短電弧銑削加工窄隙流場固液兩相仿真及試驗研究

吳敏，常星星，高茂洋，馬浩騫

安徽天航機電有限公司

1 引言

隨著科技與社會的發(fā)展，航空航天及深海技術(shù)對材料的要求越來越嚴格，針對超硬材料的加工多采用放電加工技術(shù)(EDM)等非傳統(tǒng)的材料去除方式。王津[1]對連續(xù)放電過程中間隙內(nèi)流場氣、液、固進行三維仿真模擬計算，得出極間內(nèi)氣泡是蝕除物拋出間隙的主要因素；常偉杰等[2]對超聲振動輔助電火花銑削流場進行了仿真研究發(fā)現(xiàn)，超聲波可以減小加工間隙內(nèi)顆粒的聚集同時使其分布更均勻，有利于排屑；黃青宇[3]基于電火花加工材料去除機理，探究了蝕除物運動規(guī)律，并結(jié)合FLUENT軟件模擬得出抬刀運動是減小邊角損耗的主要原因；何巍楊等[4]通過非電參數(shù)對短電弧加工的壓力場、速度場的影響進行仿真發(fā)現(xiàn)，增大壓力有利于提高加工效率；Jithin S.等[5]應(yīng)用CFD軟件模擬出電極跳變下加工間隙中流場，證明了電極跳變對加工中顆粒的分布影響較大；Tamang S.K.等[6]通過實驗與FLUENT軟件仿真計算，分析了蝕除顆粒在間隙中的分布情況符合Rosin-Rammler二態(tài)分布。因此，通過對放電加工間隙流場內(nèi)蝕除物分布狀態(tài)進行仿真分析，并得出其與工件加工速度和電極損耗的變化規(guī)律，對工藝的改進和加工參數(shù)的選取至關(guān)重要。

短電弧銑削加工技術(shù)原理是基于一定比例的氣液混合工作介質(zhì)下，當工件與工具之間的距離接近時，極間介質(zhì)被電壓擊穿形成放電通道[7]，放電群組誘發(fā)產(chǎn)生的電弧熱侵蝕將通過放電通道轉(zhuǎn)移到工件表面。當一個電弧激發(fā)放熱完成后，在脈沖電源的激勵下，熱源離子將誘導產(chǎn)生下一個電弧[8]，隨著一連串的電弧與高壓水氣作用，受熱的局部工件將熔化、凝固形成蝕除物，因此短電弧加工材料去除機制與電火花和高速電弧類似。其加工原理如圖1所示。

圖1 短電弧加工原理

由于短電弧加工窄隙通常為微米級別，若蝕除物在加工過程中未及時排除，在間隙堆積會引起“二次放電”現(xiàn)象，導致加工條件惡化，甚至會出現(xiàn)短路狀況，影響短電弧加工的穩(wěn)定性和加工精度。研究窄隙中流場的運動規(guī)律可以提高材料去除率和加工工件表面精度，隨著放電加工的進行，研究窄隙過程較復(fù)雜，難以用儀器直接測量計算出流場蝕除物運動情況，因此，需借助仿真軟件對流場進行探索研究，并結(jié)合實驗進行驗證。

2 窄隙流場理論分析

為了簡化理論分析，對短電弧間隙內(nèi)流體作如下假設(shè)：①極間的流場僅考慮質(zhì)量守恒和能量守恒，不考慮對熱場和磁場的影響；②極間的流體為不可壓縮且連續(xù)。

