液氮冷卻實(shí)現(xiàn)電火花工具電極低損耗仿真研究

畢方淇， 李　麗

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

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液氮冷卻實(shí)現(xiàn)電火花工具電極低損耗仿真研究

畢方淇， 李麗

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 山東 淄博 255049)

摘要：工具電極損耗對(duì)工件的精度有較大影響.從電火花加工實(shí)質(zhì)為熱能加工著手，對(duì)常溫和液氮冷卻下工具電極單脈沖放電溫度場(chǎng)進(jìn)行對(duì)比、分析，通過(guò)傳熱理論得出常溫下和液氮冷卻時(shí)工具電極表面溫度場(chǎng)及其變化曲線.結(jié)果表明：脈寬內(nèi)，液氮冷卻可降低放電點(diǎn)最高溫度和溫升；脈間內(nèi)，液氮冷卻可將放電點(diǎn)溫度在極短時(shí)間內(nèi)冷卻至初始溫度，從而減少因熱量累積導(dǎo)致的工具電極損耗.因此，液氮冷卻可有效降低工具電極損耗.

關(guān)鍵詞：液氮； 電火花； 溫度場(chǎng)； 冷卻

電火花工具電極損耗是影響電火花加工精度的重要因素，也是學(xué)者研究的熱點(diǎn).各類(lèi)研究不僅從工具電極損耗機(jī)理進(jìn)行深入探索，如今也已通過(guò)多種途徑實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花工具電極損耗的有效補(bǔ)償或降低：鄧容等通過(guò)實(shí)驗(yàn)提出了微細(xì)電火花加工的適時(shí)補(bǔ)償方法[1]；李冬林等通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)鑄造工具電極時(shí)，在鑄液中加入Cl-和某苯基添加劑可強(qiáng)化鑄層的耐電蝕性能[2].李麗等經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，通過(guò)向銅基工具電極中沉積SiC，可有效提高工具電極的抗電蝕性能[3]；明平美等研究得出，向鑄造工具電極鑄液中添加稀土元素，也可提高工具電極的抗電蝕性能[4].但熱腐蝕才是電火花加工的物理本質(zhì)[5]，設(shè)法通過(guò)降低工具電極溫度來(lái)降低損耗也是一種十分有效的方法，因此液氮冷卻實(shí)現(xiàn)電火花工具電極低損耗是電火花加工領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，Sidhu Buta S等研究認(rèn)為，使用超低溫處理過(guò)的電極可延長(zhǎng)電極壽命，提高加工精度[6].Srivastava V等認(rèn)為通過(guò)使用超低溫對(duì)電極進(jìn)行冷卻，不但可以降低工具電極損耗，同時(shí)能夠提高加工精度，但可能導(dǎo)致表面微裂紋的產(chǎn)生[7-9].本文通過(guò)ANSYS FLOTRAN CFD流體仿真及熱傳導(dǎo)理論對(duì)降低工具電極損耗的方法進(jìn)行研究.

1分析方法及有限元模型

1.1理論模型

工具電極放電區(qū)域的冷卻模型應(yīng)建立在穩(wěn)定的冷卻工作介質(zhì)流動(dòng)基礎(chǔ)上，不應(yīng)簡(jiǎn)單施加溫度邊界載荷.同時(shí)，現(xiàn)有仿真均對(duì)電火花進(jìn)行微觀建模仿真，不考慮宏觀因素，該方法不適用于本文所要處理的問(wèn)題.因此，本文按照液氮冷卻裝置實(shí)際大小建立有限元仿真模型,并將放電區(qū)域進(jìn)行足夠程度加密.

仿真分為4個(gè)步驟：(1)建立冷卻流體流動(dòng)區(qū)域模型，加載邊界條件，進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析；(2)在穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)下，計(jì)算流場(chǎng)穩(wěn)定后的工具電極溫度場(chǎng)；(3)在工具電極表面放電點(diǎn)處施加熱生成載荷，瞬態(tài)模擬脈寬內(nèi)火花放電并計(jì)算放電點(diǎn)處溫度場(chǎng)及溫度上升曲線；(4)去除熱生成載荷，瞬態(tài)模擬脈間內(nèi)冷卻流體及工作介質(zhì)的冷卻作用.由此，完成一個(gè)完整的單脈沖放電模擬過(guò)程.

