鋁基碳化硅復合材料電火花高效加工仿真研究

張文超，常 皓，王文建 ，劉 宇

（ 1. 大連工業(yè)大學機械工程與自動化學院，遼寧大連 116034；2. 鄭州職業(yè)技術(shù)學院機械工程系，河南鄭州450121；3. 陜西鐵路工程職業(yè)技術(shù)學院，陜西渭南 714000；4. 大連交通大學機械工程學院，遼寧大連 116028 ）

鋁基碳化硅復合材料是以鋁為載體，按一定比例加入碳化硅顆粒作為增強體，經(jīng)過一系列的處理工藝制備而成的一種特制材料，這種復合材料同時兼具基體材料特性和非金屬顆粒特性，因而具有較好的抗沖擊性能、較低的熱膨脹系數(shù)，同時強度和剛度都很高[1-2]。

由于鋁與碳化硅顆粒具有不同的力學特性，相比于單純的金屬材料，使用傳統(tǒng)切削加工存在刀具磨損變快、加工效率低、產(chǎn)生積屑瘤等問題，難以滿足加工要求；電火花加工具有無切削力、不受材料強度與硬度限制等特點，適于鋁基碳化硅復合材料的精密加工。 由于該復合材料的基體材料和顆粒增強體具有不同的物理特性，其材料去除機制有別于單相材料，因此在加工中必須綜合考慮金屬基體和非金屬顆粒的物理特性[3-5]。

針對鋁基碳化硅復合材料電火花加工，國內(nèi)外學者開展了大量研究。 Müller 等[6]開展了電火花加工、激光切割等加工工藝對鋁基碳化硅顆粒復合材料切削性能的研究，探究了復合材料加工過程中不同工藝的去除機理，并對不同工藝下材料的表面狀態(tài)和亞表面損傷進行分析比較；結(jié)果表明，激光在材料去除率方面具有明顯優(yōu)勢，而電火花加工引起的熱損傷較激光切割更小。 Patil 等[7]綜合考慮鋁基碳化硅復合材料的熱物性及脈寬、 電壓等加工參數(shù)，提出了電火花線切割加工中材料去除率的半經(jīng)驗模型；模型預測表明，熱膨脹系數(shù)在電火花線切割加工中起著重要作用， 最后驗證了模型的正確性。Satpathy 等[8]采用紫銅電極加工鋁基碳化硅材料開展正交試驗，研究了不同放電參數(shù)對其表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并優(yōu)化放電參數(shù)，獲得理想的表面質(zhì)量。 Vishwakarma 等[9]建立了混粉電火花加工過程單脈沖放電的有限元模型，對鋁基碳化硅復合材料的溫度分布進行了研究，該模型還通過模擬多次脈沖放電來計算材料的去除率，其試驗結(jié)果能夠很好驗證模型的正確性。 Dhupal 等[10]以黃銅為電極研究不同放電參數(shù)下加工鋁基碳化硅材料的電極損耗率和材料去除率，同時建立二次回歸模型，并采用多目標粒子群優(yōu)化算法來尋找最優(yōu)工藝參數(shù)。 Bhuyan等[11]用響應面分析法和模糊邏輯建模技術(shù)分別建立了預測鋁基碳化硅復合材料的表面粗糙度數(shù)學模型，并將試驗結(jié)果與所建立的響應面模型、模糊模型進行了比較，結(jié)果表明模糊模型比響應面模型的預測精度更高。

現(xiàn)有的研究更多地考慮了工藝參數(shù)對材料去除率的影響，很少考慮利用鋁基體與碳化硅顆粒物理特性研究材料高速拋出微觀過程。 本文基于顆粒增強固相拋出的金屬基復合材料電火花高效加工方法，通過仿真手段對鋁基體及碳化硅增強體拋出過程開展研究，將熔池內(nèi)的碳化硅增強體隨熔融金屬液體一同拋出，實現(xiàn)材料的高效加工。

