《深孔電火花加工間隙流場仿真分析調研報告.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《深孔電火花加工間隙流場仿真分析調研報告.doc（8頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

深孔電火花加工間隙流場仿真分析調研報告 1.1 課題的背景及研究的目的和意義 隨著我國制造業(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)了一些高強度、高硬度的材料，這些材料用普通的機械加工方法加工比較困難，因此被稱作“難加工材料”。隨著這些材料應用范圍的增加，有時經常需要在這些材料上加工深孔或者小孔，加工的結構也越來越精細化和復雜化。 深孔加工一直是制造業(yè)中的難題。一般認為，直徑范圍在0.1～2.0mm 之內的孔為小孔，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)的機械加工方法很難實現(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，超聲波電火花復合加工技術，激光加工技術，電子束加工技術等。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。 微細電火花加工（micro Electr ical Discharge Machining ，簡稱micro- EDM）是利用工具電極與工件（正、負電極）之間脈沖性的火花放電來蝕除多余的金屬，使工件達到預定的尺寸、形狀及表面質量的加工方法。由于電火花加工是利用放電時的電熱作用對工件進行蝕除，工件與電極之間沒有宏觀切削力，因此對工件的強度和硬度沒有要求，適合在難加工材料上加工高精度、大深寬比的微細結構，現(xiàn)如今在航空航天領域（如飛行器發(fā)動機的核心部件帶葉冠整體式渦輪盤，微型噴嘴、噴注器等），模具制造領域（如大面積復雜型腔模，模具型芯，壓鑄模的修復等），表面改性領等領域應用廣泛。 現(xiàn)如今深孔在工業(yè)生產中應用廣泛，但是它的加工工藝卻存在迫切需要解決的問題，因為在實際加工過程中要想使所加工孔達到較大的深徑比是很困難的。深孔加工的特點之一是在加工過程中大多數(shù)時間為深盲孔加工，而限制所加工孔深徑比不能太大的一個重要因素則是電蝕產物滯留在電火花的間隙流場中，導致極間放電狀態(tài)變差，由于在整個電火花加工過程中，電蝕產物始終存留在工作介質內，所以放電間隙中工作液流場的運動情況將直接影響放電狀態(tài)，并影響到加工效率與加工質量，因此對電火花加工間隙流場進行研究對增大孔的深徑比有著重要的意義。 此外，由于微細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量流場的運動狀態(tài)，而且放電區(qū)域內的微觀過程十分復雜，其內部機理仍沒有十分明確，“是電場力、磁力、熱力、流體動力、電化學和膠體化學綜合作用的過程”，從而導致無法用理論分析的方法來得到間隙流場狀態(tài)的精確表述。因此，目前國內外大部分專家學者將精力集中在對電火花加工間隙流場進行CFD （Computational Fluid Dynamics ，計算流體動力學）計算，即對微細電火花加工間隙流場進行數(shù)值仿真模擬，用仿真結果來替代復雜的理論分析。除此之外，利用CFD 進行模擬的優(yōu)點還有成本低，適應性廣，周期短等。 在電火花的加工過程中，為了達到更大的深徑比，或是為了獲得更好的放電狀態(tài)，更高的加工效率，經常會采用削邊電極進行加工，或是在原有圓柱電極加工的基礎上加入抬刀控制，而這些情況的CFD 仿真并沒有人進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，對其進行CFD 流場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，通過對削邊電極加工間隙流場以及抬刀控制過程間隙流場的仿真，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 微細電火花加工間隙流場仿真的國內外的研究現(xiàn)狀 國外對于電火花間隙流場仿真的研究并不多。僅有日本和美國幾所大學在此 方面有所研究。2004年，日本岡山大學Serkan CETIN和Akira Okada等人建立了電火花深小孔加工間隙流場的模型，并根據(jù)仿真結果分析了不同抬刀高度情況下間隙流場中電蝕產物的流動狀態(tài)對孔壁面質量的影響，最后通過實驗對仿真結果進行了驗證。但是在此研究中，間隙流場被設定為二維，因此只適用于流場間隙很小或流場為完全軸對稱結構的情況。 2009年，美國密歇根大學的Masahiro Fujiki, Jun Ni, Albert J. Shih 等人進行了準干式電火花銑削中電極朝向和流體流動率的研究。