電火花加工表面微織構(gòu)仿真與實(shí)驗(yàn)研究

趙昌龍 王旭旭 呂起印 馬 晨 馬振榮

(長(zhǎng)春大學(xué)機(jī)械與車輛工程學(xué)院，吉林 長(zhǎng)春 130022)

自20世紀(jì)80年代，表面織構(gòu)因其具有抗磨、抗粘附、減阻、減振等優(yōu)越性能而被應(yīng)用于多個(gè)方面[1-2]，對(duì)表面織構(gòu)的研究也逐漸成為熱點(diǎn)，一些基于表面織構(gòu)改性后的產(chǎn)品隨之而生。表面織構(gòu)以凹坑狀、溝槽狀、凸包狀和鱗片狀等為主[3]，目前研究人員大多通過(guò)在物體表面設(shè)計(jì)凹坑或溝槽來(lái)提高界面性能。宋起飛[4]、于海武[5]等人在試樣表面設(shè)計(jì)出不同規(guī)則形狀的微織構(gòu)，并得出凹坑織構(gòu)表現(xiàn)出的性能最為優(yōu)越?？姵繜榌6]等人在鑄鐵表面設(shè)計(jì)多間距梯度變化的溝槽織構(gòu)，得出等間距梯度溝槽織構(gòu)有最佳的表面性能。楊輝[7]等人對(duì)航天飛行器表面加工的溝槽微織構(gòu)進(jìn)行分析，其不僅可以減小在飛行時(shí)所受的空氣阻力，還可以用來(lái)飛機(jī)表面的防冰與除冰。成立[8]等人在刀具表層設(shè)計(jì)橫向微溝槽，可以有效減少銑刀桿彎曲和扭轉(zhuǎn)的變形力，提升了織構(gòu)刀具的實(shí)用價(jià)值。Schmid J[9]在發(fā)動(dòng)機(jī)缸套內(nèi)表面設(shè)計(jì)混有珩磨條紋和凹坑的微織構(gòu)，以減少發(fā)動(dòng)機(jī)摩擦和磨損。

表面織構(gòu)加工技術(shù)的選用是織構(gòu)相關(guān)研究的基礎(chǔ)核心部分，目前采用加工織構(gòu)的技術(shù)主要包括：電解加工技術(shù)、激光熱加工技術(shù)以及電火花加工技術(shù)[10]等。國(guó)內(nèi)以南京航空航天大學(xué)[11]為主，運(yùn)用干膜的掩模電解加工技術(shù)在基片表面加工出不同深徑比的微溝槽，且其表面形貌良好，電解加工其生產(chǎn)率高，適合大批量零件加工，但加工過(guò)程中穩(wěn)定性難以保證，且電解產(chǎn)物回收和處理比較困難。王新宇[12]等通過(guò)激光加工在管道內(nèi)設(shè)計(jì)0.01 mm×0.01 mm的微織構(gòu)點(diǎn)陣，提高了管道的潤(rùn)滑和耐磨性能，雖然激光加工自動(dòng)化程度與效率高，但設(shè)備昂貴，加工后表面粗糙度大，需要后續(xù)進(jìn)行光整加工。王正國(guó)[13]等選用電火花加工技術(shù)在制動(dòng)盤表面加工出不同特征分布的溝槽型表面織構(gòu)，且加工后織構(gòu)的形貌特征較好，并起到了抑制噪聲產(chǎn)生的作用。

本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，采用模擬仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法研究表面織構(gòu)的加工過(guò)程，在ANASYS平臺(tái)上模擬織構(gòu)加工過(guò)程中溫度場(chǎng)變化情況，并預(yù)測(cè)織構(gòu)的深度以及形狀尺寸，后續(xù)織構(gòu)的實(shí)際加工通過(guò)超景深顯微鏡反映織構(gòu)尺寸，將仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相對(duì)比，探究電火花技術(shù)在織構(gòu)加工中的應(yīng)用。

