絞合電極絲電火花線切割加工極間流場(chǎng)研究

楊 超，劉志東，龐昊聰，田宗軍（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

絞合電極絲電火花線切割加工極間流場(chǎng)研究

楊 超，劉志東，龐昊聰，田宗軍
（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京210016）

為了解決電火花線切割加工在高效切割中極間工作介質(zhì)補(bǔ)充不足的問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)了一種新型的電火花線切割加工用絞合電極絲。利用Fl uent流體力學(xué)軟件，計(jì)算了絞合電極絲和常規(guī)電極絲在切縫中的流場(chǎng)體積流率和速度場(chǎng)。結(jié)果表明：絞合電極絲的極間流場(chǎng)體積流率比常規(guī)電極絲高約46%，絞合電極絲極間工作液的周向速度分量能促進(jìn)加工區(qū)的工作液補(bǔ)充和蝕除產(chǎn)物排出，所設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)也在一定程度上驗(yàn)證了上述結(jié)論。

電火花線切割加工；絞合絲；Fl uent軟件；流場(chǎng)

工作介質(zhì)是影響電火花線切割加工極間正常放電的主要因素之一，充足且流動(dòng)速度較高的工作介質(zhì)對(duì)極間電極絲的冷卻、切割工件表面的洗滌、蝕除產(chǎn)物的排出及放電后極間的消電離等影響很大[1]，特別是在高能量、大厚度切割時(shí)，更是影響加工穩(wěn)定性、切割表面質(zhì)量和電極絲損耗的重要因素。目前，采用佳潤(rùn)復(fù)合工作液進(jìn)行高能量切割（平均切割電流>6～7 A）時(shí)，極間工作液因汽化而損失嚴(yán)重，致使切割效率得不到進(jìn)一步提高，并易產(chǎn)生燒傷及在切割后的工件表面出現(xiàn)燒傷紋。

為了解決電火花線切割加工在高效切割中所出現(xiàn)的極間工作介質(zhì)補(bǔ)充不足、無(wú)法保障正常放電的進(jìn)行及不能通過(guò)工作介質(zhì)及時(shí)將蝕除產(chǎn)物從間隙中排出等問(wèn)題，研究開(kāi)發(fā)出了一種新型的電火花線切割加工用絞合電極絲。目前，有學(xué)者對(duì)傳統(tǒng)圓柱電極絲極間流場(chǎng)進(jìn)行了研究[2-3]，但還沒(méi)有對(duì)絞合電極絲極間流場(chǎng)方面的研究。本文建立了絞合電極絲和圓柱電極絲的電火花線切割極間流場(chǎng)數(shù)學(xué)模型，借助Fl uent軟件對(duì)兩種電極絲極間流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，分析了極間體積流率和速度場(chǎng)，并設(shè)計(jì)了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證分析。

1 極間切割狀態(tài)與絞合電極絲的絞合形式

電火花線切割加工過(guò)程中，圖1a為極間有充足工作液的切割示意及切割后的工件表面情況，此時(shí)由于處在正常放電狀態(tài)，切割表面色澤基本均勻。但當(dāng)進(jìn)行高能量切割 （平均切割電流>6～7 A）時(shí)，工件表面將因?yàn)橥鶑?fù)走絲的緣故而產(chǎn)生嚴(yán)重的交叉燒傷痕跡（圖1b）；若繼續(xù)增加放電能量，切割效率提升將變得十分緩慢，甚至不再提升，而工件表面燒傷則會(huì)更加嚴(yán)重，且電極絲斷絲幾率大大升高，限制了電火花線切割加工效率的提高。

圖1 切割示意及工件切割表面

工件表面出現(xiàn)嚴(yán)重的交叉燒傷痕跡說(shuō)明極間處于極其惡劣的放電狀態(tài)，其主要問(wèn)題在于隨著放電能量的增加，放電形成的熱量將使電極絲帶入切縫（單邊放電間隙約0.01～0.02 mm[4]）的有限工作介質(zhì)瞬間汽化，導(dǎo)致極間尤其是在電極絲出口區(qū)域，處于工作介質(zhì)很少甚至無(wú)工作介質(zhì)的狀態(tài)，使該區(qū)域的冷卻、洗滌、排屑及消電離狀態(tài)惡化[5]。由于工件和電極絲在該區(qū)域得不到及時(shí)冷卻，加上排屑困難，從而使工件表面產(chǎn)生嚴(yán)重?zé)齻?，且斷絲幾率大大增加。因此，如何能及時(shí)地將更多的工作介質(zhì)帶入放電間隙并將蝕除產(chǎn)物排出切縫，就成為能否進(jìn)一步提高切割效率的首要前提。

