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螺旋電極電火花小孔加工排屑仿真和試驗(yàn)

2015-11-13 來源：數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)網(wǎng) 作者：曹一龍，曹明讓，郝岳峰，袁玉成

摘要: 在電火花小孔加工中，排屑困難一直是困擾加工速度的一個(gè)重要問題。通過對(duì)工具電極改進(jìn)，用螺旋電極進(jìn)行電火花小孔加工，使其改變加工過程中間隙流場(chǎng)的流動(dòng)狀態(tài)以及電蝕產(chǎn)物的受力，達(dá)到增強(qiáng)小孔加工過程中的排屑能力，進(jìn)而提高加工速度的目的。利用Gambit 軟件建立仿真模型，應(yīng)用Fluent 對(duì)小孔加工過程中排屑進(jìn)行仿真，對(duì)其壓力場(chǎng)和速度場(chǎng)進(jìn)行分析，研究其加工機(jī)理。在D703F 高速電火花小孔加工機(jī)床上進(jìn)行了試驗(yàn)研究，結(jié)果表明螺旋電極電火花小孔加工速度最大提高了20%。

自從1943 年前蘇聯(lián)學(xué)者拉扎連柯( Lazarenko) 夫婦發(fā)現(xiàn)放電蝕除現(xiàn)象后，電火花加工在之后的70 多年里得到了飛速的發(fā)展，它已廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐，據(jù)相關(guān)資料介紹，目前電火花加工機(jī)床已占世界機(jī)床市場(chǎng)的6%。電火花小孔加工是電火花加工的重要組成部分，據(jù)統(tǒng)計(jì)帶孔零件大約占據(jù)了零件總數(shù)的50% ～ 80%，電火花小孔加工作為目前加工小孔的一種重要手段，因其可加工任何導(dǎo)電材料而不受工件材料硬度限制，非接觸式加工，對(duì)工具的剛度和強(qiáng)度要求較低，被加工件表面應(yīng)力變化小等優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際工業(yè)中被廣泛應(yīng)用。在電火花小孔加工中，加工速度一直是其研究和應(yīng)用中存在的主要問題，如何提高加工速度是我們不斷探討的命題。影響電火花小孔加工速度的因素很多，如加工電參數(shù)、工作液及其它加工環(huán)境等。排屑能力是影響電火花小孔加工速度的一個(gè)重要因素，眾所周知，電火花加工的電蝕產(chǎn)物如果不能及時(shí)排出放電間隙之外，將會(huì)導(dǎo)致電極短路和非正常放電，最終使加工速度下降，甚至不能加工。在電火花小孔加工中，為了改善排屑條件，提高加工效率，研究人員做了各種嘗試，如采用超聲電火花復(fù)合加工，通過超聲空化作用，提高小孔加工的排屑能力; 采用圓柱電極削邊的方法，以增大排屑通道，達(dá)到改善排屑條件的目的; 還有從工作液入手，利用特殊工作液，以減小電蝕顆粒的凝聚和沉降，進(jìn)而增強(qiáng)其排出性等。上海交通大學(xué)許加利等人用Fluent分別對(duì)圓柱電極和螺旋電極的底部和側(cè)面流場(chǎng)進(jìn)行仿真，得到了圓柱電極和螺旋電極在不同轉(zhuǎn)速下的加工速度對(duì)比，討論了電極轉(zhuǎn)速對(duì)加工速度的影響，得出螺旋電極可以提高電火花小孔加工的加工速度的結(jié)論。本文研究了圓柱電極和螺旋電極間隙工作液流場(chǎng)流動(dòng)狀態(tài)的區(qū)別，利用螺旋電極的方法，意在增大排屑通道的同時(shí)，使加工排出物在其排出過程中流動(dòng)方式改變，進(jìn)而提高其排出性和提高加工速度。

1 加工間隙流場(chǎng)仿真

1.1 幾何模型

結(jié)合試驗(yàn)研究中的加工參數(shù)，仿真中工具電極外徑為3 mm 的黃銅空心圓柱電極和螺旋電極，加工深度為100mm，取放電間隙為100 μm，設(shè)工作液為純水，溫度為25℃時(shí)，其動(dòng)力黏度μ = 8． 94 × 10 － 4 Pa·s，運(yùn)動(dòng)粘度ν = 8． 97 ×10 － 7 m2 /s。普通圓柱電極和螺旋電極的幾何模型，如圖1所示。

圖一：幾何模型

利用gambit 有限元軟件對(duì)圓柱狀電極和螺旋電極建立模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如圖2 所示。

