同加工条件下选取最佳参数i l 。 广东工业大学利用有限元法模拟了放电加工的电热过程，模型抽象为均匀圆柱体热 源和定半径表面热源的有限开放系统模型，并对放电后电极与工件的温度场进行了分 析，它基本上反映了单脉冲电火花加工的实际温度场分布情况【l 引。 分流法小孔电火花加工数值模拟及试验 哈尔滨工业大学崔景芝分析了单脉冲超短脉宽放电情况下，工件电极表面蚀除凹坑 的形成机理，并建立了凹坑形成的数学模型，应用a n s y s 对所建模型进行仿真，对加 工后放电坑的深度和宽度进行了预测i l 9 。 北京市电加工研究所在研究电火花加工机理的基础上，基于有限元原理，建立了电 火花连续脉冲放电磨削聚晶金刚石复合片时的物理模型，对磨削过程工件表面的温度 场、应力场分布及工件材料的变形规律进行了模拟分析，研究了脉宽及峰值电流对温度 场、应力场分布及复合片变形量的影响规律【2 0 j 。 青岛特种设备检验所根据热传导基本理论和微细电火花加工的实际情况，建立微细 电火花加工的有限元分析模型，采用a n s y s 分析软件，基于不同的热源模型对单脉冲 放电情况的温度场进行了数值模拟，并利用仿真结果研究了单脉冲放电的表面粗糙度和 材料去除率与放电能量的关系1 2 。 1 3 电火花小孔加工现状及存在问题 日本松下公司研制的m g e d 0 1 微小孔电火花成形机，加工孔径范围为西1 5 - 3 0 0 肛m ， 粗糙度值为r a0 1 岬；又与东京大学联合开发了通用超精密数控小型电火花微细加工机 床，其加工范围为，最小轴径引3 岬，精度为0 5 岬；最小孔径咖5 1 a m ，精度为l l x r n ， 深径比为5 ：1 ，采用半月形电极和水作为工作液时，深径比可达0 0 1 5 ) ：1 2 2 彩】。日本的 y a m a z a k i 等人提出，通过电极自身加工出的微小孔来加工电极的方法，可提高电极的 加工效率，并可以加工异型孔所需的电极【2 4 j 。日本的t a k a h a t a 等人将微细电火花加工技 术同l i g a ( 光刻) 技术结合起来，使微细电火花加工进行批量生产成为可能，利用这 种技术可以加工出咖2 0 1 m a 铜质电极数组，并加工出痧3 0 3 2 岬的小孔数组网；日本东 京大学生产技术研究所增泽隆久教授加工出的眈5 岬的微细轴和多5 岬的微细孔，代 表了当前这一领域的世界前沿水平1 2 6 】。日本学者毛利尚武等在研究中发现，在电火花加 工工作液中添加一定量的s i 、a l 等微细粉末后，工件加工表面粗糙度会显著改善，能 够达到近似镜面的效果，且精加工时间也会大大缩短，这就是辊粉电火花加工技术，国 内学者也有很多相关研究【2 。7 2 引。使用管状电极，在管中通入一定压力的工作液，并且使 工具电极在加工过程中旋转，在工作液中加入不同类型、不同直径和含量的金属粉末， 摸索出了一些适宜的加工条件，这种对绝缘体的a n t 方法不但用于e d m ，而且也用于 w e d m ，目前已成功地在陶瓷材料中加工出了内螺纹孔，制作出了一些样件 2 9 1 。瑞士 a g i e 公司的a g u e t r o ne m t i 1 0 l f 精密成形电火花微细加工机床，可进行观0 岬 的孔、槽等的精微a n t ，电极最小直径为西1 0 p m ，粗糙度达r a0 0 8 p r 0 1 3 0 】。美国国际微 型工业公司开发的1 1 4 型多用途微型电火花机床，重约6 8k g ，可用于燃油喷嘴、喷墨 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 小孔、化纤喷丝板和超小型模具的精密加工，其最小加工孔径可达a b 2 5 p m l 3 l j 。德国的 k o c h 使用a g i e 公司的微细电火花加工机床加工微方型孔，其尺寸是2 5 x 3 8 p m 。新加 坡国立大学采用微细电火花加工技术在不锈钢上加工的微三角孔【3 引。国内哈尔滨工业大 学先后对线电极磨削方法、步进电机微步移动方法、电极仿生微进给装置的研究、蠕动 式小型电火花加工装置的研究和电损耗加工技术等方面做了探讨。