1 建立電火花加工熱模型

電火花加工是利用工件與電極間脈沖放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫使工件表層金屬被蝕除，溫度場(chǎng)情況直接影響加工效果，且放電時(shí)間短，兩極間隙小，瞬時(shí)溫度高，研究人員很難實(shí)時(shí)有效地測(cè)量其溫度值，從而影響后續(xù)研究分析，因此，采取有效方法確定加工參數(shù)極其重要。本文利用ANSYS熱分析模塊由相關(guān)參數(shù)構(gòu)建熱源模型與數(shù)學(xué)模型入手，根據(jù)脈沖放電時(shí)工件表層溫度場(chǎng)的變化規(guī)律來(lái)分析材料的蝕除過(guò)程，進(jìn)而預(yù)測(cè)出加工后織構(gòu)尺寸的大小。熱物理蝕除過(guò)程中所構(gòu)建溫度場(chǎng)熱分析模型時(shí)，需充分考慮一些熱影響因素，包括熱流密度、熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流等。

1.1 熱源模型

仿真過(guò)程采用單脈沖放電方式，基于電火花放電加工溫度場(chǎng)基本理論，選擇移動(dòng)熱源溫度場(chǎng)傳熱模型，建立熱源熱流密度公式，熱流密度服從移動(dòng)的高斯分布，其模型示意圖如圖1所示。其熱源模型如式(1)所示，從式中可以看出沿X軸服從高斯分布，沿Z軸服從均勻分布[14]。

(1)

式中：vf為加工速度，σ為電極絲半徑r的1/3。

由參考文獻(xiàn)[10]可知，在電火花放電的過(guò)程中熱流密度滿足(η取0.5)：

(2)

式中：q(r)為熱流密度；μ為能量分配系數(shù)；U為兩極間隙放電電壓，V；I為放電峰值電流，A；R(t)為t時(shí)刻放電通道位形半徑，m。

1.2 確定放電通道半徑

建立熱物理模型，可知放電通道半徑的大小隨時(shí)間而增大，半徑計(jì)算公式[15]為：

R(t)=2.85I0.53t0.38

(3)

式中：I為峰值電流，A；t為放電時(shí)間，μs。

1.3 熱傳導(dǎo)模型

放電加工的過(guò)程中，熱量通過(guò)放電通道作用于工件表面，其溫度及各參數(shù)隨時(shí)間變化為瞬態(tài)熱分析，熱平衡矩陣如下：

(4)

由傅里葉熱傳導(dǎo)理論可得到瞬態(tài)三維熱傳導(dǎo)模型[16]：

(5)

式中：c(T)為比熱容，J/(kg·K)；ρ(T)為密度，kg/m3；k(T)為導(dǎo)熱系數(shù)，W/(m2·K)；T為溫度，K；t為時(shí)間，s；r，z為圓柱坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2 有限元模型建立與仿真結(jié)果分析

確定電火花表面微織構(gòu)加工溫度場(chǎng)熱源模型后，利用ANSYS平臺(tái)建立其有限元模型，使用APDL語(yǔ)言進(jìn)行電火花加工有限元仿真。

2.1 物理模型

建立有限元模型，尺寸為1 mm×1 mm×0.3 mm，采用的單元類型為solid 70，網(wǎng)格尺寸為0.01 mm的六面體單元，劃分后的模型如圖2所示。材料模型為GCr15軸承鋼，因其淬火處理加工后，可以獲得較高的硬度和良好的耐疲勞性能而被廣泛的應(yīng)用于工業(yè)制造中。該材料各項(xiàng)熱物性參數(shù)如表1所示。

2.2 邊界條件設(shè)定

仿真過(guò)程中，電極與工作液溫度保持一致，取實(shí)驗(yàn)初始溫度值為20 ℃，其熱源能量密度變化的過(guò)程符合正態(tài)分布，電極與工作液之間存在對(duì)流換熱，取對(duì)流換熱系數(shù)[17]為1 000 W/(m2·K)，建立單脈沖放電模型：

表1 GCr15軸承鋼主要物理性能參數(shù)

式中：TL為工作液溫度，K；TS為電極表面溫度，K；H為對(duì)流換熱系數(shù)。

進(jìn)行溫度場(chǎng)分析時(shí)，需將熱載荷施加到工件模型上，圖3所示是工件1/4對(duì)稱模型的熱載荷施加邊界條件。r為工作電極熱源施加面與任意放電熱源中心的距離，R為放電通道半徑。當(dāng)工件表層位于放電通道半徑R內(nèi)部，施加熱流密度載荷；當(dāng)工件表層距離大于放電通道半徑R時(shí)，工件表面與工作液產(chǎn)生對(duì)流換熱，工件內(nèi)部施加熱傳導(dǎo)[18]。

