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TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工溫度場仿真（zhēn）研究

2016-11-7 來源：哈爾濱工業大學（xué）機電工程學院作者：馮業瑞，郭永豐，李宗峰

摘要：為深入研究TiC/Ni 金（jīn）屬陶瓷電火花加（jiā）工過程，進行了TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加（jiā）工單脈衝放電溫度場（chǎng）仿真。建（jiàn）立（lì）了TiC/Ni 金屬陶瓷顆（kē）粒隨機分布模型，運用ANSYS 軟件采用生死單元法對TiC/Ni 金屬陶（táo）瓷進行單脈衝溫度（dù）場仿真研究，並對結果進行了實驗驗證。結果表明：TiC/Ni 金屬陶瓷顆粒隨機分布模型適於TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工溫度場仿真，且（qiě）隨著（zhe）峰值電流及脈寬的增大，TiC/Ni 金屬陶瓷蝕除體積增加，表現為試驗時材料蝕除率增加。

關鍵（jiàn）詞：電火花加工；溫度場仿真；顆粒隨機分布模型；生（shēng）死單元法

TiC/Ni 作為一種（zhǒng）典型的金屬陶瓷材（cái）料，具有硬度大、強度高、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫（wēn）等（děng）優異特性，在航空航天、加工製造和石化工業等領域有著廣泛的應用前景[1-2]。由（yóu）於TiC/Ni 金（jīn）屬陶瓷采用機械加工方法加工難度大，影響了TiC/Ni 金屬陶瓷的推廣和應用。而電火花加工（gōng）是利（lì）用放電時的電熱作用對工件進行無接觸蝕除加工的（de），適合於任何難加（jiā）工導電材料，對於TiC/Ni 金屬（shǔ）陶瓷（cí）的加（jiā）工具有較大的優越（yuè）性。如果能對TiC/Ni 金屬（shǔ）陶瓷材料的電火花放電加工過程進行深入分析，對TiC/Ni 金屬陶瓷（cí）的電火花加工具有巨大的指導意義。

電火花加工（gōng）過（guò）程是一個複雜（zá）的瞬（shùn）態熱傳導（dǎo）過程，主要利用放電時的瞬時高溫作用來蝕除工件材料，因此，影響放（fàng）電蝕除作用的關鍵在於工（gōng）件加工部位表麵的溫度場分布。但（dàn）由於電火花加工具有（yǒu）放電時間短、放電間隙小、瞬時溫（wēn）度高等特點，現有檢測手（shǒu）段很難對放電過（guò）程（chéng）進行監測與觀察，而（ér）有限元數值模擬方法為研究電火花放電時的瞬態熱傳導過程提供了（le）一（yī）種手段。

國（guó）內外對單脈衝放電溫度場的仿真研究較多，但大多針（zhēn）對（duì）單一成分或將複雜成分簡化成單一均勻（yún）成分處理的材料進行建模[3-6]。TiC/Ni 金屬陶瓷材料是由不（bú）同組分的碳化鈦顆粒與金（jīn）屬鎳混合製備而成的（de），與單一的陶瓷相材料和單一的金屬相材料都有很大的差別（bié），屬性上並不是簡單（dān）的數值疊加。因此，本文建立碳化鈦顆粒（lì）隨機分（fèn）布模型，利用有限元數值模擬方法進行了TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈衝放電溫度場仿真蝕除研究，並進行了實驗驗證。

1. TiC/Ni 金屬陶瓷電（diàn）火花加工單脈衝放（fàng）電模型的建立

1.1 物（wù）理模型的建立

由於電（diàn）火花放電過程極其複雜，為更好地進行仿真運（yùn）算，首先對仿真條件做出簡化（huà）設定：放電熱源模型為高斯熱源模型，熱源加載麵為圓（yuán）形，且每次放電隻形成一個放電通道，熱量以熱傳導和對流換熱形式（shì）傳遞，忽略（luè）熱輻射等其他傳遞形式。圖1 是在設定條件下建立的TiC/Ni 金屬陶瓷（cí）電（diàn）火花加工單脈（mò）衝放電物理模型。在電火（huǒ）花放電加工過程中，當工件和電極之間距離極（jí）小時，兩者間絕緣介質被擊穿後形（xíng）成放電通道，放電通道的能（néng）量主要（yào）通過熱傳導的方式進入工件，同時（shí），工件吸收的部分能量在（zài）放電點周圍以對流換熱的（de）形式散失到（dào）放電間隙中。

