削邊電極深小孔微細(xì)電火花間隙流場仿真研究

張 雷,王玉魁,耿雪松,王振龍

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001)

微細(xì)電火花加工可以不受材料剛度和硬度的限制,而在所需材料上加工高精度、大深寬比微細(xì)三維結(jié)構(gòu),滿足日益增長的產(chǎn)品微小型化及形狀復(fù)雜化的需求。在工程實際中,深小孔件應(yīng)用極廣,卻屬難加工的機(jī)械零件,很難甚至無法用常規(guī)的機(jī)械加工方法完成。因此,微細(xì)電火花加工成為深小孔加工的一種主要手段。一般情況下,小孔的直徑范圍為0.1～2.0 mm,微孔為直徑小于0.1 mm的孔,深孔是指深徑比大于10以上的孔[1]。

微細(xì)電火花加工中,工作液在放電間隙中的流動狀態(tài)決定了電蝕產(chǎn)物在間隙內(nèi)的分布,因此間隙流場的狀態(tài)直接影響著電蝕產(chǎn)物能否順利排出,從而將對加工速度產(chǎn)生極大的影響,尤其在深小孔加工中,影響更為明顯。因此,在深小孔微細(xì)電火花加工中,為了提高加工速度,除了在加工中加入抬刀控制外,往往還利用削邊電極進(jìn)行深小孔加工。在此方面,2004年,日本 Serkan CETIN等人利用Star-cd軟件建立了電火花加工間隙流場的模型,分析電極往復(fù)運動過程中流場的變化,并計算了電蝕產(chǎn)物在流場中的分布。但此研究將間隙流場簡化為二維情況,只適用間隙很小可忽略厚度或流場為完全軸對稱的結(jié)構(gòu)(如圓柱電極)的情況[2]。2009年,美國Masahiro Fu jiki等人進(jìn)行了準(zhǔn)干式電火花銑削中電極朝向和流體流動率的研究。文中使用Fluent預(yù)測絕緣工作液的流動率,并定性地與EDM實驗測得的材料去除率進(jìn)行比較,找到了準(zhǔn)干式電火花銑削最合適的升角[3]。2008年,上海交通大學(xué)的李建功分別對圓柱電極和螺旋電極的底面和側(cè)面間隙流場進(jìn)行了仿真,用仿真結(jié)果說明了螺旋電極比圓柱電極加工速度高的原因,以及電極旋轉(zhuǎn)速度與加工速度的關(guān)系,并進(jìn)行了螺旋電極的形貌優(yōu)化[4]。由此可見,到目前為止,雖然有專家學(xué)者在微細(xì)電火花間隙流場仿真方面做了一些研究,但削邊電極比圓柱電極加工速度高的機(jī)理至今仍不完全明確。

由分析可知,削邊電極在容削空間上較圓柱電極有所增加,導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物排出空間增大,這是其加工速度比圓柱電極高的一個原因。但削邊電極由于形貌的不對稱性,導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)時對流場也產(chǎn)生很大影響。本文從其對流場的影響方面探討削邊電極提高加工效率的原因,建立了圓柱電極和削邊電極的電火花加工仿真模型。通過對加工過程間隙流場的仿真,說明削邊電極提高加工速度的原因。

1 深小孔電火花加工實驗

1.1 實驗條件

本文采用哈爾濱工業(yè)大學(xué)自主研制的五軸四聯(lián)動微細(xì)電火花加工機(jī)床進(jìn)行實驗,驗證圓柱電極和削邊電極的加工速度關(guān)系。所采用的實驗參數(shù)見表1。其中電極材料為鎢,工件材料為45鋼,工作液為煤油。圖1為實驗用微細(xì)電火花加工機(jī)床實物圖。

表1 試驗參數(shù)表

圖1 機(jī)床實物圖

1.2 實驗數(shù)據(jù)處理

此實驗所采用的圓柱電極直徑為0.4mm,削邊電極尺寸見圖2。兩種電極的CCD圖片見圖3,其中削邊電極的XOZ面如圖2中所示。

圖2 削邊電極尺寸

圖3 實驗電極CCD圖片

分別用兩種電極進(jìn)行無抬刀的小孔加工實驗,記錄加工時間與孔深的關(guān)系,然后進(jìn)行以e為底的負(fù)指數(shù)函數(shù)擬合,得到的擬合結(jié)果見圖4,并得到圓柱電極和削邊電極加工時間與孔深的擬合曲線的表達(dá)式分別為:

式中:t為加工時間,m in;hc為圓柱電極孔深,mm;hf為削邊電極孔深,mm。

圖4 圓柱電極和削邊電極加工時間與孔深的關(guān)系曲線

設(shè)整個實驗過程孔徑不變,且實驗后實際測量圓柱電極所加工的孔徑為0.53 mm,削邊電極所加工的孔徑為0.51mm,則圓柱電極和削邊電極的深徑比表達(dá)式分別為:

式中:kc為圓柱電極深徑比;kf為削邊電極深徑比。

由實驗數(shù)據(jù)中相鄰兩點的孔深可得加工過程中的加工速度值,將對應(yīng)時間的深徑比與加工速度進(jìn)行擬合,得到深徑比與加工速度的關(guān)系曲線(圖5)。由圖可知,在整個加工過程中,削邊電極的加工速度都高于圓柱電極。此外,圓柱電極在本實驗參數(shù)下能達(dá)到的最大深徑比約為5.5。當(dāng)深徑比達(dá)到5.5之后,加工過程中機(jī)床坐標(biāo)雖然還在增加,但損耗的幾乎全是電極,由于本圖所示為去損耗的加工速度,因此加工速度約為0。同理,削邊電極在深徑比超過10后,加工速度也很低。

圖5 圓柱電極和削邊電極深徑比與加工速度的關(guān)系曲線

2 間隙流場仿真分析

為了尋找削邊電極加工速度比圓柱電極高的原因,本文利用有限元仿真的方法,通過建立電火花加工間隙流場的Fluent模型來進(jìn)行模擬。

2.1 理論模型

為了實現(xiàn)對電火花加工間隙流場的仿真,需對工作液做如下假設(shè):①間隙流體是不可壓縮的連續(xù)介質(zhì);②流場穩(wěn)定后處于穩(wěn)態(tài),流場物理量只與空間歐拉坐標(biāo)有關(guān),而與時間無關(guān)。由以上假設(shè)可得工作液的連續(xù)性方程,運動方程和能量方程分別為:

2.2 幾何模型

本文建立了微細(xì)電火花加工間隙流場的仿真模型,其主要研究對象為圖6中所示的工作液?？紤]到在電極出口位置以外的流體也會影響放電間隙處電蝕產(chǎn)物的排出,故除了放電間隙外,還考慮了一部分自由液面的液體。

圖6 電火花加工間隙流場幾何模型

圖7所示為利用Gambit建立的圓柱電極和削邊電極的仿真模型及其網(wǎng)格劃分情況[5]。本文利用Gambit進(jìn)行模型的建立以及網(wǎng)格的劃分,然后在Fluent中進(jìn)行運算求解,最后利用Tecplot軟件進(jìn)行后處理,從而得到結(jié)果。

圖7 圓柱電極和削邊電極的幾何模型及網(wǎng)格劃分

2.3 邊界條件及仿真參數(shù)的設(shè)定

本文中將網(wǎng)格劃分為四面體結(jié)構(gòu),并取轉(zhuǎn)速為4 000 r/m in。工作液的上表面(自由液面)隨流體旋轉(zhuǎn),設(shè)定其為對稱邊界。在削邊電極的建模過程中,設(shè)定有一直徑比削邊電極直徑稍大的圓柱狀流體,這些流體以Moving Mesh形式及4 000 r/min的速度勻速旋轉(zhuǎn),帶動流場中其余部分流體及壁面運動。流體介質(zhì)設(shè)定為煤油,并考慮重力加速度的影響,從而得到仿真結(jié)果。

2.4 仿真結(jié)果分析

現(xiàn)在按照前面所做的兩組實驗來進(jìn)行仿真模型的建立。取兩種電極加工到孔深為1.5mm時進(jìn)行仿真。此時所加工的兩個孔的孔徑都是0.5 mm,則單邊側(cè)面放電間隙均設(shè)置為50μm。而在放電過程中,底面放電間隙不易測量,故使用經(jīng)驗公式進(jìn)行估算。由于至今沒有削邊電極的底面放電間隙估算公式,因此削邊電極底面放電間隙近似采用圓柱電極底面放電間隙公式進(jìn)行估算。

