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深孔電火花加工間隙流場(chǎng)仿真分析調(diào)研報(bào)告 1.1 課題的背景及研究的目的和意義 隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，新的材料不斷涌現(xiàn)，特別是在近些年開始出現(xiàn)了一些高強(qiáng)度、高硬度的材料，這些材料用普通的機(jī)械加工方法加工比較困難，因此被稱作“難加工材料”。隨著這些材料應(yīng)用范圍的增加，有時(shí)經(jīng)常需要在這些材料上加工深孔或者小孔，加工的結(jié)構(gòu)也越來越精細(xì)化和復(fù)雜化。 深孔加工一直是制造業(yè)中的難題。一般認(rèn)為，直徑范圍在0.1～2.0mm 之內(nèi)的孔為小孔，直徑小于0.1mm 的孔為微孔，深徑比大于10以上的孔為深孔。傳統(tǒng)的機(jī)械加工方法很難實(shí)現(xiàn)高精度和大深徑比的深小孔加工。目前，較為常用的加工深小孔的方法為特種加工方法，包括電火花加工技術(shù)，超聲波電火花復(fù)合加工技術(shù)，激光加工技術(shù)，電子束加工技術(shù)等。而電火花加工作為最早以及工藝最成熟的特種加工方法，成為目前在深孔加工中的主要方法。 微細(xì)電火花加工（micro Electr ical Discharge Machining ，簡(jiǎn)稱micro- EDM）是利用工具電極與工件（正、負(fù)電極）之間脈沖性的火花放電來蝕除多余的金屬，使工件達(dá)到預(yù)定的尺寸、形狀及表面質(zhì)量的加工方法。由于電火花加工是利用放電時(shí)的電熱作用對(duì)工件進(jìn)行蝕除，工件與電極之間沒有宏觀切削力，因此對(duì)工件的強(qiáng)度和硬度沒有要求，適合在難加工材料上加工高精度、大深寬比的微細(xì)結(jié)構(gòu)，現(xiàn)如今在航空航天領(lǐng)域（如飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件帶葉冠整體式渦輪盤，微型噴嘴、噴注器等），模具制造領(lǐng)域（如大面積復(fù)雜型腔模，模具型芯，壓鑄模的修復(fù)等），表面改性領(lǐng)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 現(xiàn)如今深孔在工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，但是它的加工工藝卻存在迫切需要解決的問題，因?yàn)樵趯?shí)際加工過程中要想使所加工孔達(dá)到較大的深徑比是很困難的。深孔加工的特點(diǎn)之一是在加工過程中大多數(shù)時(shí)間為深盲孔加工，而限制所加工孔深徑比不能太大的一個(gè)重要因素則是電蝕產(chǎn)物滯留在電火花的間隙流場(chǎng)中，導(dǎo)致極間放電狀態(tài)變差，由于在整個(gè)電火花加工過程中，電蝕產(chǎn)物始終存留在工作介質(zhì)內(nèi)，所以放電間隙中工作液流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)情況將直接影響放電狀態(tài)，并影響到加工效率與加工質(zhì)量，因此對(duì)電火花加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行研究對(duì)增大孔的深徑比有著重要的意義。 此外，由于微細(xì)電火花加工中底面放電間隙很小，一般只有十幾微米到幾十微米，并且工件和電極均不透明，因此很難用儀器直接測(cè)量流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，而且放電區(qū)域內(nèi)的微觀過程十分復(fù)雜，其內(nèi)部機(jī)理仍沒有十分明確，“是電場(chǎng)力、磁力、熱力、流體動(dòng)力、電化學(xué)和膠體化學(xué)綜合作用的過程”，從而導(dǎo)致無法用理論分析的方法來得到間隙流場(chǎng)狀態(tài)的精確表述。因此，目前國(guó)內(nèi)外大部分專家學(xué)者將精力集中在對(duì)電火花加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行CFD （Computational Fluid Dynamics ，計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)）計(jì)算，即對(duì)微細(xì)電火花加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值仿真模擬，用仿真結(jié)果來替代復(fù)雜的理論分析。