圖1 TiC/Ni 金屬（shǔ）陶瓷電火花加工單脈（mò）衝放電物（wù）理模型

1.2 幾何模型的建立

由於材料的結構為硬質相TiC 顆粒隨機分布（bù）在粘接相Ni 中（zhōng），所（suǒ）以采用球形顆粒隨機分布模型建立材料幾何模型，其基本思（sī）想是首（shǒu）先確定碳化鈦顆粒分布區域和顆粒大小、數目，然後（hòu）利用程序產生隨機數（shù），將（jiāng）碳化鈦顆（kē）粒在（zài）區域內隨機分布，便可生成碳化鈦顆粒隨機分布模型。另外，在顆粒隨（suí）機投放的過程中需判斷顆粒的有效性，即要滿足如下限製（zhì）條件：

（1）TiC 顆粒必須在模型所（suǒ）設（shè）定的區域內（nèi）。

（2）顆粒（lì）間互不相交（jiāo），即任意兩（liǎng）顆粒的中心距大於兩顆粒半徑之和。

經測定碳化鈦顆粒粒徑範圍為（wéi）4~12 μm，通過ANSYS 中的APDL 語言編程實現了邊長為（wéi）100 μm的正方體（tǐ）1/4 仿真（zhēn）模型。為了更直觀地看到模（mó）型（xíng）單元的（de）劃分（fèn）情況（kuàng），分別提取（qǔ）了（le）基體單元和隨機（jī）分布顆粒單元，結果見圖2。

圖2 模型單元劃分結果

1.3 單脈衝放電熱源分（fèn）析

TiC/Ni 金屬陶（táo）瓷電火花加工單脈衝放電仿（fǎng）真采（cǎi）用高斯分布熱（rè）源模型。設qm為表麵最大熱流密度，k 為熱（rè）源集（jí）中係數，R（t）為t 時刻通道半徑（jìng），則放電通道中（zhōng）距離放電中心r 處的熱流密（mì）度（dù）可表述為：

在電火花加工中，單個脈衝放電能量集中，放電區域較小，高斯（sī）熱源（yuán）模型放電能量主要集中在（zài）放電通道中（zhōng）心處，在無限遠處趨近於零。

1.4 工件材料物理（lǐ）參數的確定

在TiC/Ni 電火花（huā）加工溫度場（chǎng）仿（fǎng）真研（yán）究中，選取碳化鈦、鎳和TiC/Ni 材料的物理參數見表1。

表1 碳化鈦、鎳（niè）和（hé）TiC/Ni 材料的物理參數

2. 仿真結（jié）果分析

2.1 峰值電流對材料蝕除的影響

為了更好（hǎo）地進行材料蝕除仿真分析，得到更直觀的材料溫度（dù）場仿真蝕除結果，采用生死單元法進行材料的溫度場蝕除仿真，並在ANSYS 軟件中編寫提取程序來進行蝕除單元（yuán）的（de）提取（qǔ），即（jí）將溫度場仿真（zhēn）結果中高於材料熔、沸（fèi）點的單元“殺死”，隻顯示出溫度（dù）小於材（cái）料熔、沸點的單元，從而很好地反映不同參（cān）數下材料的蝕除情（qíng）況。圖3 是不同峰值電流下的材料蝕除凹坑深徑（jìng）比，隨著峰值電流的增大，深徑比減小。圖4 是脈寬一（yī）定時（Ton=15 μs），不同（tóng）峰值電流下的材料熔化蝕除仿真結果。從（cóng）圖4 可看出，隨著（zhe）峰值電流的增大，材料蝕除凹坑尺寸（cùn）和蝕除體積均呈增大的趨勢。