本文研制的新型電火花線切割加工用絞合電極絲，是由2根相同直徑的電極絲以恒定絞合節(jié)距退扭絞合而成，其外觀和極間加工示意分別見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 絞合絲外觀示意圖

圖3 雙絞合電極絲加工示意圖

2 基于Fluent的理論模型及仿真研究

2.1 極間流場(chǎng)的幾何模型

圖4a是電火花線切割正向走絲及流場(chǎng)模型示意圖。在往復(fù)走絲電火花線切割加工中，工作液通過(guò)環(huán)形噴嘴澆注到電極絲和工件表面，在電極絲以一定的速度向下走絲時(shí)，由于工作液在電極絲表面的附著力，隨絲被帶入切縫的同時(shí)，工作液還受到重力影響自上而下流入切縫中。因此，根據(jù)工作液的流動(dòng)方式，可抽象出電火花線切割流場(chǎng)模型，其中r為電極絲半徑，δ為放電間隙，L為工件厚度（圖4b）。

圖4 電火花線切割加工及流場(chǎng)模型示意圖

通常，電極絲半徑r遠(yuǎn)小于工件厚度L。為便于研究，在不失一般性的前提下，將圖4所示的狹長(zhǎng)縫隙流場(chǎng)轉(zhuǎn)換成等價(jià)圓柱流道[6]（圖5）。

圖5 電火花線切割圓柱流道模型

2.2 極間流場(chǎng)Fluent仿真模型的建立及邊界條件設(shè)定

由于絞合電極絲相對(duì)于工件作平移運(yùn)動(dòng)，且絞合電極絲周期性變化的形狀使流場(chǎng)區(qū)域邊界條件在變化，所以使用MRF（moving reference frame）動(dòng)網(wǎng)格模型對(duì)其流場(chǎng)進(jìn)行模擬。利用三維軟件UG建立的絞合電極絲電火花線切割流場(chǎng)仿真模型見(jiàn)圖6。設(shè)定一個(gè)比絞合電極絲包絡(luò)直徑稍大的圓柱狀流體區(qū)域，此區(qū)域?yàn)閯?dòng)流體域，其上下端面及側(cè)面為交界面，動(dòng)流體域以外的區(qū)域?yàn)殪o流體域，絞合電極絲設(shè)定為墻壁，圓柱流道的上下端面分別為入口和出口，邊界類(lèi)型分別設(shè)定為壓力入口和壓力出口。

圖6 絞合電極絲流場(chǎng)仿真UG模型

在使用Gambit軟件繪制的絞合電極絲流場(chǎng)仿真模型中，絞合電極絲由2根直徑0.14 mm的電極絲絞合而成，絞合節(jié)距為2 mm?？紤]到大能量切割，單邊放電間隙設(shè)定為0.03 mm，圓柱管道長(zhǎng)（即設(shè)定的工件厚度）為20 mm。

為對(duì)比絞合電極絲與普通電極絲在極間的流場(chǎng)特性，對(duì)圓柱電極絲電火花線切割流場(chǎng)也進(jìn)行了仿真。圖7是普通圓柱電極絲流場(chǎng)仿真模型，其中圓柱電極絲直徑為0.28 mm，與絞合電極絲的包絡(luò)直徑一致，其余仿真邊界條件及參數(shù)也與絞合電極絲的設(shè)定一致。

圖7 圓柱電極絲流場(chǎng)仿真UG模型

由Gambit建立的絞合電極絲和圓柱電極絲線切割流場(chǎng)模型導(dǎo)出網(wǎng)格文件，并利用Fluent導(dǎo)入網(wǎng)格文件。設(shè)定動(dòng)流體域運(yùn)動(dòng)形式為平移，方向?yàn)榱鞯垒S向方向（Z+），速度為電極絲走絲速度10 m/s，電極絲設(shè)定為移動(dòng)墻壁，相對(duì)于動(dòng)流體域的移動(dòng)速度為0 m/s，方向?yàn)閆+。因?yàn)橥鶑?fù)走絲電火花線切割中由壓差流動(dòng)引起的流量比剪切流動(dòng)引起的流量小3個(gè)數(shù)量級(jí)[3]，所以本文主要模擬剪切流動(dòng)。設(shè)定入口和出口壓力一致，均為1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，作為流體介質(zhì)的工作液，其密度為1.0×103kg/m3，動(dòng)力粘度為1.14×10-3Pa·s（25℃），邊界等條件設(shè)置完成后進(jìn)行迭代計(jì)算。

