電火花線切割加工電極絲損耗的溫度場仿真研究

李朝將,白基成,郭永豐,馬 偉,李冬慶

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院,黑龍江哈爾濱 150001;2.哈工大-江蘇冬慶數(shù)控機(jī)床工程技術(shù)研究中心,江蘇泰州 225300)

電火花線切割加工過程中存在著電極絲的損耗,不僅會(huì)影響加工精度,而且會(huì)因電極絲的過度損耗而發(fā)生斷絲。由于其特殊的加工機(jī)理及加工機(jī)理的復(fù)雜性[1],目前沒有較為成熟的理論來解釋這一現(xiàn)象。因此開展電極絲損耗機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究,不僅有助于完善電火花線切割加工機(jī)理,而且對(duì)于指導(dǎo)在實(shí)際生產(chǎn)中提高加工精度和加工效率同樣具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 機(jī)理分析

電火花線切割加工機(jī)理與電火花成形加工機(jī)理基本一致,也分為極間介質(zhì)的電離、擊穿,形成放電通道;介質(zhì)熱分解,電極材料熔化、汽化熱膨脹;電極材料的拋出和極間介質(zhì)的消電離4個(gè)階段。但電火花線切割作為一種獨(dú)特的電加工方法又有其特殊性,例如加工狀態(tài)不穩(wěn)定,沒有穩(wěn)定的電弧放電狀態(tài),擊穿延時(shí)與擊穿后的放電狀態(tài)無關(guān),高速走絲電火花線切割加工存在“疏松接觸”式放電現(xiàn)象等。

與電火花成形加工不同,高速走絲電火花線切割加工采用高速運(yùn)動(dòng)的電極絲作為工具電極,故電火花線切割加工在機(jī)理方面存在著獨(dú)有的特點(diǎn)。由于放電過程中電極絲的高速運(yùn)動(dòng),必然會(huì)對(duì)放電通道帶來影響,即在脈沖放電周期內(nèi),放電通道并不是始終在開始擊穿的位置附近作高頻振動(dòng),而是在電極絲運(yùn)動(dòng)的影響下,放電通道發(fā)生以一定規(guī)律的明顯移動(dòng)[2-3]。由于電極絲的運(yùn)動(dòng),放電通道受到電場力、磁場力和流體動(dòng)力等一系列力的作用,必然會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于電極絲運(yùn)動(dòng)速度滯后的現(xiàn)象,即放電通道以差動(dòng)的規(guī)律運(yùn)動(dòng)(圖1)。

圖1 電火花線切割加工中放電通道移動(dòng)示意圖

脈沖放電通道的位置受快速移動(dòng)的電極絲的影響,放電蝕除坑呈長槽形,脈寬越大槽形越長。通過分析,測(cè)算出放電通道的移動(dòng)速度大約是電極絲運(yùn)動(dòng)速度的二分之一[1]。通過對(duì)放電通道移動(dòng)特性的量化,為后續(xù)的電火花線切割加工過程的溫度場分析提供了一定的參考依據(jù)。

2 溫度場仿真

為了對(duì)電火花線切割加工機(jī)理進(jìn)行研究,在進(jìn)行機(jī)理實(shí)驗(yàn)前,可借助有限元軟件進(jìn)行分析。本文使用ANSYS12.0通過APDL語言進(jìn)行參數(shù)化仿真。

2.1 仿真模型的確定、系數(shù)分配、熱源分析等

在進(jìn)行電火花線切割加工放電過程溫度場仿真分析之前,根據(jù)實(shí)際加工情況和分析的需要進(jìn)行一些簡化處理,其中的簡化條件如下:①電極材料均勻、各向同性;②熱源為高斯熱源;③一個(gè)脈沖只形成一個(gè)放電通道;④放電通道為圓柱形,通道半徑恒定;⑤放電通道勻速移動(dòng);⑥熱量的傳導(dǎo)為熱傳導(dǎo)和對(duì)流散熱,忽略熱輻射的熱量損失。

電火花線切割加工電極絲溫度場分析屬于非線性瞬態(tài)問題,根據(jù)Fourier熱傳導(dǎo)理論,圓柱坐標(biāo)系下的非線性瞬態(tài)三維熱傳導(dǎo)模型為:

式中:T為溫度,℃;t為時(shí)間,s;c為材料的比熱容,J/(kg·℃);ρ為材料的密度,kg/m3;為材料的導(dǎo)熱系數(shù),W/(m·℃);r,z為放電點(diǎn)的圓柱坐標(biāo)位置,m。

在電火花線切割加工過程中,放電加工中的能量分配到陰極、陽極和放電通道中。而對(duì)于放電能量的分配,目前尚未得到統(tǒng)一的結(jié)論。綜合前人的研究成果,在本次仿真中采用的陰極和陽極的能量分配系數(shù)分別為16%和35%。

采用R(t)=2.4×10-3×t0.4×i0.4e作為通道半徑的依據(jù)[2]。

在電火花線切割加工中起重要作用的是表面熱源,它是由放電通道中高溫的等離子體把大量的能量傳遞給電極表面形成的。在放電某一瞬間,可忽略電極絲運(yùn)動(dòng)對(duì)放電通道移動(dòng)的影響,即認(rèn)為是定點(diǎn)放電,此時(shí)電極表面的熱源是不均勻的。由于放電通道中帶電粒子的密度符合高斯分布,即通道中心處帶電粒子的密度最高,邊緣處的帶電粒子的密度降低,故作用在電極表面的熱流密度也會(huì)呈現(xiàn)高斯分布[2](圖2)。

圖2 熱流密度的高斯分布示意圖

2.2 溫度場仿真,有限元分析

鉬的熱導(dǎo)率和比熱容隨溫度的變化見表1。

在仿真中,取周圍的溫度為電極絲的初始溫度,即 T=25℃。

表1 鉬隨溫度變化的物性參數(shù)

電極絲溫度場分析的分析邊界條件:

式中:h為流體介質(zhì)與電極絲表面的對(duì)流換熱系數(shù);TL為流體介質(zhì)的溫度,K;TS為電極絲表面的溫度,K。

在仿真中,采用四分之一圓柱面進(jìn)行建模,通過以上的仿真條件、劃分網(wǎng)格、加載和求解,得到仿真結(jié)果(圖3)。

圖3 單次放電移動(dòng)電極絲溫度場仿真

2.3 仿真分析

在加工電壓 25 V,電流上升斜率2 A/μs,絲速為4.37 m/s,能量分配系數(shù) 0.16,熱對(duì)流系數(shù)為800,不考慮脈間影響的條件下,分析峰值電流與脈寬的比值對(duì)蝕除坑尺寸的影響(圖4)。

在脈寬45μs,加工電壓25 V,峰值電流30 A,絲速為4.37 m/s,能量分配系數(shù)0.16,熱對(duì)流系數(shù)為800,不考慮脈間影響的條件下,分析電流上升斜率對(duì)蝕除坑尺寸的影響。當(dāng)電流上升斜率為1、1.5、2、2.5、3 A/μs時(shí) ,蝕除坑大小見圖 5。

圖4 不同峰值電流與脈寬比值對(duì)蝕除尺寸的影響

圖5 不同電流上升斜率對(duì)蝕除坑尺寸的影響

在脈寬20μs,加工電壓25 V,峰值電流30 A,電流上升斜率 6 A/μs,絲速為 4.37 m/s,能量分配系數(shù)0.16,熱對(duì)流系數(shù)為800的條件下,分析脈間對(duì)電極絲溫度分布的影響。當(dāng)占空比為1/8、1/9、1/10時(shí),電極絲上的溫度分布見圖6。

圖6 不同占空比對(duì)溫度分布的影響

利用ANSYS進(jìn)行連續(xù)放電時(shí)電火花線切割加工電極絲的溫度場仿真。選擇仿真條件:脈寬45 μs,脈間45μs,加工電壓 25 V,電流上升斜率 1 A/μs,峰值電流30 A,忽略電極絲的移動(dòng),在某位置進(jìn)行集中的連續(xù)放電。不同放電次數(shù)下放電結(jié)束后電極絲的最高溫度見圖7。