圖3 不同峰值電流下的材料蝕除凹坑深徑比

圖4 不同峰值（zhí）電流下（xià）的材料蝕除仿真結果（guǒ）

圖5 不同峰值電流下的溫度分布

2.2 脈寬對材料蝕除的（de）影響

圖6 是峰值電流一定時（Ip=12 A），不同脈寬下的材料蝕除凹（āo）坑深徑比。可看出，隨著脈寬（kuān）的增大，深徑比先減（jiǎn）小後增大，當脈寬為20 μs 時，深徑比最小。圖7 是不同脈（mò）寬下的材料蝕除仿真結果。可看出，隨（suí）著脈寬的增（zēng）大，材料蝕除凹坑尺寸和蝕除（chú）體（tǐ）積均呈增大的趨勢。

圖8a 和圖8b 分別是沿半徑方向和深度方向脈寬對表麵溫度分布變化（huà）的影響曲線。從圖8a 可看出（chū），隨著脈（mò）寬的增加，工件表麵溫度升高，這是因為隨著脈寬的增（zēng）大，熱流密度加載時間變長，提供的熱量增（zēng）多，溫度會升高；同時，放電中心附近溫度最高，隨著位置的遠離溫度逐漸（jiàn）減小。半徑15 μm內溫度變化較快（kuài）；15 μm 外，隨著（zhe）距（jù）離的增加溫（wēn）度變化速率逐漸變緩，原因是熱流密度在加（jiā）載半徑範圍內加載，在越靠近中心位（wèi）置溫度越高，在加載半徑範（fàn）圍之外（wài）由於對流換熱係數是相同（tóng）的，會發生均勻（yún）散熱。從圖8b 可看（kàn）出，沿深（shēn）度方向溫度梯度較大，大脈寬（kuān）溫度梯度要小於小脈寬（kuān）溫度梯度，這可能是由於每個加載周期內脈寬（kuān）大時散熱時間較短（duǎn）導致的。

圖6 不同脈寬下的材料蝕（shí）除凹坑深徑比

圖7 不同脈寬下的材料蝕除結果

圖8 不同脈寬下的溫度（dù）分布

2.3 單脈衝放電材（cái）料蝕除分析

通過對（duì）TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加（jiā）工進行單脈（mò）衝放電溫度場仿真（zhēn）分析（xī），研（yán）究（jiū）峰值電流和脈寬的綜（zōng）合作用對TiC/Ni 金屬陶（táo）瓷材料蝕除的影響，得到不同峰值電流和脈寬下的材料蝕除凹坑半徑、凹坑深度和材料熔化、氣（qì）化蝕除量。采用式（2）的（de）形式（shì）對材料蝕除凹坑半徑、凹坑深度（dù）和材料熔化、氣化蝕除量與峰值電（diàn）流（liú）和脈寬（kuān）之間的關係進行擬合，得到的（de）擬合後的關（guān）係曲麵及擬合結果分別見圖9~圖（tú）11。

式中：a、b、c 為（wéi）公式擬合係（xì）數（shù）。

圖9 材料蝕（shí）除凹坑半徑與峰值電流和脈（mò）寬的關係

分析圖9~圖11 中材料蝕除凹坑半徑、深度和材料熔化氣化蝕除總量與（yǔ）峰值電流和脈（mò）寬的關係

圖10 材料蝕除凹坑深度（dù）與峰值電流和脈寬的關（guān）係

圖11 材料熔化氣化蝕除總（zǒng）量與峰值電流和脈寬的關係

曲麵可知，隨著峰值電流和脈寬的增大，材料蝕除凹坑半（bàn）徑、深（shēn）度和材料熔化氣化蝕除總量均呈增大的趨勢，這是因為隨著峰值電流和脈寬的增大，單脈衝放電能量增加，有利於材料的蝕除。

