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液氮（dàn）冷卻實現電火花工具電極低損耗仿真研究

2017-8-1 來源：山東理工大學機械工程學院作者：畢方淇，李麗（lì）

摘（zhāi）要：工具電極損耗對工件的精度有較大（dà）影響．從電火花加工實質為熱能（néng）加工著手（shǒu），對常溫（wēn）和液氮冷卻下工具電極單脈衝放電溫度場進行對比、分析，通（tōng）過傳熱理論（lùn）得出常溫下和液氮冷卻時工（gōng）具電極（jí）表麵溫度場及其變化曲線．結果表明：脈寬內，液氮冷（lěng）卻（què）可降低（dī）放電點最高溫度和溫升；脈間內（nèi），液氮冷卻可將放電點溫度在極短時間內冷卻至初始溫度，從而減少因熱量累積導致的工具（jù）電極損耗．因此，液氮冷（lěng）卻可有效降低工具電極（jí）損耗．

關鍵詞：液氮；電火花；溫度場；冷卻（què）

電火（huǒ）花工具（jù）電極損耗是（shì）影響電火花加工精度的重要（yào）因素，也是學者研究的熱點．各類研究不僅從工具電極損耗機理進行深入（rù）探索，如（rú）今也（yě）已（yǐ）通過多種途徑實現對電火花工具電（diàn）極損耗的有效補償或降低：鄧（dèng）容等通過（guò）實驗提出了微細電火花（huā）加工的適時補償方法［１］；李冬林等通過試驗發現鑄造工具電極時，在鑄液中加入Ｃｌ－和某苯（běn）基（jī）添（tiān）加劑可強化鑄層的（de）耐（nài）電蝕性能［２］．李麗等經試驗驗證，通（tōng）過向銅基工具電極（jí）中沉積ＳｉＣ，可有效提高工具電極的抗（kàng）電蝕性能［３］；明平美等研究得出，向鑄造工具電（diàn）極鑄液中添加稀土元素，也可提高工具電極的抗電蝕性能［４］．但熱腐蝕才是電火花加工的物理本質［５］，設法通過降低工（gōng）具（jù）電極溫度來降（jiàng）低損耗也是一種十分有效的方法，

因此液氮冷卻實（shí）現電火花工具電極（jí）低（dī）損耗是電火花加工領域研究的熱點，Ｓｉｄｈｕ　Ｂｕｔａ　Ｓ等（děng）研究認為，使用超低溫處理過的電極可延長（zhǎng）電極壽命，提高加工精度［６］．Ｓｒｉｖａｓｔａｖａ　Ｖ等認為（wéi）通過使用超（chāo）低（dī）溫對電極進（jìn）行冷（lěng）卻，不但（dàn）可以降低工具電極（jí）損耗，同時能夠提高加工精度，但可能導致表麵（miàn）微裂紋的產生［７－９］．

本文通（tōng）過（guò）ＡＮＳＹＳ　ＦＬＯＴＲＡＮ　ＣＦＤ流體仿真及熱傳導理論對降低工具電極損耗的方法進行研究．

１.分析方法（fǎ）及有（yǒu）限元模型

１．１理（lǐ）論模型

工具（jù）電極放電區域的冷卻（què）模型應建立（lì）在穩（wěn）定的冷卻工作介質（zhì）流動基礎上，不應簡單施（shī）加溫度邊界載荷．同時，現有仿真均對電火花進行微觀建模仿真（zhēn），不考慮宏觀因素，該方法不適用於本文所要處理的問題．因此，本文按照液氮冷卻裝置實際大小建立有限元仿真模型，並將放電區（qū）域進行足夠程度加密．仿真分為４個步驟：（１）建立冷卻流體流動區域模型（xíng），加（jiā）載邊界條件，進行（háng）穩態流場分析；（２）在穩態流場下，計算流場穩定（dìng）後的工具電極溫度場；（３）在工具電極表麵放電點處施加熱生成載荷，瞬態模擬脈寬（kuān）內火花放電並計（jì）算放電（diàn）點處溫度場（chǎng）及溫度上升曲線；（４）去除熱生成（chéng）載荷，瞬態模擬脈間內冷卻流體及工作介質的（de）冷卻（què）作用．由此，完（wán）成一個完整的單脈衝放電模擬過（guò）程．選擇液氮作（zuò）為（wéi）冷卻流體，並作（zuò）如下假設：（１）液氮在工作過程中不發生相變；（２）液氮為不可壓縮連（lián）續流（liú）體（tǐ）［１　０］；（３）流場穩（wěn）定後處於穩定狀態，流（liú）場物理（lǐ）量隻與空間歐拉坐標有關而與時（shí）間無關［１　０］；穩態流場計算後，繼續進行（háng）穩態溫度場分析，本文采用ＡＮＳＹＳ　ＦＬＯＴＲＡＮ　ＣＦＤ進行分析，因（yīn）此，流場（chǎng）迭代收（shōu）斂（liǎn）後，溫（wēn）度場將自然收斂［１　１］．單脈衝瞬態溫度場分析（xī）時，首先需計（jì）算（suàn）理論模型可承受最大單脈衝火花放電能量，可根據其電容及電路損耗，經由下式進行（háng）計算［１　２］:

式中：Ｗ為放電（diàn）間隙（xì）釋放總（zǒng）能量（Ｊ）；Ｕ（ｔ）為極間電壓（Ｖ）；Ｉ（ｔ）為放（fàng）電電流（Ａ）；Ｔ為放電持續時間（ｓ）．１．２　工具（jù）電極液氮冷卻工具（jù）電極液氮冷卻示意（yì）圖如圖（tú）１所示，液氮冷卻電火花加工所采用的機床可以是普通的電火花加（jiā）工機床，不同之處（chù）在於：工具電極外側包裹了一個腔，在腔的左右兩側各有一個高低不同的開口，當（dāng）電火花加工時，將液氮從較高的開口送入內腔，對工具電極進行冷卻，繼而從較低的開口溢出，從而完成對工具電極的冷（lěng）卻。

圖１　工具電極液氮冷卻示意圖

１．３數值分析模型

仿真模型尺（chǐ）寸如圖（tú）２所示．

圖２　仿真模型（xíng）尺寸

如（rú）圖２所示，最外麵一層（céng）剖麵線（xiàn）稀疏區域Ａ為鋼套，通過工裝固定在火花機（jī）主軸（zhóu）頭；中間一層區域Ｂ為液氮；最（zuì）裏麵一層區域Ｃ為紫銅工具電極；在工具電極下麵為薄（báo）薄的一層區域Ｄ，代表工作介質；最下麵（miàn）一層區域Ｅ為鋼工件．其具體尺寸為：（１）直徑位（wèi）置區域：流體出口Ｄ１＝３ｍｍ；流體入口Ｄ２＝３ｍｍ；工具電（diàn）極直徑Ｄ３＝２０ｍｍ；流（liú）體內徑Ｄ４＝２２ｍｍ；鋼套外徑（jìng）Ｄ５＝３２ｍｍ。（２）螺紋尺寸：工具電極固定螺紋孔Ｍ１為Ｍ３的螺紋孔。（３）豎直距離區域：工具電極固定螺紋孔豎直定位（wèi）Ｈ１＝３ｍｍ；流體出口豎直（zhí）定位Ｈ２＝３０ｍｍ；流體入口豎直定位Ｈ３＝９ｍｍ；鋼套總高度Ｈ４＝３９ｍｍ；鋼套底部厚度Ｈ５＝５ｍｍ；鋼套頂部壁厚Ｈ６＝４ｍｍ；工具電極高度Ｈ７＝３４ｍｍ．（４）位置及厚度區域：工件厚度Ｌ１＝１ｍｍ；工作間隙Ｌ２＝５０μｍ；工具電極底麵（miàn）與鋼套底麵距離Ｌ３＝２ｍｍ。由於工作模型較為複雜，為減（jiǎn）少網格數量並減少無意義（yì）仿真運算量，對仿真模型進行簡化，去除鋼套、工作介質及工件，並減少工件長度．實際建立仿真（zhēn）模型（xíng）如圖３所（suǒ）示．其具體尺（chǐ）寸為Ｈ８＝４ｍｍ，Ｈ９＝３１ｍｍ，Ｈ１０＝５ｍｍ，Ｈ１１＝３０ｍｍ．由（yóu）於銅（tóng）在低溫（wēn）時熱導率比常溫時要大，而在熱傳導中，熱導率起主要作用，因此減少４ｍｍ工具電極長度對仿真精度的影響可以忽略．