除此之外，利用CFD 進(jìn)行模擬的優(yōu)點(diǎn)還有成本低，適應(yīng)性廣，周期短等。 在電火花的加工過程中，為了達(dá)到更大的深徑比，或是為了獲得更好的放電狀態(tài)，更高的加工效率，經(jīng)常會(huì)采用削邊電極進(jìn)行加工，或是在原有圓柱電極加工的基礎(chǔ)上加入抬刀控制，而這些情況的CFD 仿真并沒有人進(jìn)行過深入的研究和探討。為了明確上述兩種情況提高電火花小孔加工深徑比的原因，對(duì)其進(jìn)行CFD 流場(chǎng)仿真分析是非常有必要的。因此，本文擬利用CFD 模擬削邊電極加工及抬刀控制過程間隙流場(chǎng)，通過對(duì)削邊電極加工間隙流場(chǎng)以及抬刀控制過程間隙流場(chǎng)的仿真，來說明削邊電極加工和抬刀控制增加孔的深徑比的原因。 1.2 微細(xì)電火花加工間隙流場(chǎng)仿真的國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀 國(guó)外對(duì)于電火花間隙流場(chǎng)仿真的研究并不多。僅有日本和美國(guó)幾所大學(xué)在此 方面有所研究。2004年，日本岡山大學(xué)Serkan CETIN和Akira Okada等人建立了電火花深小孔加工間隙流場(chǎng)的模型，并根據(jù)仿真結(jié)果分析了不同抬刀高度情況下間隙流場(chǎng)中電蝕產(chǎn)物的流動(dòng)狀態(tài)對(duì)孔壁面質(zhì)量的影響，最后通過實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。但是在此研究中，間隙流場(chǎng)被設(shè)定為二維，因此只適用于流場(chǎng)間隙很小或流場(chǎng)為完全軸對(duì)稱結(jié)構(gòu)的情況。 2009年，美國(guó)密歇根大學(xué)的Masahiro Fujiki, Jun Ni, Albert J. Shih 等人進(jìn)行了準(zhǔn)干式電火花銑削中電極朝向和流體流動(dòng)率的研究。使用FLUENT 預(yù)測(cè)絕緣工作液的流動(dòng)率，并定性的與EDM實(shí)驗(yàn)測(cè)得的材料去除率進(jìn)行比較，確定了準(zhǔn)干式電火花銑削中最合適的升角。 日本岡山大學(xué)的A. Okada, Y. Uno等人利用Star - CD軟件進(jìn)行了線切割切口處工作液流動(dòng)狀態(tài)和電蝕產(chǎn)物運(yùn)動(dòng)的仿真，來研究噴嘴離加工區(qū)域的距離以及工作液從噴嘴中噴出的速度對(duì)加工過程的影響，并通過與用 PIV(Particle Image Velocimetry ，粒子圖像測(cè)速法) 得到的觀察結(jié)果相比較驗(yàn)證了仿真模型的正確性。利用此模型能更好的設(shè)計(jì)噴嘴形式，選擇沖液位置和工作液的出口速度等。其仿真結(jié)果與用PIV 觀察的結(jié)果對(duì)比，可見仿真結(jié)果與實(shí)際情況符合較好。 最近幾年，由于微細(xì)電火花發(fā)展迅速，國(guó)內(nèi)在電火花間隙流場(chǎng)仿真方面做較多研究，并取得了很多成果。 在早期，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的閆煥新，冉宇瑤等人開發(fā)了一種混粉電火花間隙流場(chǎng)仿真軟件。此軟件是根據(jù)流體運(yùn)動(dòng)的數(shù)學(xué)模型而建立的，可以模擬不同加工條件下工作液的流動(dòng)狀態(tài)和混粉工作液中粉末的分布情況。通過對(duì)單噴、垂直雙噴和三噴射流方式的仿真及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)說明了仿真模型的實(shí)用性。此仿真模型雖然正確，但其為二維模型，與實(shí)際的三維模型有些差距。而且編制仿真軟件難度較高，工作量也較大。 山東大學(xué)的徐明剛、張建華等人利用 FLUENT 模擬了超聲振動(dòng)- 氣體介質(zhì)空心電極電火花加工的氣體流場(chǎng)，得到氣體壓力、放電間隙和加工深度對(duì)加工效率的影響。 清華大學(xué)的張杰等人也曾建立過電火花加工間隙流場(chǎng)的三維仿真模型。在此 模型中，電極做垂直跳動(dòng)，并通過在底面間隙位置加入直徑為0.2mm 的顆粒來模擬電蝕產(chǎn)物的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，說明側(cè)面間隙對(duì)間隙流場(chǎng)和電蝕產(chǎn)物排出的影響。