使用FLUENT 預測絕緣工作液的流動率，并定性的與EDM實驗測得的材料去除率進行比較，確定了準干式電火花銑削中最合適的升角。 日本岡山大學的A. Okada, Y. Uno等人利用Star - CD軟件進行了線切割切口處工作液流動狀態(tài)和電蝕產物運動的仿真，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加工過程的影響，并通過與用 PIV(Particle Image Velocimetry ，粒子圖像測速法) 得到的觀察結果相比較驗證了仿真模型的正確性。利用此模型能更好的設計噴嘴形式，選擇沖液位置和工作液的出口速度等。其仿真結果與用PIV 觀察的結果對比，可見仿真結果與實際情況符合較好。 最近幾年，由于微細電火花發(fā)展迅速，國內在電火花間隙流場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)大學的閆煥新，冉宇瑤等人開發(fā)了一種混粉電火花間隙流場仿真軟件。此軟件是根據(jù)流體運動的數(shù)學模型而建立的，可以模擬不同加工條件下工作液的流動狀態(tài)和混粉工作液中粉末的分布情況。通過對單噴、垂直雙噴和三噴射流方式的仿真及實驗觀測說明了仿真模型的實用性。此仿真模型雖然正確，但其為二維模型，與實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。 山東大學的徐明剛、張建華等人利用 FLUENT 模擬了超聲振動- 氣體介質空心電極電火花加工的氣體流場，得到氣體壓力、放電間隙和加工深度對加工效率的影響。 清華大學的張杰等人也曾建立過電火花加工間隙流場的三維仿真模型。在此 模型中，電極做垂直跳動，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物的運動狀態(tài)，說明側面間隙對間隙流場和電蝕產物排出的影響。最后通過拍攝頻率為50fps（Frames Per Second ，每秒的幀 數(shù)）的高速照相機進行拍攝，與仿真結果進行比較。 上海交通大學的李建功等人曾利用FLUENT 軟件對圓柱電極和螺旋電極底 面和側面間隙流場進行了仿真，從速度場和壓力場方面進行分析，說明了螺旋電 極比圓柱電極加工效率高的原因，并指出電極旋轉速度并非越大加工效率越高。 太原理工大學的葉明國，楊勝強等人建立了永磁電火花復合深小孔加工過程的流場模型。他們利用F LUENT軟件在加入磁場和不加入磁場兩種情況下對間隙流場中加工碎屑的運動狀態(tài)進行了模擬，從壓力分布、粒子在加工間隙中的滯留時間、粒子所受到的磁場力等方面分析說明磁場對加工過程的影響。但此模型也是限于二維情況。 李磊，顧琳，趙萬生等人對內沖液集束電極電火花加工的流場進行了仿真研 究，證明多孔內沖液集束電極加工的加工效率比單孔內沖液實體電極加工要高。 大連理工大學的賈振元，鄭新毅等人應用FLUENT 中的VOF法(Volume O f F luid ，流體體積法) 對圓柱電極的微孔電火花加工間隙流場進行了仿真研究，說明放電間隙內工作液為層流，并得出電蝕產物在放電間隙流場內的分布狀態(tài)只與顆粒直徑有關的結論。 1. 3 論文研究的主要內容 本文從CFD 仿真分析出發(fā)，結合工藝實驗，對削邊電極加工以及抬刀控制的圓柱電極加工進行深入的研究。本文的主要研究內容有以下幾個部分： （1 ）對微細電火花圓柱電極加工進行建模和仿真分析，得到其間隙流場的運動狀態(tài)，并進行工藝實驗，與削邊電極和抬刀控制的電火花加工進行對比分析； （2 ）對微細電火花削邊電極加工間隙流場進行仿真，從流場中各點的速度曲線及流線角度分析其與圓柱電極流場的不同之處，由此探究削邊電極加工效率比圓柱電極高的原因，并通過工藝實驗驗證仿真結果； （3 ）對微細電火花圓柱電極抬刀控制過程間隙流場進行仿真，對比其與無抬刀控制的圓柱電極加工的不同，最終用工藝實驗驗證仿真的結果； （4 ）通過工藝實驗，分析削邊電極和抬刀控制對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排屑狀態(tài)的概念。 1.4 實驗的研究方法 在進行電火花間隙流場仿真研究的初期，有些學者曾自己編制專用的仿真軟件進行計算，如前面所述的閆換新等人編制的專用的微細電火花加工間隙流場仿真軟件。在2000 年，中科院工程物理研究所曾研究過一種復雜物理域流場數(shù)值模擬軟件CASFLOW ，不過當時此軟件功能還尚未完善，而且后續(xù)也未見報道。 利用自行開發(fā)的程序的優(yōu)點在于軟件專用性強，但是缺點也是顯而易見的，例如自己開發(fā)的程序功能不完善，且耗時較多；最主要的缺點就是不同學者編制的軟件由于方程求解方法、簡化方法不同，會造成對同樣問題同樣條件下用不同軟件進行求解時得到的結果不同，這樣導致仿真計算得到的結果很難被人們所相信。