圖7 放電次數(shù)對(duì)放電結(jié)束后電極絲最高溫度的影響

為了驗(yàn)證電火花線切割加工電極絲損耗溫度場仿真結(jié)果的正確性,進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比,實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)定為脈寬40μs,加工電壓25 V,峰值電流 25 A,電流上升斜率為2 A/μs。電極絲運(yùn)動(dòng)速度為4.37m/s,不考慮脈間的影響。在同樣電參數(shù)情況下,通過電火花線切割加工電極絲單脈沖溫度場仿真得到蝕除坑的尺寸為55μs×60μs×9μm。仿真得到的體積為2 720.18 mm3。實(shí)際加工電極絲的最終絲徑157 μm,加工用電極絲的長度約為100 m,蝕除體積為2 333.81mm3。仿真得到的體積誤差為實(shí)際加工體積的11.77%,考慮加工中存在鍍覆等其他因素的影響,仿真結(jié)果基本上滿足要求,可以說明仿真過程的正確性。

3 試驗(yàn)研究

試驗(yàn)設(shè)備:MNC-A往復(fù)走絲線切割機(jī)床;工件:40 mm厚的C r12淬火鋼;電極絲:直徑 0.18 mm的鉬絲;工作液:JR3A線切割專用復(fù)合乳化液;

測(cè)量工具:精度為1μm的杠桿千分尺,Tektronix TDS3034C示波器,Mitutoyo粗糙度測(cè)量儀。

為了有效安排實(shí)驗(yàn),首先對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)中,主要考慮電參數(shù)對(duì)加工速度和表面質(zhì)量的影響。即考慮脈寬、脈間、峰值電流和電流上升斜率對(duì)加工速度和表面質(zhì)量的影響。探索實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 峰值電流與脈寬比值的變化對(duì)加工速度和表面粗糙度Ra的影響

對(duì)于峰值電流與脈寬的比值對(duì)電極絲損耗的影響,采用每10 000 mm2下電極絲絲徑的變化來衡量。加工速度、表面質(zhì)量和電極絲損耗與峰值電流與脈寬比值的關(guān)系見圖9～圖11。

圖9 峰值電流與脈寬比值的變化對(duì)加工速度的影響

圖10 隨峰值電流與脈寬比值的變化對(duì)表面粗糙度Ra的影響

圖11 峰值電流與脈寬比值的變化對(duì)電極絲損耗的影響

由圖9～圖11可看出,隨著峰值電流與脈寬比值的增大,每安培下的加工速度略有降低。其原因可能是由于在加工過程中變頻設(shè)定得不恰當(dāng)以及占空比的不同造成的。表面質(zhì)量逐漸變差的原因是當(dāng)峰值電流與脈寬的比值增大時(shí),能量的集中程度增大,對(duì)材料的蝕除量增加,因此會(huì)形成較大的放電蝕除坑,使加工工件的表面粗糙度值變大。而電極絲單位加工面積的損耗出現(xiàn)大幅度增加的原因是,在電流上升斜率不變的情況下,隨著峰值電流與脈寬比值的增大,電流密度增大,電子對(duì)電極絲的沖擊作用增強(qiáng),同時(shí)強(qiáng)化了脈間階段的電解作用,減弱了鍍覆作用,造成了絲損加劇。實(shí)驗(yàn)得到的電極絲見圖12。

4 結(jié)論

圖12 對(duì)比實(shí)驗(yàn)加工后電極絲表面形貌及新電極絲表面形貌

通過對(duì)電火花線切割加工機(jī)理的分析,綜合考慮了對(duì)流和熱傳導(dǎo)、隨溫度變化的物性參數(shù)和放電通道的移動(dòng)問題,建立了較為完善的熱力學(xué)模型;并針對(duì)脈寬與峰值電流的比值、電流上升斜率、脈間和連續(xù)放電對(duì)加工的影響進(jìn)行了ANSYS溫度場分析,減小峰值電流與脈寬比值和降低電流上升斜率,可減小電極絲損耗的措施。

本項(xiàng)目得到了江蘇冬慶數(shù)控機(jī)床院士工作站(BM 2009634)項(xiàng)目的資助,特此致謝!

[1] 劉晉春,白基成,郭永豐.特種加工技術(shù)[M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2009.

[2] Han Fuzhu,Jiang Jun,Yu Dingwen.In?uence of discharge current on machined surfaces by thermo-analysis in?nish cut of WEDM[J]//International Journalof Machine Tools&Manufacture,2007:1187-1196.

[3] 李明輝.電火花加工理論基礎(chǔ)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1989.