3. 加（jiā）工實驗驗證

3.1 峰值（zhí）電流對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工的影響

在極性、脈寬、脈間、伺服電壓一定的條件下，研究了峰值電流對TiC/Ni 金（jīn）屬陶瓷電火花加工的影響。試驗參數見表2，工件材料蝕除率隨峰值電流增加的變化趨勢見圖12。可看出，隨著峰值電流（liú）的（de）增大，工件材料蝕除率呈現出增（zēng）大的變化趨勢。峰值電流由0.64 A 增大到19.2 A 時，工件材料蝕除率由0.395 mm3/min 增（zēng）大到3.244 mm3/min，且增長趨勢較明顯。單個脈（mò）衝放電能量隨著峰值電（diàn）流（liú）的增加而增大，從（cóng）而使材料的單個脈（mò）衝蝕除量增多（duō），工件材料蝕除率增大。與（yǔ）仿真結果基本符合。

3.2 脈寬對TiC/Ni

金（jīn）屬（shǔ）陶瓷（cí）電火花加工的影響在極性、峰值電流、脈間、伺服電（diàn）壓、伺服速度、加工時間（jiān）和抬刀高度等（děng）參數一定的條件下（xià），研究了脈寬對TiC/Ni 金屬陶（táo）瓷（cí）電火花加工的影響。試驗參

圖12 峰值（zhí）電流對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工材料蝕除率的影響

數見（jiàn）表3，工件材料蝕除率隨脈寬的變化（huà）趨勢見圖13。可看出（chū），隨（suí）著脈寬的增大（dà）工件材料蝕除率先增大後減小，且（qiě）脈寬為30 μs 時工件材料蝕除率最（zuì）高。工件材（cái）料蝕除率（lǜ）的大小與放電能量的大小（xiǎo）有（yǒu）關，而隨著脈寬的增大，單個脈衝放電能量（liàng）增大，單個脈衝材料蝕除量增大，從而使（shǐ）工件材料蝕除率增大。從加工現（xiàn）象上看（kàn），當脈（mò）寬由5 μs 增大（dà）到30 μs 時，加工過程較穩（wěn）定，加工狀態較好。當（dāng）脈寬由30 μs 增大到80 μs 時，隨著脈寬（kuān）的增大，間隙內（nèi）蝕除產物增多，排屑不順暢（chàng），出現較多的拉弧、短路、回退等異常情況，使加工時間變長，工件材料蝕除率降低。由（yóu）於連續脈衝的排（pái）屑問題，使材料蝕除量變化與單脈衝放電仿真模型有所差別，但在小脈寬階段基本符合單脈衝（chōng）放電（diàn）仿真模型結果。

4. 結論

本（běn）文建立了TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈衝放電仿真模型，利用有限元數值模擬方法（fǎ）進行了TiC/Ni 金屬

圖13 脈寬對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工材料蝕除率的（de）影響

陶瓷電火花（huā）加工單（dān）脈衝放電溫度場仿（fǎng）真研究，並進行了實驗驗證，得到的主要成果和結論如下：

（1）建立了模擬TiC/Ni 金屬陶瓷材料實際（jì）結構的顆粒（lì）隨機分布模型，通過實驗驗證了該模型的（de）有效性，該模型比材料均一分布模型（xíng）更適用於TiC/Ni金屬陶瓷材料電火花加工單脈衝放電溫度場仿真。

（2）TiC/Ni 金屬陶瓷材料蝕除凹坑半徑、蝕除凹坑深度和熔（róng）化蝕除體積均隨著峰值電（diàn）流的增大而增大（dà），蝕除凹坑深徑比隨著峰值電流的增大而減小；材料蝕除凹坑半徑、蝕除凹坑深度和熔化蝕除體積均隨著脈寬的增大而增大，蝕除凹坑深（shēn）徑比隨著脈寬的增大先減小後增大，且當（dāng）脈寬為20 μs 時，深徑比最小。

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