因此現(xiàn)在常用的方法是采用相對完善的商業(yè)CFD 模擬軟件做為基礎進行仿真研究。 FLUENT軟件： ANSYS軟件是在仿真領域處于領導地位的一款分析軟件。在 2006年，ANSYS 公司收購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)在功能強大的流體動力學模塊ANSYS CFD（FLUENT/CFX）。到 ANSYS 12.0版本時，其流體模塊又被改進，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)點包括以下幾個：首先，它包含多種算法，因此針對不同的情況可以選擇更有針對性的算法；其次，其動網(wǎng)格技術成熟，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，現(xiàn)在被廣泛應用于各種流體仿真領域，如汽車領域，某些機器及離相封閉母線內流場的分析等。 1.5主要參考文獻 [1] 王振龍，朱保國，田錫清. 氣體介質中深小孔電火花加工技術研究[J]. 航空學報，2007（3）：460- 463. [2] 張祖軍，陳奎儒，劉繼光，黃興無. 深小孔特種加工[J]. 機械工程與自動化， 2004（12）：20- 22.。 [3] M. Kunieda, B. Lauwers, K. P. Rajurkar, B. M. Schumacher . Advancing EDM through Fundamental Insight into the Process [C]. Annals of the CIRP - Manufacturing Technology ，2005，54：64- 87. [4] Norliana Mohd Abbas, Darius G. Solomon, Md. Fuad Bahari. A review on current research trends in electrical discharge machining (EDM) [J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture，2007，47：1214- 1228. [5] J. Fleischer, T. Masuzawa, J. Schmidt, M. Knoll. New applications for micro- EDM. Journal of Materials Processing Technology ，2004，149：246- 249. [6] 黃海鵬. 多軸聯(lián)動電火花加工數(shù)控系統(tǒng)軟件構建及其應用研究[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學博士學位論文，2010. [7] 陳濟輪. 數(shù)控電火花加工技術在航空航天領域的應用與展望[J]. 電加工與模具，2011 ：27- 30. [8] 張宗才，伍端陽. 混粉電火花加工在型腔模中的應用[J]. 電加工與模具，2010（5）：69- 72. 畢業(yè)設計(論文)進度計劃與考核表 學生姓名 于政祥 專業(yè)班級 機電 指導教師 田小靜 本課題其他人員 無 題 目 電火花深孔加工間隙流場仿真模擬分析 時　間 計劃完成內容 學生工作進展情況 （由學生手寫） 指導教師檢查 意見、簽名、日期（手寫） 第1周 選擇研究課題，對其進行調研工作，對題目有初步的了解并大致確立設計方向，廣泛查閱中英文資料，接收任務書。 第2周 進行市場調研，完成調研報告，通過網(wǎng)絡、本地圖書館查閱有關英文文獻，增加對題目的了解。 第3周 完成翻譯外文文獻，遞交翻譯文檔，翻譯文獻要符合要求，字數(shù)不少于3000字符，并且制定設計計劃。 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，學會建立仿真模型. 第6周 進行微細電火花圓柱電極加工流場仿真分析。 第7周 進行微細電火花圓柱電極加工流場仿真分析。 第8周 進行微細電火花削邊電極加工流場仿真分析。 第9周 進行微細電火花削邊電極加工流場仿真分析。 第10周 進行微細電火花圓柱電極抬刀控制過程流場仿真分析。 第11周 進行微細電火花圓柱電極抬刀控制過程流場仿真分析。 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)設計資料。 第14周 完成答辯稿，迎接畢業(yè)答辯。 指導教師簽字：　　　　　 　　年　　月　　日 注： 1.“計劃完成內容”由學生本人在畢業(yè)設計（論文）開始時制定并交由指導教師審核簽字。 2．“第　周”依據(jù)畢業(yè)設計（論文）的實際執(zhí)行周