(1)質(zhì)量守恒方程

間隙流場內(nèi)流體質(zhì)量守恒方程的微分形式為

式中，ρ為流體密度(kg/m3)；t為時間(s)；符號?表示散度；v為速度矢量。

可以把?(ρv)分解為x，y，z三個方向，即

式中，ux，uy，uz分別為x，y，z方向的速度分量(m/s)。

對于不可壓縮流體，ρ為常數(shù)，則有

(2)顆粒運動方程

短電弧在加工過程中，蝕除物在間隙流場會在液體沖擊力與重力的作用下運動，其空間三維運動方程為

式中，up為蝕除物運動速度(m/s)；u為流體的速度(m/s)；ρρ為蝕除物的密度(kg/mm3)；g為x方向的重力加速度(m/s2)。

(3)連續(xù)性方程

式中，U為工作液的平均速度(m/s)；η為工作液的動力黏度(kg/(m·s))；k為湍流能(m2/s2)；ε為湍動流擴散率(m2/s3)。

3 流場仿真模型及結(jié)果分析

3.1 仿真模型

為了提高本次仿真的準確性，對側(cè)面窄隙與底面窄隙進行計算，側(cè)面窄隙由加工后的輪廓直徑減去加工前的電極直徑獲得，其差值的1/2即為側(cè)面窄隙。

底面窄隙計算步驟為：在短電弧加工開始產(chǎn)生電弧時，記下數(shù)控顯示柜上的z軸數(shù)據(jù)z0，把加工工件表面與工具底部表面上的附著物清理干凈后，手動使電極與加工的工件底部輪廓相接觸，記下z軸數(shù)據(jù)z1，兩者差值的絕對值為底面窄隙。對于底面窄隙與側(cè)面窄隙，采用三次實驗進行測定求平均值，并結(jié)合電火花加工研究情況，得出底面間隙與側(cè)面間隙均為0.1mm。采用合適的比例建立如圖2所示幾何模型。

圖2 間隙流場幾何模型

3.2 仿真分析

在ICEM中建立幾何模型并進行網(wǎng)格劃分，將劃分好的網(wǎng)格導入FLUENT求解器中，并初始化邊界條件，當計算結(jié)果合格時再采取后處理方式進行輸出，若求解計算不合格，需檢查邊界條件或優(yōu)化網(wǎng)格，直至得出合理結(jié)果。模型采用Simple算法處理連續(xù)相，工作介質(zhì)氣液混合選擇Mixture模型，網(wǎng)格類型選擇Cooper，邊界條件為：入口處選用Velocity-inlet，出口為Pressure-outlet，其他邊界設(shè)置為wall，試驗中介質(zhì)為液態(tài)水，密度為998kg/m3，黏度為1.005×10-3Pa·s，孔徑為0.006mm，入口速度為1.5m/s，將數(shù)據(jù)代入計算得出雷諾數(shù)為8951，介于8000～12000之間，因此本實驗仿真選擇湍流模型。根據(jù)上面計算的雷諾數(shù)和實驗中所用的數(shù)據(jù)可得進出口的湍流動能為0.0002m2/s2，一般在湍能計算中要求渦流黏性比分子大兩個數(shù)量級或以上，取湍流耗散率為0.01m2/s3[9]。

圖3為工具電極轉(zhuǎn)速為400rad/s、入口介質(zhì)壓力為1.5MPa、加工深度為1mm的壓力圖?？梢钥闯?，工作液在電極內(nèi)孔壁流動時，壓力幾乎無明顯變化，在工件底面會形成一個明顯的半圓弧形狀區(qū)域。這是由于介質(zhì)在拐角處短時間內(nèi)會形成巨大的壓力差，有利于側(cè)面間隙的顆粒運動排除，同時當介質(zhì)流入兩邊間隙時，壓力逐漸減小直到與外界的大氣壓接觸排除，此時壓力值最小。為更好地探究不同加工深度時的壓力變化，在圖中從內(nèi)壁右邊緣處做垂直于工件表面的垂線，垂線與工件交點為a，逐漸向左邊等距共取5點，分別為a，b，c，d，e，每點間距離為10μm，后文模型均按圖3進行規(guī)定。

圖3 間隙流場的壓力云圖(加工深度為1mm)

圖4為加工深度分別為1mm，2mm，3mm，4mm各點上的壓力圖。由圖可知，當加工深度改變時，流場的壓力變化不明顯，但從b點到a點時壓力差較大，這是因為在a點處工作介質(zhì)會轉(zhuǎn)變方向由底面間隙流入側(cè)面間隙；同時，在加工深度為3mm時，從e點到a點的壓力差較大，這有利于間隙顆粒的排除和降低電極損耗。

圖4 不同加工深度時的壓力變化

圖5為工具電極轉(zhuǎn)速為400rad/s、入口介質(zhì)壓力為1.5MPa、加工深度為1mm的速度圖。由于進口長度大于出口長度，對于相同體積的流體來說，入口處的速度相對于出口處較小，同時在拐角處的速度很小趨近于零，這是由于在加工過程中會有一部分蝕除物與電極損耗物聚集在一起形成顆粒，降低流體速度。

圖5 間隙流場的速度云圖(加工深度為1mm)

