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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

2017-8-1 來源：山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院作者：畢方淇，李麗

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)法通過降低工具電極溫度來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?。拥妊芯空J(rèn)為，使用超低溫處理過的電極可延長(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ＡＮＳＹＳ　ＦＬＯＴＲＡＮ?。茫疲牧黧w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）液氮在工作過程中不發(fā)生相變；（２）液氮為不可壓縮連續(xù)流體［１　０］；（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)間無關(guān)［１?。埃?；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?。疲蹋希裕遥粒巍。茫疲?進(jìn)行分析，因此，流場(chǎng)迭代收斂后，溫度場(chǎng)將自然收斂［１?。保荩畣蚊}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［１　２］:

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)高低不同的開口，當(dāng)電火花加工時(shí)，將液氮從較高的開口送入內(nèi)腔，對(duì)工具電極進(jìn)行冷卻，繼而從較低的開口溢出，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，無關(guān)性檢驗(yàn)后，網(wǎng)格單元總數(shù)為４７８?。福梗保渲辛黧w區(qū)域１５３?。矗矗?，工具電極３２５?。矗矗矗捎谠摲抡娼⒌氖呛暧^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．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?。常玻恚恚螅?/font>

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．

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)周圍溫度將低于２０°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１．２×１０６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．

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?。矗担埃?deg;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?。矗担埃?deg;Ｃ，而常溫冷卻時(shí)放電溫度達(dá)到１?。担罚罚?deg;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)．

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)周圍最高溫度為２２．３７６?。?deg;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?。?deg;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)周圍時(shí)，將極易導(dǎo)致工具電極放電點(diǎn)及其周圍區(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

通過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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