圖二：網(wǎng)格劃分

1． 2 理論模型

在圓柱電極內(nèi)，通過雷諾數(shù)的計(jì)算并與臨界雷諾數(shù)對(duì)比，確認(rèn)側(cè)向間隙內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，雷諾數(shù)Ｒe 表示為:Ｒe = vdρμ = vdν( 1)式中: v 為流速，d 為管徑、ρ 為動(dòng)力黏度，ν 為運(yùn)動(dòng)粘度。通過計(jì)算可知圓柱電極側(cè)向間隙內(nèi)水流的雷諾數(shù)小于2 000，由此可以確定，側(cè)向間隙內(nèi)工作液的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)為層流。在螺旋電極的間隙流場(chǎng)內(nèi)，螺紋區(qū)域邊壁變化的局部阻礙為突變，如圖3 所示。

圖三：螺紋處流體流動(dòng)示意圖

當(dāng)流體通過突變的局部阻礙時(shí)，由于慣性力處于支配地位，流動(dòng)不能像邊壁那樣突然轉(zhuǎn)折，于是在邊壁突變的地方，出現(xiàn)主流與邊壁脫離的現(xiàn)象，主流與邊壁之間形成旋渦區(qū)，旋渦區(qū)內(nèi)的流體并不是固定不變的，形成的大尺度旋渦，會(huì)不斷地被主流帶走，補(bǔ)充進(jìn)去的流體，又會(huì)出現(xiàn)新的旋渦，如此周而復(fù)始。擠壓的力，使得電蝕產(chǎn)物在水流壓力和螺紋面反作用力的共同作用下達(dá)到水平分力相對(duì)平衡的位置。由于螺紋區(qū)流體的旋渦作用導(dǎo)致局部能量損失，能量損耗可由方程

算得:式中: hm為局部能量損失，ζ1和ζ2為管徑變化的局部阻力系數(shù)，v 為流速，A1為突變前流體截面積，A2為突變后流體截面積，Δr1為螺紋最深位置與被加工件邊壁距離，Δr 為非螺紋區(qū)域兩邊壁間隙距離，Ｒ為工具電極半徑，由于放電間隙相對(duì)于工具電極半徑小得多，所以取近似值Ｒ≈Ｒ + Δr≈Ｒ + Δr1。能量損失使得螺紋區(qū)及其周邊流體流速降低，作用力減小，從而導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物、尤其是團(tuán)聚結(jié)構(gòu)進(jìn)入螺紋后橫向壓力減少，使其在螺紋槽內(nèi)堆積，并在延螺旋線方向分力的作用下順著螺紋向上移動(dòng)，這使得放電間隙內(nèi)沉積物堵塞現(xiàn)象得到緩解，從而減少了排屑不暢而導(dǎo)致的不斷抬刀現(xiàn)象，提高加工速度。

1． 3 仿真結(jié)果及分析

( 1) 圓柱電極和螺旋電極壓力場(chǎng)仿真結(jié)果如圖4 所示電火花小孔加工底部電蝕產(chǎn)物堆積使其在此處團(tuán)聚，團(tuán)聚結(jié)構(gòu)會(huì)導(dǎo)致在排出過程中通道堵塞。

圖四：動(dòng)態(tài)壓力分布圖

從圖4 可以看出，圓柱電極和螺旋電極的間隙流場(chǎng)內(nèi)都會(huì)有一定的壓力變化，相對(duì)于圓柱電極，螺旋電極底部邊角壓差明顯變大。而壓差作用于電蝕產(chǎn)物，促使電蝕產(chǎn)物不斷向低壓區(qū)移動(dòng)，使螺旋電極底部電蝕產(chǎn)物堆積現(xiàn)象得到改善。螺旋電極側(cè)向間隙區(qū)域內(nèi)，螺紋槽及螺紋槽周邊范圍形成低壓區(qū)域，使的電蝕產(chǎn)物趨向于螺紋槽流動(dòng)，在此處形成旋渦區(qū)，電蝕產(chǎn)物在壓力作用下向螺紋槽內(nèi)流動(dòng)，并沿螺線方向向上移動(dòng)。

( 2) 圓柱電極和螺旋電極速度場(chǎng)仿真結(jié)果如圖5 所示由圖5 可以明顯看出圓柱電極間隙流場(chǎng)為層流，而螺旋電極螺紋槽周邊間隙流場(chǎng)為紊流。首先螺旋電極在底部邊角處速度更大，減少了電蝕產(chǎn)物在此處的堆積。而在側(cè)向間隙區(qū)域內(nèi)，在螺紋槽內(nèi)形成明顯的旋渦區(qū)，使得電蝕產(chǎn)物進(jìn)入螺紋槽，并在螺紋上下面的壓力作用下沿螺線方向移動(dòng)。放電間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物，尤其是其中的團(tuán)聚結(jié)構(gòu)減少，進(jìn)而減少了側(cè)向流場(chǎng)內(nèi)的堵塞現(xiàn)象，電蝕產(chǎn)物的排出更通暢。

