基于ANSYS的超聲電火花加工溫度場(chǎng)分析

車江濤，祝錫晶，王建青，孔文軍

(中北大學(xué)山西省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030051)

超聲電火花加工是一種在普通電火花加工的基礎(chǔ)上附加超聲振動(dòng)的一種微加工方法，特點(diǎn)是加工效率高、成形表面質(zhì)量好，因此在難加工材料和復(fù)雜型腔領(lǐng)域得到應(yīng)用［1－2］。

普通電火花加工過(guò)程中，工件電極與工具電極原本是分開(kāi)的，沒(méi)有形成回路。主軸的軸向進(jìn)給，使得工具與工件一步步靠近。當(dāng)減小到一定距離后，工作液會(huì)被擊穿，形成放電通道，釋放的能量使得工件表面一部分材料被拋出，形成一個(gè)個(gè)小凹坑［3－4］。超聲的空化作用會(huì)把形成的凹坑表面慢慢平整，而超聲的渦流作用會(huì)帶動(dòng)工作液流動(dòng)，使釋放的能量盡快傳遞出去。而放電點(diǎn)周圍溫度場(chǎng)的分布通過(guò)反映能量的分配對(duì)加工表面起到一定的預(yù)測(cè)作用，也可以對(duì)電參數(shù)的選擇具有一定的指導(dǎo)作用。

1 模型的建立

1.1 數(shù)學(xué)模型的建立

電火花加工機(jī)床主軸的Z方向上下運(yùn)動(dòng)決定了脈沖放電作用在工件表面的能量是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程:加工時(shí)溫度很高，然后一部分能量在工件內(nèi)部傳遞，一部分被帶到工作液中，所以材料的物理屬性也是一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化［5］。因此根據(jù)經(jīng)典的Fourier熱傳導(dǎo)理論得:

1.2 物理模型的建立

圖1為建立的超聲電火花加工物理模型。隨著兩電極的靠近，超聲帶動(dòng)煤油加工液的流動(dòng)以及帶來(lái)的空化、泵吸和渦流作用，在工作液介質(zhì)分子的加速?zèng)_擊以及工作液中氣體爆炸的共同作用下，擊穿介質(zhì)，形成一個(gè)呈高斯［6］分布的放電通道。

圖1 超聲電火花加工物理模型

1.3 材料的熱物理性能參數(shù)

對(duì)45號(hào)鋼進(jìn)行超聲電火花加工，其熱物理性能參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 45號(hào)鋼的物性參數(shù)

由表1可知，45號(hào)鋼各物性參數(shù)都是溫度的函數(shù)，隨溫度的變化呈現(xiàn)出一定的規(guī)律。當(dāng)溫度變化范圍比較小時(shí)，可以用平均值進(jìn)行近似計(jì)算。但是，在電火花加工過(guò)程中，工作液被擊穿后，作用在工件表面的能量相當(dāng)大，最高溫度可達(dá)幾千度，往外呈現(xiàn)出一種遞減趨勢(shì)，變化范圍很廣，所以，如果把45號(hào)鋼的物理性能參數(shù)看作是一個(gè)常數(shù)，計(jì)算結(jié)果就會(huì)出現(xiàn)比較大的誤差，因此，在利用ANSYS軟件進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬分析時(shí)，要把各溫度對(duì)應(yīng)的物理參數(shù)一一輸入，然后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行差值分析［7］。

1.4 加工表面質(zhì)量參數(shù)

圖2是單次電火花脈沖加工后形成的凹坑的截面形狀，持續(xù)加工產(chǎn)生的小凹坑相互疊加最終構(gòu)成工件的加工表面。從圖2中看出，每個(gè)凹坑的形貌主要由凹坑直徑和凹坑深度決定，因此，凹坑直徑和深度決定著最終形成的工件表面。

圖2 放電凹坑斷面幾何形狀

2 ANSYS模擬的求解與分析

2.1 建模和網(wǎng)格劃分

超聲電火花放電加工時(shí)，單脈沖放電只會(huì)作用在工件表面上的一個(gè)點(diǎn)，加工面積相對(duì)于工件來(lái)說(shuō)小的多，而且加工是在極短的時(shí)間內(nèi)完成的，因此可以看做微小面熱源對(duì)無(wú)限大物體的瞬時(shí)加熱。由于電火花加工的物理模型和載荷都具有對(duì)稱性，為簡(jiǎn)便起見(jiàn)，建立一個(gè)二維模型，使用線上網(wǎng)格密度控制方法進(jìn)行非均勻網(wǎng)格劃分，結(jié)果如圖3所示。