選擇液氮作為冷卻流體，并作如下假設(shè)：(1)液氮在工作過(guò)程中不發(fā)生相變； (2)液氮為不可壓縮連續(xù)流體[10]；(3)流場(chǎng)穩(wěn)定后處于穩(wěn)定狀態(tài)，流場(chǎng)物理量只與空間歐拉坐標(biāo)有關(guān)而與時(shí)間無(wú)關(guān)[10]；

穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)計(jì)算后，繼續(xù)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析，本文采用ANSYS FLOTRAN CFD進(jìn)行分析，因此，流場(chǎng)迭代收斂后，溫度場(chǎng)將自然收斂[11].

單脈沖瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析時(shí)，首先需計(jì)算理論模型可承受最大單脈沖火花放電能量，可根據(jù)其電容及電路損耗，經(jīng)由下式進(jìn)行計(jì)算[12]：

式中：W為放電間隙釋放總能量(J)；U(t)為極間電壓(V)；I(t)為放電電流(A)；T為放電持續(xù)時(shí)間(s).

1.2工具電極液氮冷卻

工具電極液氮冷卻示意圖如圖1所示，液氮冷卻電火花加工所采用的機(jī)床可以是普通的電火花加工機(jī)床，不同之處在于：工具電極外側(cè)包裹了一個(gè)腔，在腔的左右兩側(cè)各有一個(gè)高低不同的開(kāi)口，當(dāng)電火花加工時(shí)，將液氮從較高的開(kāi)口送入內(nèi)腔，對(duì)工具電極進(jìn)行冷卻，繼而從較低的開(kāi)口溢出，從而完成對(duì)工具電極的冷卻。

圖1　工具電極液氮冷卻示意圖

1.3數(shù)值分析模型

仿真模型尺寸如圖2所示.

圖2　仿真模型尺寸

如圖2所示，最外面一層剖面線稀疏區(qū)域A為鋼套，通過(guò)工裝固定在火花機(jī)主軸頭；中間一層區(qū)域B為液氮；最里面一層區(qū)域C為紫銅工具電極；在工具電極下面為薄薄的一層區(qū)域D，代表工作介質(zhì)；最下面一層區(qū)域E為鋼工件.

其具體尺寸為：

(1)直徑位置區(qū)域：流體出口D1=3mm；流體入口D2=3mm；工具電極直徑D3=20mm；流體內(nèi)徑D4=22mm；鋼套外徑D5=32mm。(2)螺紋尺寸：工具電極固定螺紋孔M1為M3的螺紋孔。(3)豎直距離區(qū)域: 工具電極固定螺紋孔豎直定位H1=3mm;流體出口豎直定位H2=30mm;流體入口豎直定位H3=9mm;鋼套總高度H4=39mm; 鋼套底部厚度H5=5mm; 鋼套頂部壁厚H6=4mm;工具電極高度H7=34mm.(4) 位置及厚度區(qū)域：工件厚度L1=1mm；工作間隙L2=50μm；工具電極底面與鋼套底面距離L3=2mm。

由于工作模型較為復(fù)雜，為減少網(wǎng)格數(shù)量并減少無(wú)意義仿真運(yùn)算量，對(duì)仿真模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，去除鋼套、工作介質(zhì)及工件，并減少工件長(zhǎng)度.實(shí)際建立仿真模型如圖3所示.其具體尺寸為H8=4mm，H9=31mm，H10=5mm，H11=30mm.由于銅在低溫時(shí)熱導(dǎo)率比常溫時(shí)要大，而在熱傳導(dǎo)中，熱導(dǎo)率起主要作用，因此減少4mm工具電極長(zhǎng)度對(duì)仿真精度的影響可以忽略.