本文采用井上潔的經(jīng)驗公式估算底面放電間隙。由實驗數(shù)據(jù)可近似得出底面放電間隙為45 μm。再假設(shè)加工間隙外的自由液面為圓柱形,其半徑為1mm,高度為0.5mm。按照這些參數(shù),在Fluent中建立仿真模型進(jìn)行運算,得到仿真結(jié)果。

圖8～圖11為圓柱電極流場任一軸向剖面的速度曲線和流線及其放大圖。由圖可知,在不考慮放電爆炸力的情況下,側(cè)面間隙流場中大部分區(qū)域的豎直方向速度為0。雖然在出口位置流體有豎直方向速度,但數(shù)值很小,這個速度主要是因為考慮了重力,且圓柱電極側(cè)面放電間隙處的流線為環(huán)形。由此可知,在側(cè)面放電間隙處,電蝕產(chǎn)物會隨著流線圍繞電極做圓周運動,從而導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物排出困難。

圖12～圖15為削邊電極流場YOZ剖面的速度曲線和流線。由圖可知,在同樣考慮重力而不考慮放電爆炸力的情況下,由于削邊電極的形貌,導(dǎo)致其側(cè)面間隙流場在出口處和底面放電間隙處有明顯的豎直方向的速度分量,且其流線不再是圍繞著電極的環(huán)形,而是呈螺旋狀上升。此時電蝕產(chǎn)物會隨著流場流線而向上運動,從而加速了電蝕產(chǎn)物從放電間隙的排出。

圖16為XOY平面上削邊電極豎直方向的速度圖。由圖可知,在整個流體區(qū)域中,流場豎直方向速度的最大值不在XOZ或YOZ面上,而是在與這兩個面呈大約45°角的截面上,本文稱此截面為中間截面。由于在中間截面上流場有最大的豎直方向速度分量,因此在此截面上電蝕產(chǎn)物運動最劇烈,從放電間隙中排出的也最多。本文主要從此截面分析電蝕產(chǎn)物的流動狀態(tài)。

圖16 削邊電極XOY面的速度曲線

假設(shè)削邊電極加工后的孔徑為0.5 mm,設(shè)定孔深分別為0.5～5 mm,分析深徑比在10以內(nèi)時,中間截面上出口處與底面放電間隙處豎直方向速度差與兩者之間距離的比值,本文定義此值為平均速度差。由此得到其與加工速度的比較(圖17)。由圖可知,在深徑比較小時,加工速度很高,對應(yīng)的平均速度差很大;在深徑比較大(在10左右時),加工速度很低,平均速度差也很小。即隨著深徑比的增加,平均速度差和加工速度都逐漸降低。如果將加工速度0.25 mm/min設(shè)定為速度較低的閾值時,則在本實驗參數(shù)下所對應(yīng)的深徑比約為6.6,對應(yīng)的削邊電極出口處和底面放電間隙處的平均速度差約為7.2 s-1?？梢哉J(rèn)為,在本實驗參數(shù)下,當(dāng)平均速度差達(dá)到7.2 s-1時,加工效率約為0.25mm/m in。

圖17 深徑比與平均速度差及加工速度關(guān)系曲線

3 總結(jié)

本文建立了圓柱電極和削邊電極的電火花加工仿真模型,通過對加工過程間隙流場的仿真,發(fā)現(xiàn)削邊電極的間隙流場中存在豎直方向速度分量,而圓柱電極在相應(yīng)位置則沒有豎直方向速度分量。由此得到削邊電極加工速度高的原因,并給出可以認(rèn)為加工速度很低的閾值所對應(yīng)的平均速度差。

[1] 王振龍,朱保國,田錫清.氣體介質(zhì)中深小孔電火花加工技術(shù)研究[J].航空學(xué)報,2007,28(2):460-463.

[2] Cetin S,Okada A,Uno Y.Effect of debris distribution on wall concavity in deep-hole EDM[J].JSME International Jou rnal 2004,47(2)553-555.

[3] FujikiM,Ni J,Shih A J.Investigation of the effectsof electrode orientation and fluid flow rate in near-d ry EDM m illing[J].International Journal of Machine Tools&Manufacture,2009,49:749-758.

[4] 李建功,許加利,裴景玉.基于 Fluen t電火花深小孔加工間隙流場的研究[J].電加工與模具,2009(2):18-22.

[5] 賈振元,鄭新毅,王福吉.微孔電火花加工極間工作液流動狀態(tài)研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報,2010,50(2):188-193.