首次提出并研制了基 于双定子驻波线性步进声波马达的电机直接驱动式电火花加工装置，并对电机直接驱动 式电火花加工的工作原理和工艺试验进行了深入系统的研究【3 3 】。清华大学与北京机电 研究院共同研制了一种采用蠕动式微进给机构的微细电加工装置，加工最小轴径为 a b 2 5 p m ，最小孔径为痧4 0 1 x r n m j 。 目前，电火花小孔加工的研究思路主要有两种，一种是通过研制新的专用电火花成 形机( 微小型加工装置或者微细电极的使用) 3 5 3 6 j ，从而降低加工参数，寻求更低的电 火花小孔加工的临界指标；另一种则是在一定加工条件下，通过改变加工工艺方法( 如 与其它加工方法结合或分流法电火花加工) ，从而改善小孔的电加工条件，得到更小孔 的加工方法。 我国生产的电火花加工机床主要是低档电火花加工机床，这类机床技术性能和加工 指标基本满足用户的需求，价位低廉，适合中、小企业使用。生产中机床配备专用的脉 冲电源实现对微小孔的加工，由于电源的最小脉宽和最小峰值电流是一定的，所以任何 一台电火花加工机床，其本身都有一定的稳定加工临界指标。如何突破其稳定加工时的 临界指标，使小孔尺寸在稳定加工指标以下时，表面粗糙度、放电间隙和电极损耗等都 在正常的范围内，且精度能够达到加工的要求，这是本文的研究重点。 1 4 课题的提出及论文主要工作 1 4 1课题的提出 等面积分流法电火花加工主要是基于峰值电流与单次脉冲放电能量的关系提出的。 通过多电极并联分流的方法分解机床的峰值电流，获得微小能量来突破机床的稳定加工 指标，用稳定加工参数，进行原电火花成形机床稳定加工指标以下的小孔加工。目前， 对其的研究非常少，对等面积分流法电火花加工的加工方法及加工方法稳定性的研究报 道更少。 对于电火花加工的模拟工作主要集中于对单脉冲放电点的数值模拟与分析，对重复 放电加工小孔过程的模拟与仿真较少。主要原因在于电火花小孔加工过程需要考虑的因 素较多，过程复杂，其热源模型影响因素多，模型建立较难，因此本文针对上面情况， 开展工作。 分流法小孔电火花加工数值模拟及试验 1 4 2 论文主要工作 等面积分流法小孔电火花加工，可以突破机床原有稳定加工临界指标，是一项可以 推广的技术，其机理及试验研究对其应用及推广具有重要意义，因此本课题主要解决的 问题分以下几个方面： ( 1 ) 深入研究分流法小孔电火花加工机理，了解工具电极与工件的相互作用理论， 建立等面积分流法电火花加工过程的数学模型，用来指导等面积分流法小孔电火花加工 的应用。 ( 2 ) 建立加工过程的简化模型，并对模型进行动态仿真，对单次脉冲放电的温度场 进行模拟分析，为电火花小孔连续加工提供借鉴，同时对电火花小孔加工的温度场和孔 径进行模拟仿真，得出定参数下，孔径及材料去除量的变化规律，为分流法小孔电火花 加工试验提供预测模型。 ( 3 ) 在不小于临界加工尺寸的条件下，进行等面积分流法小孔电火花加工试验。研 究单电极与多电极分流法电火花小孔加工过程中加工速度、电极损耗，以及放电间隙的 变化趋势，验证可以保证总加工面积不变而突破机床稳定加工孔的指标，加工过程平稳。 ( 4 ) 根据小方孔的等面积分流法电火花加工试验结果，总结此加工条件下的电火花 加工主要工艺指标( 加工速度、电极损耗和单边放电间隙随) 随电极增多的变化规律， 为以后试验、应用提供依据。 大连理工大学硕士学位论文 2等面积分流法小孔电火花加工基本原理 2 1等面积分流法小孔电火花加工过程 等面积分流法小孔电火花加工属于电火花加工【3 7 】，是在一定的介质中，利用两极( 并 联工具电极和工件电极) 之间脉冲性火花放电时的电腐蚀现象对材料进行加工的，需要 连续多次进行脉冲放电才能完成电火花加工，达到一定的形状尺寸和表面粗糙度的要 求。其原理是在不小于稳定加工临界尺寸的前提下，通过多电极的制作，使其总面积与 单电极面积相等，即多电极横截面积之和等于单电极横截面积，用机床稳定加工参数， 加工出小于机床稳定加工临界尺寸的d , t l 。同样，要把电火花放电转化为有用的加工技 术，必须满足以下几点： 工具电极和工件被加工表面之间保持一定的放电间隙。