圖3　實(shí)際建立仿真模型

根據(jù)圖3建立三維裝配體仿真模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖4所示.其中淺色區(qū)域?yàn)槔鋮s流體，深色區(qū)域?yàn)楣ぞ唠姌O.所有網(wǎng)格均采用正六面體結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，無(wú)關(guān)性檢驗(yàn)后，網(wǎng)格單元總數(shù)為478 891，其中流體區(qū)域153 447，工具電極325 444.由于該仿真建立的是宏觀模型，因此必須對(duì)放電區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格加密至微米級(jí)別，但由于如此加密將大大增加仿真運(yùn)算量，因此將網(wǎng)格略微稀疏至20μm.網(wǎng)格加密如圖5所示.雖然網(wǎng)格有所稀疏，但反映的液氮對(duì)工具電極降低損耗的趨勢(shì)是完全相同的，因此并不影響方法驗(yàn)證的可靠性.

圖4　三維裝配體仿真模型及網(wǎng)格劃分

圖5　網(wǎng)格加密圖

在穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)和穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)分析后，將進(jìn)行瞬態(tài)溫度場(chǎng)分析，由于石墨電極可適用最大電流密度為3～5A/cm2，紫銅電極可達(dá)到的電流密度稍大[13].因此選取仿真電流密度5A/cm2，根據(jù)工具電極直徑ΦD3=20mm可知，最大電流為15A，電流密度15A時(shí)最佳脈寬90μs.根據(jù)放電能量計(jì)算公式以及工具電極獲得能量比例份數(shù)[14]，可計(jì)算得知工具電極獲得的脈沖能量約為1.2×106.

2仿真及結(jié)果分析

2.1流場(chǎng)仿真及結(jié)果分析

建立三維電火花加工模型進(jìn)行穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析，由于液氮密度較大，在-195.8°C時(shí)，其密度ρLN=808.3kg/m3，接近于水的密度，若選擇缸套下方為流體入口，液氮壓出將需要較大壓力，且冷卻效果不易控制，同時(shí)液氮消耗較大.因此選擇缸套上方為流體入口，入口壓力4kPa，調(diào)節(jié)收斂條件，對(duì)模型進(jìn)行600次迭代穩(wěn)態(tài)分析，得到圖6液氮穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)矢量圖.

從圖6中可以看出，流體速度最高處在鋼套底部流體出口位置，最高速度為9.365 32mm/s.

圖6　液氮穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)矢量圖

2.2穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)仿真及結(jié)果分析

以圖6所示流場(chǎng)為基礎(chǔ)，關(guān)閉流體流動(dòng)計(jì)算，對(duì)流體區(qū)域施加流體溫度載荷-193°C，在工具電極底面施加熱對(duì)流邊界條件，環(huán)境溫度20°C，迭代運(yùn)算200次，得到如圖7所示的穩(wěn)定流場(chǎng)下溫度場(chǎng)云圖.

圖7　穩(wěn)定流場(chǎng)下溫度場(chǎng)云圖

從圖7可以看出，除施加熱對(duì)流邊界條件表面，工具電極其余基體材料溫度均在20°C之下.這是因?yàn)樵诜抡嬷?，施加熱?duì)流載荷必須設(shè)定環(huán)境溫度，因此，工具電極底面在不施加熱生成載荷時(shí)最低溫度為20°C，但在現(xiàn)實(shí)加工及冷卻時(shí)，由于液氮不斷吸收熱量，放電點(diǎn)周?chē)鷾囟葘⒌陀?0°C.

2.3脈寬內(nèi)瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真及脈寬結(jié)束時(shí)結(jié)果分析

得到穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)之后，于工具電極底面加密區(qū)域施加數(shù)值分析時(shí)計(jì)算出的熱生成載荷1.2×106J，并按照脈寬設(shè)定瞬態(tài)分析步長(zhǎng)及迭代次數(shù)：脈寬90μs，步長(zhǎng)0.01s，迭代次數(shù)9次，子步數(shù)設(shè)為10步.

為證明液氮對(duì)工具電極冷卻效果和對(duì)降低工具電極損耗的作用，此處分為兩個(gè)仿真，并進(jìn)行結(jié)果對(duì)比：脈寬結(jié)束時(shí)液氮冷卻穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)下工具電極局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)如圖8所示，脈寬結(jié)束時(shí)常溫及常規(guī)冷卻下工具電極局部瞬態(tài)溫度場(chǎng)如圖9所示.