2.2 溫度場(chǎng)模擬與結(jié)果分析

電火花加工參數(shù)包括脈沖寬度、工作電壓與峰值電流等。模擬仿真采用單次脈沖的模式，設(shè)置初始溫度為20 ℃ ，電極絲直徑0.4 mm，放電通道半徑0.2 mm，峰值電流10 A，放電電壓15 V，脈寬3 ms[19]，模擬過(guò)程涉及單元生死技術(shù)，即材料局部溫度達(dá)到其熔點(diǎn)后，所在單元被“殺死”，達(dá)到去除材料的目的，模擬方式選用transient瞬態(tài)分析。單次脈沖放電過(guò)程選取6個(gè)子步進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，溫度分布云圖、熔池形貌圖、沿深度方向溫度曲線圖及直徑方向溫度變化圖如圖4所示。根據(jù)電火花實(shí)驗(yàn)仿真的結(jié)果得到不同時(shí)間點(diǎn)下基體表層出現(xiàn)的最高溫度及最低溫度，由直徑和深度方向的溫度數(shù)據(jù)可計(jì)算出加工后凹坑的圓周直徑及深度。其最終結(jié)果如表2所示。

表2 t時(shí)刻溫度場(chǎng)分布表

仿真過(guò)程中常以放電結(jié)束時(shí)工件表層金屬的熱物理狀態(tài)，如沸點(diǎn)與熔點(diǎn)來(lái)判斷材料是否被蝕除，由結(jié)果可知，當(dāng)電火花加工進(jìn)行到t=0.5 ms時(shí)，因其處于放電擊穿的初始階段，熱腐蝕面積小，基體表層的最高溫度小于GCr15軸承鋼的熔點(diǎn)，表面無(wú)法形成熔融區(qū)，放電處金屬不能被汽化、蝕除，故工件無(wú)法被加工。

伴隨著放電時(shí)間的延長(zhǎng)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行到t=1 ms時(shí)，工件的熱腐蝕面積不斷加大，熱量不斷積累，其表層最高溫度高于GCr15軸承鋼的熔點(diǎn)，且熔池的溫度由熱源中心向基材周圍擴(kuò)散并逐漸降低，根據(jù)其深度及直徑方向的溫度參數(shù)進(jìn)而計(jì)算出凹坑的直徑及坑深。從t=1 ms到t=3 ms其最高溫度都達(dá)到基體材料的熔點(diǎn)。

當(dāng)t=3 ms時(shí)，即單次脈沖結(jié)束時(shí)，根據(jù)此時(shí)材料的熱物理狀態(tài)來(lái)計(jì)算出電火花加工后最終的凹坑尺寸。對(duì)模型沿直徑D與深度h方向定義路徑為T1和T2，如圖5所示，模擬仿真過(guò)程中沿徑向與深度方向的溫度數(shù)值變化如表3和表4所示。

表3 直徑方向溫度數(shù)據(jù)變化值

由結(jié)果可知，沿直徑方向溫度以對(duì)流換熱為主，D=0.5 mm處為放電中心點(diǎn)，溫度達(dá)到極值，隨著工件熱腐蝕面積的增大，溫度分布呈橢圓形向四周擴(kuò)散并逐步降低，在直徑位移區(qū)間0.30～0.70 mm內(nèi)，其溫度值均大于GCr15淬硬軸承鋼的熔點(diǎn)，材料被氣化蝕除；沿深度方向的溫度以熱傳導(dǎo)為主，隨著放電通道的迅速擴(kuò)展，熱流密度降低，沿深度方向其溫度值呈逐步降低的趨勢(shì)，在深度位移區(qū)間0.0～0.14 mm內(nèi)，其溫度值均大于GCr15淬硬軸承鋼的熔點(diǎn)，達(dá)到深孔加工的目的，最終根據(jù)直徑及深度方向上的溫度變化數(shù)值計(jì)算出凹坑的尺寸為：D=0.44 mm，h=0.135 mm。

表4 深度方向溫度數(shù)據(jù)變化值

3 表面織構(gòu)加工實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 電火花加工表面織構(gòu)