1 鋁基碳化硅拋出過程仿真建模

仿真模型為直徑600 μm、高度230 μm 的圓柱體，模型劃分為上、中、下三部分，上層電極、中層流域、下層工件，電極和工件的高度均為100 μm 的矩形，仿真中設(shè)定極間間隙為30 μm。 材料受到?jīng)_擊后會拋入加工間隙中，因此對極間區(qū)域計算精度要求較高，需要局部加密。 在劃分網(wǎng)格時，采用專業(yè)流體網(wǎng)格劃分軟件ICEM 將流域劃分為O-Block 網(wǎng)格， 在圓柱中心位置劃分出塊型區(qū)域并加密細化，在周邊區(qū)域采用六面體單元劃分環(huán)形網(wǎng)格。 電極和工件中心區(qū)域?qū)⒉牧蠏伋鲞^程進行模擬，因此該區(qū)域同樣采用O-Block 網(wǎng)格進行劃分，在周邊區(qū)域采用環(huán)形網(wǎng)格進行劃分，劃分后的網(wǎng)格見圖1。

圖1 采用O-Block 劃分后的網(wǎng)格

將網(wǎng)格文件導入Fluent 中并設(shè)置邊界條件，設(shè)置仿真條件：選用瞬態(tài)及壓力基求解器，采用VOF模型和湍流模型，利用UDF 二次開發(fā)接口編寫放電通道橫振與縱振程序，分別加載到放電通道上下兩個端面，用重疊網(wǎng)格控制放電通道的橫向與縱向位移。 由于熔池內(nèi)的液體需要與放電通道所產(chǎn)生的沖擊力進行數(shù)據(jù)交換，因而設(shè)置電極和工件表面為交界面，設(shè)計鋁基碳化硅復合材料電火花加工拋出模型邊界條件見圖2，采用的放電參數(shù)見表1。

表1 鋁基碳化硅復合材料電火花加工仿真放電參數(shù)

圖2 鋁基碳化硅復合材料電火花加工拋出模型邊界條件

2 仿真結(jié)果與分析

2.1 熔池材料拋出及凹坑形成過程分析

圖3 是峰值電流20 A、放電電壓40 V、放電脈寬20 μs 內(nèi)工件和電極材料拋出過程相圖。 從凹坑形狀變化上來看，當放電時間為1 μs 時，由于材料表面形成高溫熱源，材料達到熔點后，其表面熔化并形成高溫熔池，因此沒有凹坑形成；當放電時間為10 μs 時， 兩極表面出現(xiàn)凹坑， 凹坑大小基本相近， 此時工件熔池內(nèi)的部分材料被拋向電極表面；當放電時間達到15 μs 時， 兩極凹坑尺寸進一步擴大，這是由于表面熱量以熱傳導形式從放電中心位置不斷向周圍介質(zhì)傳播，因而材料表面高溫范圍擴大，熔池在深度和半徑方向都變大；當放電時間為20 μs 時，放電結(jié)束，熔融液體基本完全拋出，電極和工件表面凹坑已經(jīng)基本形成。

圖3 不同放電時刻電極和工件材料拋出過程

從材料拋出過程來看，放電時間到15 μs 時，有金屬拋向了對面電極，促使熔融液體拋離基體。 在拋出過程中， 最先拋出的熔融金屬其前端開始發(fā)散；放電結(jié)束時，放電通道消失，在凹坑底部只殘留少部分熔融液體，這是受到凹坑表面粘性剪切力作用，而沒有足夠動力拋離基體。

從總體上看，電極和工件拋出的電蝕產(chǎn)物大部分拋向了加工間隙而游離在工作液中，少部分拋向了對面電極并粘附在材料表面，部分殘余在熔池內(nèi)的熔融材料重鑄在兩極表面，這就導致了重鑄層的形成。

2.2 碳化硅顆粒拋出過程分析

圖4 是在單脈沖放電下，鋁基碳化硅復合材料中的碳化硅顆粒隨時間的拋出過程模擬。 從顆粒拋出過程來看，當放電時間為1 μs 時，遠離放電點中心的碳化硅以固態(tài)顆粒形式存于熔池中，此時只有小部分顆粒拋出到工作液中； 當放電時間為10 μs時， 碳化硅顆粒在壓力作用下從兩側(cè)拋離凹坑；當放電時間為15 μs 時， 大部分碳化硅顆粒已拋離凹坑，而位于熔池邊緣的熔融金屬由于受到凹坑表面摩擦力的作用，沒有完全拋出到工作液中；在放電結(jié)束的20 μs 時，熔池內(nèi)僅殘留少量的碳化硅顆粒，這主要由于熔池底部的熔融金屬及碳化硅顆粒受到?jīng)_擊力較小，因而實際運動距離較短，并且其與凹坑表面之間產(chǎn)生較大的粘性剪切力而殘留在熔池底部，形成重鑄層。