圖3 電火花網(wǎng)格劃分模型

2.2 溫度場(chǎng)的分布

在加工過(guò)程中，加工的極間電壓通常比開(kāi)路的極間電壓小很多，為20～25 V［8］。從圖4溫度場(chǎng)分布可以很明顯的看出放電時(shí)中心溫度很高，將近10 000℃，往外溫度成遞減趨勢(shì)。當(dāng)能量很高時(shí)，工件表面的能量在很短時(shí)間內(nèi)難以及時(shí)釋放，極容易使材料達(dá)到沸點(diǎn)，直接汽化，在電極和工作液分子的加速?zèng)_擊力及加工液中氣體爆炸力共同作用下被拋出工件表面，這種汽化蝕除的方式是材料去除的的主要手段;由于45號(hào)鋼的導(dǎo)熱屬性，一部分熱量被傳遞到45號(hào)鋼的其他部分，隨著蝕除深度的增加，溫度呈現(xiàn)遞減趨勢(shì)，當(dāng)溫度降低到材料的沸點(diǎn)以下，接近熔點(diǎn)時(shí)，這部分材料就會(huì)被熱量熔化，然后被飛濺出工件;當(dāng)溫度繼續(xù)降低，即低于材料的熔點(diǎn)，材料就不能再被去除了。由于汽化的蝕除量大于熔化的輸出量，但加工表面質(zhì)量相對(duì)而言會(huì)比較低，因此在加工時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要來(lái)選擇電參數(shù)。

圖4 電火花加工溫度場(chǎng)分布圖

2.3 功率密度對(duì)凹坑形貌的影響

從圖5所示的放電凹坑深度和表面粗糙度與功率密度的關(guān)系曲線可以發(fā)現(xiàn)，隨功率密度的不斷增加，其凹坑深度和表面粗糙度表現(xiàn)出線性關(guān)系。因?yàn)殡S著功率密度的增大，必然會(huì)導(dǎo)致加工點(diǎn)釋放能量的增加，進(jìn)而使凹坑變大，表面更加粗糙，這與實(shí)驗(yàn)過(guò)程中得到的數(shù)據(jù)保持一致。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中隨機(jī)因素的影響導(dǎo)致曲線并不光滑。

圖5 功率變化對(duì)凹坑形貌的影響

2.4 加工電流對(duì)凹坑形貌的影響

雖然放電電壓和放電電流都對(duì)加工質(zhì)量有影響，但理論分析認(rèn)為，在加工過(guò)程中，電壓比較小，變化也不大，對(duì)加工的影響有限，而之所以可以在短時(shí)間內(nèi)釋放出大量能量，應(yīng)該是加工電流起的作用。因此，在實(shí)驗(yàn)中，規(guī)定脈寬為20 μs時(shí)，探討加工電流和凹坑直徑的關(guān)系。通過(guò)數(shù)據(jù)的采集以及運(yùn)用Matlab分析，如圖6所示，伴隨著加工電流的加大，凹坑深度也急劇增加，與圖4相比發(fā)現(xiàn)，在凹坑深度變化的過(guò)程中，加工電流的作用更為顯著，這與理論假設(shè)相吻合。但是，凹坑直徑并不是與電流大小呈正比例關(guān)系，而是電流越大，曲線斜率反而下降，主要是超聲振動(dòng)的空化作用，對(duì)形成的凹坑外延有一定的清洗作用，使得凹坑深度H變小，外形更加規(guī)則，從而使得表面粗糙度降低了。

圖6 加工電流對(duì)凹坑形貌的影響

2.5 脈寬對(duì)凹坑形貌的影響

圖7 脈寬對(duì)凹坑形貌的影響

從圖7中可以看出，脈寬對(duì)凹坑的影響是很明顯的。因?yàn)槊}寬的大小直接影響著加工區(qū)能量的釋放，因此，當(dāng)脈寬比較小時(shí)，能量比較小，材料的主要去除以熔化去除為主，凹坑小，表面比較規(guī)則;當(dāng)脈寬較大時(shí)，加工時(shí)釋放的能量比較多，材料主要以汽化方式去除，不斷濺射出來(lái)，導(dǎo)致凹坑直徑比較大，工件表面不規(guī)則，粗糙度高。之所以在脈寬變大以后，直線曲率變小，是因?yàn)槌駝?dòng)的作用。超聲振動(dòng)可以起到攪動(dòng)工作液的流動(dòng)，使得釋放的能量可以盡快的傳遞出去，減少能量的聚集，對(duì)凹坑的規(guī)則分布起到一定的作用。

3 結(jié)論

通過(guò)ANSYS軟件對(duì)超聲電火花加工45號(hào)鋼的溫度場(chǎng)分析，發(fā)現(xiàn)加工表面質(zhì)量與功率密度、脈寬和加工電流成線性關(guān)系;實(shí)驗(yàn)得出，峰值電流和脈寬是決定加工表面質(zhì)量的兩個(gè)主要因素。分析結(jié)果得到了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。因此，溫度場(chǎng)的模擬分析，對(duì)45號(hào)鋼的超聲電火花加工具有一定指導(dǎo)意義。

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