圖8　脈寬結(jié)束時(shí)液氮冷卻工具電極局部溫度場(chǎng)

圖9　脈寬結(jié)束時(shí)常溫冷卻工具電極局部溫度場(chǎng)

根據(jù)對(duì)比可知在放電脈寬結(jié)束時(shí)，液氮冷卻下，相同的脈寬和放電能量?jī)?nèi)，放電點(diǎn)達(dá)到的最高溫度只有1 450.2°C，低于常溫冷卻時(shí)相同放電位置達(dá)到的最高溫度1 577.1°C.

兩仿真具有相同的電參數(shù)和脈寬，即具有相同的放電能量，而在相同位置施加同樣的熱生成載荷時(shí)，該單元的溫度上升應(yīng)該是相同的.但經(jīng)過(guò)液氮冷卻的工具電極局部基體溫度較低，因此從一個(gè)較低的溫度起始點(diǎn)增加一個(gè)相同溫升便會(huì)得到一個(gè)較低的溫度.但實(shí)際仿真結(jié)果并不這么簡(jiǎn)單，放電脈寬結(jié)束時(shí)，液氮冷卻下放電點(diǎn)最高溫度為1 450.2°C，而常溫冷卻時(shí)放電溫度達(dá)到1 577.1°C，兩者之間的溫度差僅為-127°C，大大小于-193°C.

相同放電點(diǎn)達(dá)到的最高溫度不同的原因主要有兩點(diǎn)：(1)工具電極放電點(diǎn)與工具電極內(nèi)部基體發(fā)生熱交換，由于液氮冷卻時(shí)工具電極內(nèi)部溫度要低于常溫，因此，其熱交換效率高于常溫冷卻，因此液氮冷卻模型放電點(diǎn)處溫度將低于常溫冷卻下放電點(diǎn)溫度.(2)在工具電極底面施加熱的對(duì)流載荷，將不斷產(chǎn)生工具電極與外界環(huán)境的熱交換，使得放電點(diǎn)處溫度無(wú)法達(dá)到-193°C，從而部分削弱液氮的冷卻效果，使得兩仿真溫差達(dá)不到193°C.除此之外，根據(jù)紫銅的熱力學(xué)屬性可以知道，紫銅的熱導(dǎo)率隨溫度的降低會(huì)略微增加，而比熱容略微減小，但由于在傳熱過(guò)程中熱導(dǎo)率起主導(dǎo)作用，因此，液氮循環(huán)也會(huì)略微增加紫銅的導(dǎo)熱性能，從而加快放電點(diǎn)處熱量向基體內(nèi)部傳導(dǎo)，這也將對(duì)仿真結(jié)果起到一定影響.

2.4脈間內(nèi)瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真及脈間結(jié)束時(shí)結(jié)果分析

電火花加工中，在兩次放電之間必須有脈沖間隔的存在，主要目的是沖走電蝕產(chǎn)物、冷卻放電點(diǎn)和促使被擊穿工作介質(zhì)消電離.因此，在脈寬仿真后繼續(xù)進(jìn)行脈間瞬態(tài)溫度場(chǎng)仿真才能更真實(shí)體現(xiàn)液氮循環(huán)對(duì)電火花工具電極放電的冷卻效果.根據(jù)實(shí)際加工參數(shù)，脈間選取為30μs.此時(shí)刪除脈寬仿真時(shí)施加的熱載荷，并設(shè)定瞬態(tài)分析步長(zhǎng)及迭代次數(shù)：脈間30μs，步長(zhǎng)0.01s，迭代次數(shù)3次，子步數(shù)設(shè)為10步.圖10為脈間結(jié)束時(shí)液氮冷卻瞬態(tài)溫度場(chǎng)，圖11為脈間結(jié)束時(shí)常溫冷卻瞬態(tài)溫度場(chǎng).

