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螺旋電極電火花小孔加工排屑仿真和試驗

2015-11-13 來源：數控機床（chuáng）市場網作者：曹一龍，曹明讓（ràng），郝嶽峰，袁玉成

摘（zhāi）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重要問題。通過（guò）對工具電極改進，用螺旋（xuán）電極進行（háng）電火花（huā）小孔加工，使其改變加工過程（chéng）中間隙流場的流動狀態以及電蝕產物的受力，達（dá）到增強（qiáng）小（xiǎo）孔加工過程中（zhōng）的（de）排屑能力，進而提高加工速度的目的。利用Gambit 軟件建立仿真（zhēn）模型，應用Fluent 對小孔加工過程（chéng）中排屑進行仿真，對（duì）其壓力場和速度場進行分析，研究其加工機理。在D703F 高（gāo）速電火花小（xiǎo）孔加工機床上進行了試驗研究，結果表明螺（luó）旋電極電（diàn）火（huǒ）花小孔加（jiā）工速度最大提高了20%。

自從1943 年前蘇聯學者拉紮連（lián）柯( Lazarenko) 夫婦（fù）發現放電蝕除現象後，電火花加工在之（zhī）後的70 多年裏得到了飛速的發展（zhǎn），它已廣泛（fàn）應用於生（shēng）產實踐，據相關資料介紹（shào），目前電火花加工機床已占世界機床市場的6%。電（diàn）火（huǒ）花小孔加工是電火花加工的重（chóng）要組成部分，據統計帶（dài）孔零件（jiàn）大約占據了（le）零件總數的50% ～ 80%，電火花小孔加工作為目前加工小孔的一種重（chóng）要手（shǒu）段，因其可加工任（rèn）何導電材料而不（bú）受工件材料硬度限製，非接觸式加工，對工具的剛度和強度要求較低，被加工件表麵應力變化小等優點（diǎn），在實（shí）際工業中被（bèi）廣（guǎng）泛應用。在電火花小孔加工中，加工速度（dù）一直是其研（yán）究和應用中存在的主要問題，如何提高（gāo）加工速（sù）度是我（wǒ）們不斷探（tàn）討的命題。影響電（diàn）火花小孔加工速度的因素很多，如加（jiā）工電（diàn）參數（shù）、工作液及其它加工環境等（děng）。排屑能力是影響電（diàn）火花小孔加（jiā）工速度的（de）一個重要因素，眾所周知，電火花加工的電蝕產物如果不能及時排出放電間（jiān）隙之外，將（jiāng）會導致電極短路和非正常放電，最終（zhōng）使加工速度下降，甚至不能加工。在（zài）電火花小孔加工（gōng）中，為了改善排屑條件，提高加（jiā）工效率，研究人員做了各種嚐試，如采用超聲電火花複合加工，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（zēng）大排屑通道，達到改善排屑條件（jiàn）的目的; 還有從工作液入手，利用特（tè）殊工（gōng）作液，以減小電蝕顆（kē）粒的凝聚和沉降，進（jìn）而增強其排出性等。上海（hǎi）交（jiāo）通大學許加利等人用Fluent分別對（duì）圓柱電極和螺旋電極的底部和側（cè）麵流場進行仿真，得到了圓柱電極和螺旋電極在不同轉速下的加工速度對比，討論了電極轉速對加工速度的影響，得（dé）出螺旋電極可以提高電火花小孔加工的加工速度的（de）結論。本文研究了圓柱電極和螺旋電極間隙工作液流場（chǎng）流動狀態（tài）的區別，利用螺旋電極的方法，意在（zài）增大排屑通道的同時，使加工排出物在其排出過（guò）程中流動方（fāng）式改變，進而提高其排出性（xìng）和提高加工速（sù）度。

1 加工間（jiān）隙流（liú）場仿真（zhēn）

1.1 幾何模型

結合試驗研究中的（de）加工參數，仿（fǎng）真中工具電極外徑為3 mm 的黃銅空心圓柱電極和螺（luó）旋電極，加工深度為100mm，取放電間（jiān）隙為100 μm，設工作液（yè）為純（chún）水，溫度為25℃時，其動力黏度（dù）μ = 8． 94 × 10 － 4 Pa·s，運動粘度（dù）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並進行網格劃（huá）分。如圖2 所示。