最后通過拍攝頻率為50fps（Frames Per Second ，每秒的幀 數(shù)）的高速照相機(jī)進(jìn)行拍攝，與仿真結(jié)果進(jìn)行比較。 上海交通大學(xué)的李建功等人曾利用FLUENT 軟件對(duì)圓柱電極和螺旋電極底 面和側(cè)面間隙流場(chǎng)進(jìn)行了仿真，從速度場(chǎng)和壓力場(chǎng)方面進(jìn)行分析，說明了螺旋電 極比圓柱電極加工效率高的原因，并指出電極旋轉(zhuǎn)速度并非越大加工效率越高。 太原理工大學(xué)的葉明國(guó)，楊勝?gòu)?qiáng)等人建立了永磁電火花復(fù)合深小孔加工過程的流場(chǎng)模型。他們利用F LUENT軟件在加入磁場(chǎng)和不加入磁場(chǎng)兩種情況下對(duì)間隙流場(chǎng)中加工碎屑的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬，從壓力分布、粒子在加工間隙中的滯留時(shí)間、粒子所受到的磁場(chǎng)力等方面分析說明磁場(chǎng)對(duì)加工過程的影響。但此模型也是限于二維情況。 李磊，顧琳，趙萬生等人對(duì)內(nèi)沖液集束電極電火花加工的流場(chǎng)進(jìn)行了仿真研 究，證明多孔內(nèi)沖液集束電極加工的加工效率比單孔內(nèi)沖液實(shí)體電極加工要高。 大連理工大學(xué)的賈振元，鄭新毅等人應(yīng)用FLUENT 中的VOF法(Volume O f F luid ，流體體積法) 對(duì)圓柱電極的微孔電火花加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行了仿真研究，說明放電間隙內(nèi)工作液為層流，并得出電蝕產(chǎn)物在放電間隙流場(chǎng)內(nèi)的分布狀態(tài)只與顆粒直徑有關(guān)的結(jié)論。 1. 3 論文研究的主要內(nèi)容 本文從CFD 仿真分析出發(fā)，結(jié)合工藝實(shí)驗(yàn)，對(duì)削邊電極加工以及抬刀控制的圓柱電極加工進(jìn)行深入的研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容有以下幾個(gè)部分： （1 ）對(duì)微細(xì)電火花圓柱電極加工進(jìn)行建模和仿真分析，得到其間隙流場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，并進(jìn)行工藝實(shí)驗(yàn)，與削邊電極和抬刀控制的電火花加工進(jìn)行對(duì)比分析； （2 ）對(duì)微細(xì)電火花削邊電極加工間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真，從流場(chǎng)中各點(diǎn)的速度曲線及流線角度分析其與圓柱電極流場(chǎng)的不同之處，由此探究削邊電極加工效率比圓柱電極高的原因，并通過工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果； （3 ）對(duì)微細(xì)電火花圓柱電極抬刀控制過程間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真，對(duì)比其與無抬刀控制的圓柱電極加工的不同，最終用工藝實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真的結(jié)果； （4 ）通過工藝實(shí)驗(yàn)，分析削邊電極和抬刀控制對(duì)所加工孔深徑比的影響。尋找能夠定性描述電火花加工過程中流場(chǎng)排屑狀態(tài)的概念。 1.4 實(shí)驗(yàn)的研究方法 在進(jìn)行電火花間隙流場(chǎng)仿真研究的初期，有些學(xué)者曾自己編制專用的仿真軟件進(jìn)行計(jì)算，如前面所述的閆換新等人編制的專用的微細(xì)電火花加工間隙流場(chǎng)仿真軟件。在2000 年，中科院工程物理研究所曾研究過一種復(fù)雜物理域流場(chǎng)數(shù)值模擬軟件CASFLOW ，不過當(dāng)時(shí)此軟件功能還尚未完善，而且后續(xù)也未見報(bào)道。 利用自行開發(fā)的程序的優(yōu)點(diǎn)在于軟件專用性強(qiáng)，但是缺點(diǎn)也是顯而易見的，例如自己開發(fā)的程序功能不完善，且耗時(shí)較多；最主要的缺點(diǎn)就是不同學(xué)者編制的軟件由于方程求解方法、簡(jiǎn)化方法不同，會(huì)造成對(duì)同樣問題同樣條件下用不同軟件進(jìn)行求解時(shí)得到的結(jié)果不同，這樣導(dǎo)致仿真計(jì)算得到的結(jié)果很難被人們所相信。