圖10　脈間結(jié)束時(shí)液氮冷卻瞬態(tài)溫度場(chǎng)

圖11　脈間結(jié)束時(shí)常溫冷卻瞬態(tài)溫度場(chǎng)

由圖10可以看出，脈間結(jié)束時(shí)，經(jīng)液氮冷卻后，放電點(diǎn)周?chē)罡邷囟葹?2.376 8°C，基本達(dá)到放電前初始溫度；而圖11顯示常溫冷卻下脈間結(jié)束時(shí)，靠近工作介質(zhì)表面溫度雖達(dá)到41.703 8°C，但基體內(nèi)部最高溫度卻達(dá)到117.667°C.因此，在常溫冷卻下，若后續(xù)放電點(diǎn)位于該放電點(diǎn)周?chē)鷷r(shí)，將極易導(dǎo)致工具電極放電點(diǎn)及其周?chē)鷧^(qū)域發(fā)生熱量累積，從而造成工具電極損耗增加；相反，通入液氮循環(huán)后，工具電極單脈沖放電點(diǎn)處無(wú)論基體還是表面，最高溫度只有22.376 8°C，與放電前溫度極為接近，無(wú)法造成熱量的累積，降低了工具電極因熱量累積產(chǎn)生的損耗，從而提高了工件加工精度.而且由于通入液氮后出色的工具電極冷卻效果，在降低工具電極溫度的同時(shí)也將降低了工作介質(zhì)溫度并加快了工作介質(zhì)冷卻速度，繼而降低單個(gè)脈沖放電后放電通道內(nèi)粒子的自由能，使得正負(fù)粒子更易于復(fù)合，從而極大程度減少二次放電，再次提高工件加工精度.

2.5放電點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)溫度變化

為說(shuō)明脈寬和脈間內(nèi)液氮冷卻所起到的作用，建立了液氮冷卻下火花放電點(diǎn)處的溫度變化曲線，如圖12所示.從圖12中可以清晰的看出，通過(guò)液氮冷卻，放電點(diǎn)處在受熱后迅速升溫至1 450.2°C，而在30μs脈間后重新回到放電前初始溫度.由此，得出結(jié)論：在放電脈寬內(nèi)，液氮冷卻降低了工具電極局部能達(dá)到的最高溫度，并提高工具電極的熱導(dǎo)率，在一定程度上降低了工具電極損耗；在脈間內(nèi)，液氮冷卻可使放電點(diǎn)在極短時(shí)間內(nèi)回復(fù)放電前初始溫度，從而防止熱量累積，有效降低工具電極損耗.

圖12　液氮冷卻下火花放電點(diǎn)處溫度變化曲線

3結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)常溫和液氮冷卻電火花加工對(duì)比仿真、分析得知：在放電脈寬內(nèi)，液氮冷卻可降低工具電極放電點(diǎn)能達(dá)到的最高溫度，并提高工具電極的熱導(dǎo)率和放電表面熱交換效率，使得熱量以更快的速率向工具電極基體內(nèi)傳導(dǎo)，在一定程度上降低了工具電極損耗；在脈間，液氮可使放電點(diǎn)以極快的速率降低溫度，基本回復(fù)放電前初始溫度，有效防止發(fā)生熱量累積，從而降低工具電極損耗并提高工件表面質(zhì)量.

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(編輯：郝秀清)

The simulation and research on the cryogenic cooling effect of the reduction of tool wear in EDM

BI Fang-qi， LI Li

(School of Mechanical Engineering, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

Abstract:Tool wear obviously affect the accuracy of the workpiece in EDM. Thermal etching is the nature of EDM machining. Simulation comparisons between common and cryogenic cooling EDM were conducted, from which the temperature fields and temperature curves were obtained. Then, the simulation were studied and analyzed by using heat transfer theory. The analysis showed that, after the discharge pulse, liquid nitrogen could lower the maximum temperature and temperature range around the discharge point, and after the pulse interval, the temperature of the discharge point could be cooled to the initial temperature in an extreme short time, and avoided heat buildup caused by other discharge, which reduces tool wear caused by heat buildup. Thus, cryogenic cooling has obvious effect to reduce the tool wear in EDM.

Key words:liquid nitrogen; EDM; temperature field; cooling down

中圖分類(lèi)號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1672-6197(2016)03-0006-05

作者簡(jiǎn)介：畢方淇，男,56208585@qq.com ; 通信作者： 李麗,女,sdutlili@163.com

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51105235)

收稿日期：2015-05-10