圖4 不同放電時刻顆粒增強體拋出過程

2.3 電極相對損耗率計算

在實際生產(chǎn)中，衡量電極是否耐損耗，要綜合考慮電極損耗速度與工件蝕除速度，因此一般采用相對損耗率作為衡量工具電極耐損耗的指標，此處以電極的體積相對損耗率R 為研究對象，即電極的絕對體積損耗速度與工件蝕除體積速度的比值：

式中：Vt為電極損耗體積速度，μm3/μs；Vw為工件蝕除體積速度，μm3/μs。

在Fluent 中以材料黏度為中間變量，分別提取電極和工件熔化區(qū)域的單元數(shù)量，以每單元所代表的真實體積乘以單元數(shù)量即分別得到電極和材料去除的真實體積，然后進行比值計算，獲得了電極相對損耗率。 表2 展示了一次單脈沖放電仿真后電極和工件材料蝕除體積，得到的電極相對損耗率為74.79%。

表2 電極相對損耗率仿真結(jié)果

3 仿真結(jié)果對比分析

采用相同的放電參數(shù)，對比電火花高效加工方法和傳統(tǒng)電火花加工方法，對材料熔化及拋出過程進行仿真。 圖5 是采用高效加工方法的仿真結(jié)果，包括放電過程與放電后產(chǎn)生沖擊力對材料的拋出過程。原熔池內(nèi)有31 個顆粒，在7 μs 后放電過程結(jié)束，已完全熔化的碳化硅數(shù)量為7 個，而未完全熔化的碳化硅數(shù)量為24 個， 發(fā)現(xiàn)靠近放電區(qū)域的碳化硅得以熔化、遠離放電區(qū)域的未全熔；放電產(chǎn)生的沖擊力12 μs 內(nèi)， 熔池內(nèi)的液態(tài)金屬及未完全熔化的碳化硅顆粒完全拋離了熔池。 因此，電火花高效加工方法去除熔池內(nèi)材料所需時間為19 μs，其中前7 μs 靠近放電區(qū)域的碳化硅熔化在熔池中，后12 μs 遠離放電區(qū)域的碳化硅以固態(tài)顆粒形式夾雜在熔融金屬體中受沖擊力拋離基體。

圖5 鋁基碳化硅復合材料電火花高效加工仿真

圖6 是采用傳統(tǒng)電火花加工的仿真結(jié)果，熔化靠近放電區(qū)域31 個碳化硅所需放電時間為11 μs，放電后拋出熔融碳化硅顆粒所需時間為13 μs，因此材料蝕除時間共計24 μs。

圖6 鋁基碳化硅復合材料電火花加工仿真

通過對比兩組仿真可以看出，在去除相同數(shù)量碳化硅的情況下，采用電火花高效加工方法去除鋁基碳化硅復合材料所需時間較少，這是由于顆粒不需要完全熔化， 大部分是以固態(tài)形式拋離基體的。在拋出相同數(shù)量的碳化硅顆粒時，采用高效加工方法在時間上比傳統(tǒng)電火花加工方法少5 μs，加工效率提升了20.83%，證明鋁基碳化硅復合材料電火花高效加工方法是有效的。

4 結(jié)論

本文建立了鋁基體與碳化硅顆粒的材料拋出流固耦合動力學模型，探究放電區(qū)域金屬基體與碳化硅顆粒的拋出過程，并與傳統(tǒng)電火花加工進行對比分析，得到以下結(jié)論：

（1）在加工過程中，大部分熔融液體在沖擊作用下從兩側(cè)拋出到工作液中，少部分材料被拋向了電極，剩余材料殘留在凹坑表面形成重鑄層。

（2） 靠近放電區(qū)域的碳化硅以熔融態(tài)拋離基體，遠離放電區(qū)域的碳化硅以固態(tài)顆粒形式夾雜在熔融金屬體中拋離基體。

（3）針對鋁基碳化硅復合材料，采用電火花高效加工方法時，加工效率較傳統(tǒng)電火花加工效率提升了20.83%，驗證電火花高效加工方法能顯著提高材料的蝕除效率。