不同工作液的電火花小孔間隙流場仿真及實驗驗證

趙鵬飛

（太原理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

電火花加工技術(shù)是利用工具電極和工件間產(chǎn)生的瞬間脈沖放電，依靠脈沖放電產(chǎn)生的高溫對工件材料進(jìn)行電蝕除加工，將工具電極形狀復(fù)制到工件上。電火花小孔加工是電火花加工的重要主城部分，其機(jī)床數(shù)約占電火花機(jī)床總數(shù)的32%，目前在沖模、擠壓模、粉末冶金模、各種異性孔及微孔等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。

現(xiàn)有電火花小孔加工存在工件材料去除率低，相對電極損耗大等問題，多數(shù)研究人員嘗試從電火花小孔機(jī)床系統(tǒng)、工具電極、工作液等方面著手研究。國內(nèi)外基于現(xiàn)有工作液進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)行研究，具有代表性的有：文獻(xiàn)[2]嘗試了在水中添加油和表面活性劑，電火花加工會在工件表面上產(chǎn)生大量微坑和重鑄層，而改進(jìn)后的加工使電火花加工和拋光同時進(jìn)行，實驗表明該方法可使被加工工件表面質(zhì)量大幅度提高，在加工氧化鋁時表面粗糙度可達(dá)到（0.08～0.06）μm；文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn)在電火花加工工作液中添加鋁粉、石墨粉等因為改變了工作液電導(dǎo)率，降低了單個脈沖放電的能量，從而改善了加工工件的表面質(zhì)量；文獻(xiàn)[4]研究表明電火花加工鎳合金時，在工作液煤油中添加鋁粉，比未添加粉末能獲得更好的加工速度，且加工零件的表面質(zhì)量也得以改善。使用分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，從減小加工碎屑角度進(jìn)行分析，使用FULENT對不同工作液的間隙流場進(jìn)行仿真，并通過實驗仿真結(jié)果進(jìn)行了驗證。

2 HEDP對加工碎屑作用分析

HEDP（羥基亞乙基二膦酸）是一種有機(jī)磷酸類分散劑，其能與鐵、銅、等多種金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，能溶解金屬表面的氧化物，具有較好的阻垢效果，是工業(yè)上使用較廣泛的一種有分散劑，結(jié)構(gòu)式，如圖1所示。參數(shù)，如表1所示。使用分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，其對加工碎屑的作用可分為以下幾點(diǎn)：

（1）在加工液中的微粒形成晶體的早期階段，HEDP會吸附在晶體表面，填充到原有晶格的空隙中或者替代晶格中原有成分的原子位置，使得晶體發(fā)生點(diǎn)缺陷，晶體無法正常生長，晶粒變得更細(xì)小，阻止團(tuán)聚；

（2）HEDP可在水溶液中電離出陰離子，其可與工作液中的金屬離子形成溶于水的絡(luò)合物，提高碎屑在工作液中的溶解度，使得加工間隙間工作液中的微粒減少；

（3）分散劑HEDP在水溶中可電離出陰離子，這些離子吸附在微粒表面上，使得這些微粒攜帶同性電荷，在同性排斥作用下這些微粒不能相互靠近，這使得工作液中的碎屑半徑大幅度減小。

圖1 HEDP結(jié)構(gòu)圖Fig.1 HEDP Structure Diagram

表1 HEDP參數(shù)Tab.1 HEDP Parameters

3 基于FULENT的間隙流場仿真

電火花小孔加工時間隙流場非常復(fù)雜，為方便建模，對其作出如下假設(shè)：加工時會產(chǎn)生瞬時高溫，然而高溫時間較短且工作液不斷流動，故假設(shè)工作液粘度不變；加工過程中汽液相對加工影響較小，故仿真忽略氣液相影響，采用固液相模型；為了方便計算，將三維對稱的加工間隙流場幾何體簡化為二維幾何圖來分析。

不同電參數(shù)和電極情況下，使用直徑為1.5mm的黃銅管狀電極，根據(jù)經(jīng)驗假設(shè)加工時電極與工件側(cè)面間隙為0.04mm，加工面間隙為0.02mm。工作液的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)4000，故其為紊流，在仿真中選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。

假設(shè)這些顆粒為球形，根據(jù)經(jīng)驗可知其直徑多為4μm。在電火花小孔加工時加工碎屑和碳粒受到工作液沖力、爆炸力、重力等多種力的作用，運(yùn)動狀態(tài)較為復(fù)雜，設(shè)定其加入速度為5m/s。