圖二：網格（gé）劃分

1． 2 理論模型

在圓柱電極內，通（tōng）過雷（léi）諾數的計算並與臨界雷諾數對比，確（què）認（rèn）側向間隙內流體運動狀態，雷諾數Ｒe 表示為:Ｒe = vdρμ = vdν( 1)式（shì）中: v 為流（liú）速，d 為管徑、ρ 為動力黏度，ν 為運動粘度。通過計算可知圓（yuán）柱電（diàn）極側向（xiàng）間隙內水流的雷諾數小（xiǎo）於2 000，由此可以確定，側向間隙內工作液的運動狀態為層流。在螺旋電極的間（jiān）隙流（liú）場（chǎng）內，螺紋區域邊壁變化的局部阻礙為突變，如圖3 所示。

圖三：螺紋處流體流動示意圖

當流（liú）體通過突變（biàn）的局部阻（zǔ）礙時（shí），由於慣性力處於支配地位，流動不能像邊壁那樣突然轉（zhuǎn）折，於是在邊壁突變的地方，出現主流與邊壁脫離的現象（xiàng），主流與邊壁之間形成旋渦區（qū），旋渦區內（nèi）的流體（tǐ）並不是固定不（bú）變的（de），形成的大尺度旋渦，會不斷地（dì）被主流帶走，補充進（jìn）去的流體，又會出現新的旋渦，如此周而複始。擠壓的（de）力，使（shǐ）得電蝕產物在水流壓力和螺紋麵反作（zuò）用力（lì）的共同作用下達（dá）到水平分力相對平衡的位置。由於螺紋區流體的旋渦作（zuò）用導致局部能量損失，能量損耗可由方程

算（suàn）得:式中: hm為局部能量損失，ζ1和ζ2為管徑（jìng）變化的（de）局部阻力係數，v 為流速，A1為突（tū）變前（qián）流體截麵積，A2為突變後流體截麵（miàn）積，Δr1為螺紋最深位置與（yǔ）被加工件（jiàn）邊壁距（jù）離，Δr 為非（fēi）螺（luó）紋區域兩邊壁間隙距離（lí），Ｒ為工具電（diàn）極半徑，由於放電間隙相對於工具電極（jí）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及其周邊（biān）流體流速降低，作用力減小，從而導致電蝕產物（wù）、尤其是團聚結構進入螺紋後橫向壓力（lì）減少，使（shǐ）其在螺紋槽內堆積，並在延螺旋線方向分力的作用下順著螺紋向上移動，這（zhè）使得放電間隙內沉積物（wù）堵（dǔ）塞（sāi）現（xiàn）象得到緩解，從而減少了排屑不暢而導致的不斷抬刀（dāo）現象，提高加工速度。

1． 3 仿真結果及分析

( 1) 圓柱電（diàn）極和（hé）螺旋電極壓力場仿真結果如圖4 所示（shì）電火花小孔（kǒng）加工底部電蝕產物堆積（jī）使其在此處團聚（jù），團聚結構會導致在排出過程中（zhōng）通道堵塞。

圖四：動態壓力分布圖

從圖4 可以看出，圓柱電極和螺旋電極的間隙流場內都會有一（yī）定的壓力（lì）變化，相（xiàng）對於圓柱電極（jí），螺旋電極底部邊角壓差明顯變大。而壓差作（zuò）用於電蝕產物，促使（shǐ）電蝕產物不斷（duàn）向低（dī）壓區移動，使螺旋電極底部電蝕產物堆積（jī）現象（xiàng）得到改善。螺旋電（diàn）極側向間隙區域內，螺紋槽及螺紋槽周邊範圍形（xíng）成低壓區域，使的電蝕（shí）產物趨向於螺紋槽流動，在此處形成旋渦區，電蝕產物（wù）在壓力作用下向（xiàng）螺紋槽（cáo）內（nèi）流動（dòng），並沿螺線方向向（xiàng）上移動。

( 2) 圓柱電極和（hé）螺旋電極速度場仿真結果如圖（tú）5 所示由圖（tú）5 可以明顯看出圓柱電極間（jiān）隙流場為層流，而螺旋電極螺（luó）紋槽周（zhōu）邊間隙流場為紊流。首先螺旋電極在底（dǐ）部邊角處速度更大，減少了電蝕產物在此處的堆積。而在側向間隙區域內，在（zài）螺紋（wén）槽內形（xíng）成明顯的旋渦區（qū），使得電蝕產物進入螺紋槽，並在螺紋上下麵的壓力（lì）作用（yòng）下沿螺（luó）線方向移動（dòng）。放電間隙內電蝕（shí）產物，尤其是其中的（de）團聚結構減少，進而減少了側向流場內的堵塞現象，電蝕產物的排出更通暢。