圖五：速度場(chǎng)仿真圖

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

該實(shí)驗(yàn)在D703F 高速電火花小孔加工機(jī)床上進(jìn)行，使用正極性加工，工作電壓為25 V，脈沖寬度為80 μm，被加工件為厚度10 mm 的不銹鋼，工具電分別為Φ3 mm，Φ2． 5 mm和Φ2 mm 的中空黃銅圓柱電極和螺旋電極，螺旋電極的螺紋寬度為0． 2 mm，深度為0． 2 mm，螺距2 mm，圖6 為實(shí)驗(yàn)用圓柱電極和螺旋電極，小孔加工工作示意圖如圖7 所示，在其它條件不變的情況下，改變加工電流得到加工速度隨電流變化如圖8 所示。

圖六：試驗(yàn)用圓柱電極與螺旋電極

圖七：電火花小孔加工工作示意圖

圖八：不同直徑螺旋電極與圓柱電極速度對(duì)比

圖8 表明，無論是圓柱電極還是螺旋電極，隨著加工電流不斷增大，加工速度也增大，但速度增大到一定程度后，隨著電流增加加工速度反而下降，其原因是隨著電蝕量的增大排屑能力達(dá)到了飽和，電蝕產(chǎn)物不能及時(shí)排出，從而導(dǎo)致電火花加工速度降低。橫向比較Φ3 mm，Φ2． 5 mm 和Φ2 mm三種直徑電極的試驗(yàn)結(jié)果可知，隨著電極直徑的減小，排屑能力不斷減弱，最大加工速度所處加工電流不斷變小。圖8還表明，無論Φ3 mm，Φ2． 5 mm 和Φ2 mm 直徑的電極，螺旋電極具有更強(qiáng)的排屑能力，所能達(dá)到的最大加工速度更大;并且在達(dá)到最大加工速度前，加工速度隨著電流的增大而提高的更快。這是由于螺旋電極改變了電火花小孔加工間隙流場(chǎng)內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，使得圓柱電極間隙流場(chǎng)的層流變?yōu)槁菪姌O的紊流。螺紋槽內(nèi)形成旋渦區(qū)，使得電蝕產(chǎn)物進(jìn)入螺紋槽，而由于流體能量減少，電蝕產(chǎn)物堆積在螺紋槽內(nèi)，并在螺紋上下兩壁面壓力下沿螺線方向向上排出，減少了放電間隙內(nèi)加工廢液堵塞的可能性，提高了其排屑速度和最大排屑能力。而當(dāng)螺旋電極排屑能力達(dá)到飽和后，螺紋槽內(nèi)不能再容納更多的電蝕產(chǎn)物，而紊流運(yùn)動(dòng)使得間隙內(nèi)流體能量損耗比圓柱電極大，這導(dǎo)致了流體對(duì)電蝕產(chǎn)物的沖擊力減小，使得間隙內(nèi)電蝕產(chǎn)物濃度更容易變大，所以在加工速度達(dá)到最大后，加工速度隨著脈沖電流的增大而降低的更快。

3 結(jié)論

( 1) 通過對(duì)電火花小孔加工的fluent 仿真和實(shí)驗(yàn)研究表明，使用螺旋電極改變了電火花小孔加工間隙流場(chǎng)內(nèi)流體的流動(dòng)狀態(tài)，使得圓柱電極間隙流場(chǎng)的層流變?yōu)槁菁y電極的紊流。螺紋槽內(nèi)形成旋渦區(qū)，使得電蝕產(chǎn)物進(jìn)入螺紋槽，流體能量減少，電蝕產(chǎn)物堆積在螺紋槽內(nèi)，并在螺紋上下兩壁面壓力下沿螺線方向向上排出，減少了放電間隙內(nèi)加工廢液堵塞的可能，進(jìn)而提高加工速度，在取得一定電參數(shù)的情況下，加工速度最大可提高20%。

( 2) 由于在實(shí)際加工過程中，流體在螺紋槽內(nèi)能量損失過于嚴(yán)重，導(dǎo)致其對(duì)電蝕產(chǎn)物的壓力減弱，使得電蝕產(chǎn)物在螺紋槽內(nèi)移動(dòng)速度過低，并且螺紋槽內(nèi)部空間較小，不足以容納過多的電蝕產(chǎn)物，所以導(dǎo)致螺旋電極對(duì)最大加工速度的提高較少，且容易達(dá)到最大加工速度。所以做出下列預(yù)測(cè):可以通過增大螺距來提高電蝕產(chǎn)物沿螺線方向的受力，應(yīng)用雙線螺紋或多線螺紋以增加螺紋槽密度，提高螺紋槽對(duì)間隙流場(chǎng)的影響，增加螺紋寬度以提高螺紋內(nèi)電蝕產(chǎn)物容量，進(jìn)而提高加工速度。

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