2.3 仿真結(jié)果分析說(shuō)明

根據(jù)迭代計(jì)算的結(jié)果，由Fluent軟件提供的截面流量統(tǒng)計(jì)功能，得到絞合電極絲流場(chǎng)出口的流量為7.21×10-7m3/s，而圓柱電極絲流場(chǎng)出口的流量為4.92×10-7m3/s?？煽闯觯趫A柱電極絲直徑和絞合電極絲包絡(luò)直徑相一致、且走絲速度等其他條件相同的情況下，單位時(shí)間內(nèi)絞合電極絲加工縫隙中流入、流出的工作液比圓柱電極絲多約46.5%。單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入加工縫隙的工作液越多，線切割加工過(guò)程中極間的洗滌、冷卻和排屑效果越好，對(duì)加工穩(wěn)定性、效率及表面質(zhì)量越有利。

圖8a、圖8b分別是絞合電極絲和圓柱電極絲的流場(chǎng)橫截面速度云圖。工作液流速?gòu)碾姌O絲壁面處的10 m/s逐漸減小至圓柱流道壁面 （工件壁面）處的0 m/s，但絞合電極絲的工作液通道橫截面更大，而工作液流量為橫截面上單位面積和該單位面積處的流速之積的積分求和，所以在絞合電極絲流場(chǎng)中，單位時(shí)間內(nèi)有更多的工作液流過(guò)。

圖8 流場(chǎng)橫截面速度云圖

圖9a、圖9b分別是絞合電極絲和圓柱電極絲的流場(chǎng)橫截面速度矢量圖。從局部放大圖可看出，絞合電極絲流場(chǎng)中的速度矢量和橫截面并不垂直，有一個(gè)與橫截面平行的速度分量，所以工作液在電極絲的帶動(dòng)下并不是垂直向下運(yùn)動(dòng)，而是邊向下運(yùn)動(dòng)、邊橫向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)；而圓柱電極絲流場(chǎng)中的速度矢量和橫截面恰好垂直，工作液在電極絲的帶動(dòng)下只有垂直向下的運(yùn)動(dòng)。

圖10a、圖10b分別是絞合電極絲和圓柱電極絲的流場(chǎng)流線圖。可看出，絞合電極絲流場(chǎng)中的工作液質(zhì)點(diǎn)螺旋向下運(yùn)動(dòng)，而圓柱電極絲流場(chǎng)中的工作液質(zhì)點(diǎn)垂直向下運(yùn)動(dòng)，這驗(yàn)證了絞合電極絲流場(chǎng)中的工作液在垂直向下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，在流道的橫截面上還有旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

在電火花線切割加工中，主要加工區(qū)為電極絲與工件之間的半圓環(huán)區(qū)（圖11），放電蝕除產(chǎn)物和熱量主要在該區(qū)域產(chǎn)生，而已加工區(qū)域并不會(huì)放電，不會(huì)產(chǎn)生蝕除產(chǎn)物和熱量，區(qū)域中的工作液相比加工區(qū)更新鮮。在圓柱電極絲正向加工時(shí)，工作液帶出蝕除產(chǎn)物的方向?yàn)榇怪毕蛳?，加工區(qū)的蝕除產(chǎn)物向下流出，一旦下方出口處排出不暢，蝕除產(chǎn)物就極易在出口處堆積，不利于工作液進(jìn)入和蝕除產(chǎn)物的排出，將直接影響正常放電的延續(xù)[7]，甚至燒傷工件。而在絞合電極絲正向加工時(shí)，工作液在橫截面上的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)可將加工區(qū)的蝕除產(chǎn)物帶到加工區(qū)后方的已加工區(qū)域中，同時(shí)將已加工區(qū)域中的新鮮工作液帶入加工區(qū)，配合工作液垂直方向的運(yùn)動(dòng)，能加速轉(zhuǎn)移加工區(qū)的蝕除產(chǎn)物和熱量，促進(jìn)電極間的消電離和冷卻，使絕緣狀態(tài)更好、冷卻更充分，從而增加正常放電比例，提高切割速度，減弱切割條紋，改善工件加工表面質(zhì)量。