選取與上文仿真分析相同的實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行電火花微織構(gòu)實(shí)際加工，對(duì)比仿真與實(shí)際測(cè)量的數(shù)據(jù)。加工前在水基工作液中加入一定量分散劑，這樣不僅能縮短工件的加工時(shí)間，同時(shí)也會(huì)減少相對(duì)電極的消耗[20]。電極絲材質(zhì)為鉬絲，直徑為0.4 mm，選用GCr15軸承淬硬鋼棒料，其尺寸為φ60 mm×200 mm，其淬火后硬度可達(dá)60 HRC，實(shí)驗(yàn)設(shè)備為北京迪蒙卡特機(jī)床公司生產(chǎn)的CTD高速小孔加工機(jī)床。在加工前用砂紙對(duì)棒料表面進(jìn)行打磨，用酒精及丙酮處理清洗污垢并做烘干處理。其實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景及加工后凹坑的局部形貌如圖6和圖7所示，凹坑織構(gòu)之間周向夾角為30 ℃，軸向間距為5 mm。

圖8為使用Leica超景深顯微鏡對(duì)GCr15淬硬鋼表面植入的凹坑進(jìn)行觀測(cè)的場(chǎng)景圖，圖9與圖10為單個(gè)凹坑織構(gòu)的地形圖和圖像層，從圖中可以看出，凹坑中間部分出現(xiàn)凸臺(tái)，主要原因?yàn)樵谶M(jìn)行電火花加工時(shí)，電極底部邊緣部分對(duì)應(yīng)于工件表層部分最先被放電擊穿，最先形成蝕除后的凹坑[21]，其次，在電火花放電過(guò)程中，高溫作用下熔池內(nèi)金屬為液體，其在冷卻結(jié)晶的過(guò)程中受表面張力和溫度梯度共同作用出現(xiàn)中心熔化凝固層厚度增加的形貌特征；圖11為凹坑剖面形貌圖，得出最終的凹坑參數(shù)為：D=0.4 mm，h=0.13 mm。

3.2 實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)比分析仿真與實(shí)驗(yàn)加工的結(jié)果，兩者誤差在10%范圍內(nèi)，且凹坑的實(shí)際尺寸小于仿真結(jié)果。分析原因，在進(jìn)行電火花加工時(shí)，脈沖放電產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，表層壓力急劇變化，使工件局部金屬材料瞬間熔化、氣化并發(fā)生爆炸，從而拋離工件，被工作液帶走，進(jìn)而達(dá)到蝕除的目的。但是工作液具有冷卻作用，使小部分熔化的金屬再次凝固沉積在凹坑內(nèi)部。而在仿真模擬電加工凹坑時(shí)，只需工件表層局部金屬溫度達(dá)到其熔融點(diǎn)，所在單元就被“殺死”，表層金屬材料被蝕除，達(dá)到放電加工凹坑的目的，故得到的尺寸偏小。此外，隨著凹坑深度的增加，在脈沖放電后期，部分熔融金屬顆粒飛濺不出凹坑，會(huì)重新凝固凹坑內(nèi)部，這是造成實(shí)際試驗(yàn)誤差的另一因素。

總體來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)與仿真的結(jié)果呈現(xiàn)出整體一致性，仿真模擬結(jié)果對(duì)電火花加工凹坑織構(gòu)實(shí)驗(yàn)有一定的預(yù)測(cè)作用。

4 結(jié)語(yǔ)

電火花加工凹坑織構(gòu)是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，需要綜合考慮多種物理場(chǎng)復(fù)合作用對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響。本文通過(guò)仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)合的方式展開(kāi)研究，通過(guò)建立溫度場(chǎng)模型，利用有限元分析軟件對(duì)電火花加工微織構(gòu)的過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)模擬仿真，并根據(jù)溫度變化值預(yù)測(cè)加工后凹坑的尺寸，依據(jù)仿真模擬時(shí)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)工件進(jìn)行微織構(gòu)電火花加工，用超景深顯微鏡對(duì)加工后GCr15軸承鋼表層的凹坑形貌尺寸進(jìn)行測(cè)量觀察，對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，兩者誤差小于10%，為今后表面織構(gòu)加工研究奠定了一定的基礎(chǔ)。