火花放电为瞬时脉冲性放 电，并在放电延续一段时间后，停歇一段时间，故电火花加工必须采用脉冲电源。火花 放电在一定绝缘性能的液体介质中进行，例如煤油、皂化液或去离子水等，以有利于产 生脉冲性的火花放电。同时，液体介质还能把电火花加工过程产生的金属小屑、碳黑等 电蚀产物从放电间隙中悬浮排出去，并且对工具电极和工件表面有较好的冷却作用。 自动进给 图2 1 电火花加工原理图 f i g 2 1 s c h e m a t i ci l l u s t r a t i o no fe d m 以上问题的综合解决，是通过图2 1 所示的电火花加工系统来实现的。工件和工具 分别与脉冲电源的两输出端相连接。自动进给调节装置( 此处为电动机及丝杆、螺母、 导轨) 使工具和工件间经常保持一很小的放电间隙，当脉冲电压加到两极之间时，便在 ， 分流法小孔电火花加工数值模拟及试验 当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿介质，在该局部产生火花放电， 瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉- - d , 部分金属，各自形成一个小凹坑【3 8 l ，如图2 2 所示。其中图2 2 ( a ) 表示每个电极单次脉冲放电后的电蚀坑，图2 2 ( b ) 表示每个电极 多次脉冲放电后的电极表面。脉冲放电结束后，经过一段间隔时间( 即脉间t o ) ，使工 作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上，会在当时极间距离相对最近或绝缘强 度最弱处击穿放电，又电蚀出一个小凹坑。这样连续不断地重复放电，工具电极不断地 向工件进给，就可将工具端面和横截面的形状复制在工件上，加工出所需要的和工具形 状相反的零件，整个加工表面由无数个小凹坑所组成。 鋈麓 ，一= ：) 、一_ 一 ( a ) 单个脉冲放电后的电蚀坑( b ) 多次脉冲放电后的电极表面 ( a ) p i ta f t e ro n ep u l s ec o ) p i t sa f t e rs e v e r a lp u l s e s 图2 2电火花加工表面局部放大图 f i g 2 2m a g n i f i c a t i o no fo n es e g m e n tf o rp r o c e s s e ds u r f a c e 等面积分流法电火花加工过程中，电极材料的蚀除过程也是火花放电时电场力、磁 力、热力、流体动力、电化学及胶体化学等综合作用的过程。作为工具的并联电极与加 工工件均放在一定介质中，在液体介质小间隙中进行单次脉冲放电。材料的电腐蚀过程 大致可分为介质的击穿和通道的形成、能量的转换和传递、电蚀产物的抛出等连续过程。 实现电火花加工，必须连续多次进行脉冲放电，为使每次脉冲放电正常进行，在相邻两 次脉冲放电之间还要有消电离与极间介电性能恢复的过程，图2 3 是单个电极火花放电 加工的原理图例。 加酶菝 ( a )电火花加工示意图 ( b ) 放电通道示意图 ( c ) 电火花加工形成的凹痕 ( a ) i l l u s t r a t i o no fe d m ( b ) i l l u s t r a t i o no fd i s c h a r g i n gc h a n n e l ( c ) p i ti ne d m 图2 3电火花放电加工的原理图 f i g 2 3 s k e l e t o nd r a w i n go fe d m 大连理工大学硕士学位论文 当脉冲电压施加到工具与工件电极之间时，极间介质被击穿并形成与电极个数相同 的细小放电通道。在每条放电通道中，电子和离子受到放电时电磁力和周围液体介质的 压缩作用，而截面积很小，使得通道中的电流密度极大。每条放电通道均是由数量大体 相等的带正电粒子( 正离子) 和带负电粒子( 电子) 以及中性粒子( 原子或分子) 组成的等 离子体。在极间电场的作用下