圖9 流場(chǎng)橫截面速度矢量圖

圖10 絞合電極絲和圓柱電極絲的流場(chǎng)流線圖

圖11 電火花線切割加工示意圖

3 絞合電極絲和圓柱電極絲帶液實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述仿真模型的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)了絞合電極絲和圓柱電極絲帶液實(shí)驗(yàn)，研究在圓柱電極絲直徑與絞合電極絲包絡(luò)直徑相同的情況下，兩種電極絲極間工作液流量的差異。

3.1 帶液實(shí)驗(yàn)方案及條件

圖12是電極絲帶液實(shí)驗(yàn)的工藝方案原理圖。在帶有體積標(biāo)度的蓄水管下方連接一個(gè)微細(xì)孔圓管道，其孔徑近似等于切縫寬度，用來(lái)模擬圓柱流道；電極絲從絲筒抽出，經(jīng)導(dǎo)輪穿過(guò)蓄水管和微細(xì)孔管道，再經(jīng)導(dǎo)輪連接到絲筒上。在蓄水管中充入工作液，直至液面超過(guò)最大刻度值后，開(kāi)啟絲筒電機(jī)，使電極絲自上向下按設(shè)定絲速運(yùn)動(dòng)，工作液將在重力和電極絲的作用下流出微細(xì)孔，液面會(huì)逐漸下降。用秒表記錄液面從刻度100 mL降到70 mL所用的時(shí)間，根據(jù)流出工作液體積和所用時(shí)間便可計(jì)算出工作液在微細(xì)孔中的流速，以此表征電極絲的帶液能力。分別以絞合電極絲和圓柱電極絲進(jìn)行實(shí)驗(yàn)并記錄數(shù)據(jù)，便能比較兩種電極絲的帶液能力差異。

圖12 電極絲帶液工藝實(shí)驗(yàn)方案原理圖

實(shí)驗(yàn)有關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1。圖13是100 mL的針筒和內(nèi)徑為0.34 mm的針頭連接體，用作蓄水管和微細(xì)孔管道。用HF320往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床進(jìn)行運(yùn)絲，裝置實(shí)物圖見(jiàn)圖14。

3.2 帶液實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表2。根據(jù)絞合電極絲和圓柱電極絲分別對(duì)應(yīng)的工作液體積流率與絲速的關(guān)系曲線圖（圖15）可看出，絞合電極絲在絲速為0、2、6、10 m/s下的工作液體積流率都高于圓柱電極絲在相應(yīng)絲速下的工作液體積流率，且在絲速為10 m/s時(shí)高出約30%。實(shí)際結(jié)果與仿真結(jié)果有些差距，一方面是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)存在誤差，另一方面電極絲在實(shí)際運(yùn)動(dòng)中存在振動(dòng)，而仿真時(shí)并未考慮振動(dòng)。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖13 100 mL針筒和內(nèi)徑0.34 mm針頭

圖14 實(shí)驗(yàn)裝置安裝圖

表2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖15 工作液體積流率與絲速關(guān)系圖

4 結(jié)論

（1）在圓柱電極絲直徑與絞合電極絲的包絡(luò)直徑相等的情況下，絞合電極絲線切割極間流場(chǎng)的體積流率比圓柱電極絲高約30%，帶入更多工作液將有利于極間冷卻、消電離和蝕除產(chǎn)物的排出，從而提高加工效率。

（2）絞合電極絲極間流場(chǎng)中的工作液有電極絲周向上的速度分量，可將加工區(qū)的蝕除產(chǎn)物帶到電極絲未加工面，也可將電極絲未加工面的新鮮工作液帶到加工區(qū)，相比圓柱電極絲能更快地對(duì)極間冷卻、消電離和帶出蝕除產(chǎn)物。

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Study on Inter-electrode Flow Field for Stranded-wire Electrical Discharge Machining

Yang Chao，Liu Zhidong，Pang Haocong，Tian Zongjun
（College of Mechanical and Electrical Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

In order to solve the problem of working medium supply shortage in efficient wire electrical discharge machine(WEDM)，a new type of electrical discharge machining wire-stranded-wire was developed.Using Fluent fluid mechanics software，the volume flow rate and flow field velocity in the cutting seam with the stranded-wire electrode and regular wire electrode were calculated.The results show that the volume flow rate with the stranded-wire electrode is about 46%higher than that with the regular wire electrode.And when using the stranded-wire electrode，the circumferential velocity component of the working liquid can promote working medium supplement and metal chip removal in the cutting seam，the designed experiment also proves the conclusion partly.

WEDM；stranded-wire；Fluent software；flow field

TG661

A

1009-279X（2016）05-0032-05

2016-02-24

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51575271）

楊超，男，1990年生，碩士研究生。