因此現(xiàn)在常用的方法是采用相對(duì)完善的商業(yè)CFD 模擬軟件做為基礎(chǔ)進(jìn)行仿真研究。 FLUENT軟件： ANSYS軟件是在仿真領(lǐng)域處于領(lǐng)導(dǎo)地位的一款分析軟件。在 2006年，ANSYS 公司收購(gòu)了專門致力于流體仿真研究的FLUENT 公司，并將其流體仿真程序與自己原有的CFD 模塊綜合，得到現(xiàn)在功能強(qiáng)大的流體動(dòng)力學(xué)模塊ANSYS CFD（FLUENT/CFX）。到 ANSYS 12.0版本時(shí)，其流體模塊又被改進(jìn)，通過顯式松弛增加了密度基隱式求解器的穩(wěn)健性，極大地增加了求解器的性能。 FLUENT 軟件的優(yōu)點(diǎn)包括以下幾個(gè)：首先，它包含多種算法，因此針對(duì)不同的情況可以選擇更有針對(duì)性的算法；其次，其動(dòng)網(wǎng)格技術(shù)成熟，使用方便；此外，F(xiàn)LUENT 的專用前處理軟件Gambit建模和劃分網(wǎng)格功能強(qiáng)大；FLUENT 軟件還為用戶提供了二次開發(fā)接口，用戶只需要使用C/C++ 語言即可進(jìn)行自定義的操作。由于FLUENT 軟件在流體仿真方面所顯示出的各種優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在被廣泛應(yīng)用于各種流體仿真領(lǐng)域，如汽車領(lǐng)域，某些機(jī)器及離相封閉母線內(nèi)流場(chǎng)的分析等。 1.5主要參考文獻(xiàn) [1] 王振龍，朱保國(guó)，田錫清. 氣體介質(zhì)中深小孔電火花加工技術(shù)研究[J]. 航空學(xué)報(bào)，2007（3）：460- 463. 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[8] 張宗才，伍端陽. 混粉電火花加工在型腔模中的應(yīng)用[J]. 電加工與模具，2010（5）：69- 72. 畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文)進(jìn)度計(jì)劃與考核表 學(xué)生姓名 于政祥 專業(yè)班級(jí) 機(jī)電 指導(dǎo)教師 田小靜 本課題其他人員 無 題 目 電火花深孔加工間隙流場(chǎng)仿真模擬分析 時(shí)　間 計(jì)劃完成內(nèi)容 學(xué)生工作進(jìn)展情況 （由學(xué)生手寫） 指導(dǎo)教師檢查 意見、簽名、日期（手寫） 第1周 選擇研究課題，對(duì)其進(jìn)行調(diào)研工作，對(duì)題目有初步的了解并大致確立設(shè)計(jì)方向，廣泛查閱中英文資料，接收任務(wù)書。 第2周 進(jìn)行市場(chǎng)調(diào)研，完成調(diào)研報(bào)告，通過網(wǎng)絡(luò)、本地圖書館查閱有關(guān)英文文獻(xiàn)，增加對(duì)題目的了解。 第3周 完成翻譯外文文獻(xiàn)，遞交翻譯文檔，翻譯文獻(xiàn)要符合要求，字?jǐn)?shù)不少于3000字符，并且制定設(shè)計(jì)計(jì)劃。 第4周 熟悉Gambit的使用方法，建立好數(shù)字模型。 第5周 掌握FLUENT軟件，學(xué)會(huì)建立仿真模型. 第6周 進(jìn)行微細(xì)電火花圓柱電極加工流場(chǎng)仿真分析。 第7周 進(jìn)行微細(xì)電火花圓柱電極加工流場(chǎng)仿真分析。 第8周 進(jìn)行微細(xì)電火花削邊電極加工流場(chǎng)仿真分析。 第9周 進(jìn)行微細(xì)電火花削邊電極加工流場(chǎng)仿真分析。 第10周 進(jìn)行微細(xì)電火花圓柱電極抬刀控制過程流場(chǎng)仿真分析。 第11周 進(jìn)行微細(xì)電火花圓柱電極抬刀控制過程流場(chǎng)仿真分析。 第12周 撰寫畢業(yè)論文。 第13周 撰寫畢業(yè)論文，集齊所有的畢業(yè)設(shè)計(jì)資料。 第14周 完成答辯稿，迎接畢業(yè)答辯。 指導(dǎo)教師簽字：　　　　　 　　年　　月　　日 注： 1.“計(jì)劃完成內(nèi)容”由學(xué)生本人在畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）開始時(shí)制定并交由指導(dǎo)教師審核簽字。 2．“第　周”依據(jù)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）的實(shí)際執(zhí)行周