經(jīng)過迭代求解可得，當(dāng)電火花小孔加工以水為工作液時，間隙流體的靜態(tài)壓強(qiáng)云，如圖2所示。流速云圖，如圖3所示。由間隙流體的靜態(tài)壓強(qiáng)圖和速度云圖可見，在電火花小孔加工時，工件與電極放電端面處的工作液壓力最大，且壓力由電極中心向外遞減。然而并不是工作液壓力大的位置工作液速度一定大，比如在電極的中心出口位置，此處工作液壓力達(dá)到最大，由于電極出口工作液體直接噴到工件表面造成了工作液緩沖，能量損失，因此此處的工作液速度并不大。工作液從電極中心向外二次延伸時速度逐漸增大，在與工件側(cè)壁碰撞后能量損失，工作液速度減小。通過顆粒軌跡圖，可以觀測間隙流場中固體顆粒的在不同位置的停留時長，顆粒不同位置停留時長圖，如圖4所示。顆粒停留時間與路徑的關(guān)系，如圖5所示。

圖2 靜態(tài)壓強(qiáng)云圖Fig.2 Static Pressure Cloud

圖3 速度云圖Fig.3 Velocity Image

圖4 顆粒停留時長圖Fig.4 Particle Length Diagram

圖5 工作液水時顆粒停留時長與路徑的關(guān)系圖Fig.5 The Relationship Between the Length of the Particles and the Path of the Working Fluid

電火花小孔加工產(chǎn)生的加工碎屑在工作液作用下排出，運(yùn)動規(guī)律與間隙工作液的運(yùn)動相似。加工碎屑在工作液的作用下通過加工間隙排出，在間隙底端，加工碎屑的動能較大停留時間較短，隨著加工碎屑不斷與電極和工件碰撞越靠近工作液出口其速度越?。淮送饧庸に樾嫉呐懦鍪且粋€向上的運(yùn)動，其動能要轉(zhuǎn)換為重力勢能，也會損失一部分能量，使得碎屑排出速度減小。使用一定濃度的分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液時，加工間隙中的加工碎屑不易團(tuán)聚，直徑有所減小。其隨著工作液排出時，能量損耗較小，碎屑顆粒在電極與工件間的停留時間減小，這都有利于加工碎屑的排出。

分析分散劑HEDP在電火花小孔加工中的作用機(jī)理，可知在分散劑PAAS作用下，工作液中的碎屑顆粒直徑會變小，且不易團(tuán)聚。以分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，其濃度很小，因此新的工作液與水相比粘度影響忽落不計，其他情況不變，工作液中碎屑直徑減小為之前的50%，此時加工間隙中顆粒停留時長與路徑之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 使用HEDP工作液顆粒停留時間與路徑的關(guān)系圖Fig.6 The Relationship Between the Retention Time and the Path of the Working Fluid Particles Using HEDP

對比圖5和圖6可見，使用一定濃度的分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液與原有水工作液相比，加工間隙中顆粒在不同位置處的停留時長變短。這是因為顆粒直徑的減小，使得工作液對其的沖擊和粘帶作用容易使得顆粒獲得較大運(yùn)動速度。

4 實驗驗證

在高速電火花小孔機(jī)床D703F上，用1.5mm的黃銅管狀電極對5mm不銹鋼版進(jìn)行電火花小孔加工實驗，沖液壓力為2MPa，電極轉(zhuǎn)速為120r/min，加工電流脈沖寬度選用35μs，電流強(qiáng)度選用9A；分別以不同濃度的HEDP溶液作為電火花小孔加工工作液。加工速度和相對電極損耗隨HEDP濃度的變化，如表2所示。

表2 材料去除率和相對電極損耗隨HEDP濃度變化的實驗數(shù)據(jù)Tab.2 The Experimental Data of Changes in the Material Removal Rate and Relative Electrode Wear with the Working Fluid Concentration

有實驗數(shù)據(jù)可見，當(dāng)使用水作為電火花小孔加工工作液時，加工速度為1.42 mm/min，隨著工作液HEDP濃度的增加材料蝕除速度逐漸增大；當(dāng)工作液HEDP濃度為4‰時，加工速速最大為2.29 mm/min，相對于原有水工作液提高了61.27%。電極相對損的數(shù)據(jù)與加工速度速度曲線呈對應(yīng)關(guān)系，工作液HEDP濃度為（0-4）‰?yún)^(qū)間時，工況逐漸變好，所以相對電極損耗逐漸下降；當(dāng)工作液HEDP濃度為4‰時，電極損耗最小為12.20%，與原有水工作液相比減小了48.26%。這是因為在HEDP濃度為（0～4）‰間，HEDP對加工碎屑發(fā)揮良好的分散作用，有利于加工碎屑的排出，加工較為穩(wěn)定。而HEDP濃度大于4‰后，其不能發(fā)揮良好的分散作用，反而會對工作碎屑進(jìn)行絮凝，阻礙了正常的加工。

5 結(jié)論

（1）通過對仿真結(jié)果的分析，從而研究了間隙流場運(yùn)動和間隙工作液中加工碎屑顆粒運(yùn)動。在使用一定濃度的分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，加工碎屑在間隙停留時長變短，分布更加均勻。

（2）通過加工實驗驗證了使用分散劑HEDP有利于電火花小孔加工，可使加工速度有效提高，電極相對損耗有效降低。

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