為進一步探究不同加工深度下的速度變化，圖6為不同加工深度下的速度變化結(jié)果。在加工深度為3mm時，間隙內(nèi)各點速度較大，當沖液速度大于顆粒蝕除物的自身重力時，顆粒會產(chǎn)生一定的加速度，有利于蝕除顆粒的排除，減小二次放電的發(fā)生。同時，從電極中心處間隙位置到側(cè)面間隙流體的速度逐漸的增大，說明電極的中心邊緣的顆粒堆積較小，有利于排屑。由動量守恒原理，在間隙的拐角處顆粒與壁面發(fā)生碰撞動能減小，即a點處的速度值降低。

圖6 不同加工深度下的速度變化

短電弧在加工過程中存在電極損耗，因此蝕除的顆粒會有所差異，工件鑄鐵的密度為7550kg/m3，石墨的密度為2250kg/m3，這里統(tǒng)一設(shè)置為慣性顆粒(steel)。

在連續(xù)相收斂后加入離散相顆粒，同時增加邊界條件，設(shè)定出口和入口為escape模型。所有的wall為reflect邊界條件，由恢復(fù)系數(shù)定義式為入射角與反射角的角度之比，當入射角與反射角相等時，比值為1，表示顆粒在壁面間碰撞時無動量和能量的損耗，因此設(shè)定reflect為常數(shù)且為1。等邊界條件施加完畢后，將離散相顆粒的計算結(jié)果重新代入連續(xù)條件下進行迭代，重新計算流場的連續(xù)相，操作重復(fù)直至結(jié)果收斂。

圖7為顆粒分布，可以明顯地發(fā)現(xiàn)，粒子的富集區(qū)集中于拐角處，在電極的旋轉(zhuǎn)與氣液沖擊下，越靠近電極的邊緣處顆粒濃度越大。當粒子在狹小空間內(nèi)不能及時被排除時，會增加活躍的粒子與電極碰撞的機率，因此導致電極損耗量增加，有效解釋了短電弧在加工時工具存在“邊角損耗”現(xiàn)象。

圖7 粒子分布

圖8為粒子停留時長與路徑關(guān)系?？梢钥闯?，部分粒子在間隙中停留的時間相對較長，這些粒子會沉降在底面間隙與側(cè)面間隙的拐角處，由于這些粒子在短時間不能有效排除，會增加“二次放電” 情況的發(fā)生，這對于工件精度有不利的影響，嚴重時會產(chǎn)生短路現(xiàn)象。為提高加工的穩(wěn)定性，有必要減少這部分粒子的停留時間。

圖8 粒子停留時長與路徑關(guān)系

4 實驗驗證

在探究加工深度的變化對電極損耗率與加工工件的表面質(zhì)量影響，選擇電參數(shù)和非電參數(shù)時遵循統(tǒng)一的原則。實驗采用正極性加工方式，工件為鑄鐵，工具為外徑18mm的墨電極、內(nèi)孔6mm的石墨，氣液混合比150:1，電壓為20V，占空比為60%，頻率為1000Hz。圖9為加工深度分別為1mm，2mm，3mm，4mm的工件。對加工的工件與電極進行處理計算，并采用顯微觀察其粗糙度，結(jié)果如圖10所示。

(a)1mm

由圖10可知，隨著加工深度的增加，單位時間內(nèi)材料的去除量變大，即加工效率明顯增加，同時深度越大，蝕除顆粒在間隙內(nèi)相對更難排除，增加與電極的碰撞機率，導致電極損耗加大，在加工深度為3mm時，電極相對損耗量最小，有利于加工的穩(wěn)定性與可持續(xù)性，從流場的速度場與壓力場分析可有效證明仿真結(jié)果的準確性。由于工件表面質(zhì)量與電參數(shù)有很大關(guān)系，因此在非電參數(shù)下加工深度對粗糙度的影響不明顯。

圖10 加工效果

5 結(jié)語

流場仿真中間隙內(nèi)顆粒分布比較均勻，在間隙的拐角處會形成富集區(qū)，由于顆粒停留的時間較長，會引起非正常放電加工，嚴重時會出現(xiàn)短路現(xiàn)象，同時增加與電極碰撞的機率，使得電極有著明顯的“邊角損耗”，即尖角變鈍。

短電弧銑削加工深度增加時，加工效率明顯提高，但對表面質(zhì)量卻沒有很大改善，當加工深度為3mm時，顆粒在間隙內(nèi)流動最快且有利于排屑，降低了粒子與電極之間的碰撞機率從而減小了電極損耗，有利于加工的穩(wěn)定性與可持續(xù)性。