圖五：速度場仿真圖（tú）

2 實驗結果及分析

該實驗在D703F 高（gāo）速電火花小孔加工機床上進行，使用正極性加工（gōng），工作電（diàn）壓為25 V，脈衝（chōng）寬度為80 μm，被加工件為厚度10 mm 的不鏽鋼，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（wéi）0． 2 mm，深度為0． 2 mm，螺距2 mm，圖6 為實驗用（yòng）圓柱電極和螺旋電極，小孔加工工作示意（yì）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（gōng）速度隨（suí）電流變化如圖8 所示。

圖六（liù）：試驗用圓柱電極與螺旋電極

圖七：電火花小孔加工工作示（shì）意圖

圖八（bā）：不同直徑螺旋電極與圓柱電極速度對比

圖8 表明，無論是圓柱（zhù）電極還是螺旋（xuán）電極，隨著加工電流不斷增大，加工速度也增大，但速度增（zēng）大到（dào）一定程度後，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（dà）排屑能力達到了飽和，電蝕產物不能及時排出，從而導（dǎo）致電火花加工速（sù）度降低。橫向比較Φ3 mm，Φ2． 5 mm 和Φ2 mm三種直徑電極的試驗結果可知（zhī），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（diàn）流不斷變（biàn）小。圖8還表明，無論Φ3 mm，Φ2． 5 mm 和Φ2 mm 直徑的電（diàn）極，螺旋電極具有更強的排屑能力（lì），所能達到的最大加（jiā）工速（sù）度更大;並（bìng）且在（zài）達到（dào）最大加工速（sù）度前，加工速度隨著電流的增大而提高的更快。這是由於螺旋電極改變了（le）電火花小孔加工間隙流（liú）場內流體的（de）流（liú）動（dòng）狀態，使得圓柱電極間隙流場的層流變（biàn）為螺旋（xuán）電極的紊流。螺紋槽內形（xíng）成旋（xuán）渦區，使得電蝕產物（wù）進入螺紋槽，而由於流體能量（liàng）減少（shǎo），電蝕產物堆積在螺紋槽內，並在螺紋上下兩壁麵壓力（lì）下沿螺線方向（xiàng）向上排出，減少了放電間隙內加工廢液堵塞的可能（néng）性，提高了其排屑速（sù）度和最大排屑能力。而（ér）當螺旋電極排屑能力達到飽和後，螺（luó）紋槽內不（bú）能再容納更多的電蝕產物（wù），而紊流（liú）運動（dòng）使得間隙（xì）內流（liú）體能量損耗比圓（yuán）柱電極大，這導（dǎo）致了流體對電（diàn）蝕產物（wù）的（de）衝擊力減小，使得（dé）間隙內電蝕產物濃度更（gèng）容易變大，所以在加工速（sù）度達到最大（dà）後，加工速度隨著脈衝電流的增大而降低的更快。

3 結論

( 1) 通過對（duì）電火花小（xiǎo）孔加（jiā）工的fluent 仿真和實驗研究表明，使用螺旋電極改變了電火花小孔加工間隙流場內流體的（de）流動狀態，使得圓柱電極間隙流場的層流（liú）變為螺紋電極的紊流（liú）。螺紋槽內形成旋渦區，使得電蝕產物進入螺紋槽，流體能（néng）量減少，電蝕產物堆（duī）積在螺紋槽內，並在螺紋上下兩壁麵壓力（lì）下沿螺線方向向上排出，減少了放電間隙內加工廢液堵塞的可能，進而提高（gāo）加工（gōng）速度，在（zài）取得一定電參數的（de）情況下，加工速度最大可提高20%。

( 2) 由於在實際加工過程中，流體（tǐ）在螺紋（wén）槽內能量損失過（guò）於嚴重，導致其對電蝕（shí）產物（wù）的壓力（lì）減弱，使得電（diàn）蝕產物在螺紋槽內移（yí）動速度過低，並且螺紋槽內部空間較小，不足以容納過多（duō）的電蝕產物，所以導致螺旋電極對（duì）最大加工速度的（de）提高較少，且容易達到最大加（jiā）工（gōng）速度。所以（yǐ）做出下列預測:可以通過增大螺距來提高電蝕產物沿螺線方向的（de）受力，應用雙（shuāng）線螺紋或多線螺紋以增加螺紋槽密（mì）度，提（tí）高螺紋槽對間隙流（liú）場的影響，增加（jiā）螺紋寬度以提高螺紋內電蝕產物容量，進而提高加工速度。

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