圖３　實際（jì）建立仿（fǎng）真模型

根據圖３建立三維裝配體（tǐ）仿真模型並進行網格劃分，如圖４所示．其中（zhōng）淺色（sè）區域（yù）為（wéi）冷卻流體，深色區域為工具電極．所有網格均采用正六麵體（tǐ）結構化網格，無關性檢驗後，網格單元總數為４７８　８９１，其中流體區域１５３　４４７，工具電極３２５　４４４．由於該仿真建立的是宏觀模型，因此必（bì）須對放電區（qū）域進行網格加密至微米級（jí）別，但（dàn）由於（yú）如此加（jiā）密將大大增加仿真運算量，因此將網格略微稀疏至２０μｍ．網格加密如圖５所（suǒ）示．雖然網格有所稀疏，但反映的（de）液氮對工（gōng）具電極降低損耗的趨勢是完全相（xiàng）同的，因此並（bìng）不影響方法驗證的可靠性．在穩態流場和穩態溫度場分析後（hòu），將進行瞬態溫度場分析，由於石墨電極可適用最大電流密度為３～５Ａ／ｃｍ２，紫銅電極可達到的電流密度稍大［１３］．因此選取仿（fǎng）真電流密度５Ａ／ｃｍ２，根據工具電極直徑 ΦＤ３＝２０ｍｍ可知，最大電流為（wéi）１５Ａ，電流密度１５Ａ時最佳脈寬９０μｓ．根據放電能量計算公式以及工具電極（jí）獲得能量比例份數［１４］，可計算得知工（gōng）具（jù）電極獲得的（de）脈衝能量約為１．２×１０６。

２.仿真及（jí）結果分析

２．１流場仿真及結果分析

建（jiàn）立三維電火花加工模型進行（háng）穩態（tài）流場分析，由於液氮密度較大（dà），在－１９５．８°Ｃ時，其密（mì）度（dù）ρＬＮ＝８０８．３ｋｇ／ｍ３，接近於水的密度，若選擇缸套下方為流體入口，液氮壓出將需要較大（dà）壓力，且冷卻效果（guǒ）不易控製（zhì），同時液氮消耗較大．因此選擇（zé）缸套上方為流體入口，入口壓力４ｋＰａ，調節收斂條件，對模型進行６００次迭代穩態分析，得（dé）到圖６液氮穩態流場矢量圖．從圖６中可以看出，流體速度最高處在鋼（gāng）套底部流（liú）體出口位置，最高速度為９．３６５　３２ｍｍ／ｓ．

２．２　穩態溫度場仿真（zhēn）及（jí）結果分析

以圖６所示流場為（wéi）基礎，關閉流（liú）體流動計算，對流體區域施加流體溫度載荷－１９３°Ｃ，在工具電極底麵施加熱對流（liú）邊界條件，環境溫度２０°Ｃ，迭代運（yùn）算２００次，得到如（rú）圖７所示的穩定流場下溫（wēn）度場（chǎng）雲（yún）圖．

從圖７可以看出，除施加熱（rè）對流邊界（jiè）條件表麵，工具電極其餘基體材（cái）料溫（wēn）度均在２０°Ｃ之下．這是因為在仿真中，施加熱對流載荷必須設定環境溫度，因此，工具電（diàn）極底麵在不施加熱生成載荷時最低溫（wēn）度為（wéi）２０°Ｃ，但（dàn）在（zài）現實（shí）加工及冷卻時，由於液（yè）氮不斷吸（xī）收熱量，放電（diàn）點周圍溫度將低於２０°Ｃ．

２．３　脈寬內瞬態溫度場仿真及脈寬結束時結果分析

得到（dào）穩態溫度場之後，於工具電極底麵加密（mì）區域（yù）施加數值分析時計算出（chū）的熱（rè）生成載荷１．２×１０６並按照脈寬（kuān）設定瞬態分析步長（zhǎng）及（jí）迭代次數：脈寬９０μｓ，步（bù）長０．０１ｓ，迭代次數９次，子步數設（shè）為１０步．為證（zhèng）明（míng）液氮對工具電極（jí）冷卻效果和對降低工（gōng）具電極損（sǔn）耗的作用，此處分為兩個仿（fǎng）真，並進行結果對比：脈寬結束時液（yè）氮（dàn）冷卻穩態溫度（dù）場下（xià）工具電極局（jú）部瞬（shùn）態溫度（dù）場如（rú）圖８

所示，脈寬結束時常溫及常規冷卻下工具電極局（jú）部瞬態溫度場如圖９所示．

根據對比可知（zhī）在放電脈寬結束（shù）時，液氮冷卻下（xià），

相同的脈（mò）寬和放電能量內，放電點達（dá）到的（de）最高溫度隻有１　４５０．２°Ｃ，低於（yú）常溫冷卻時相同放電（diàn）位置達到的最高溫度１　５７７．１°Ｃ．兩（liǎng）仿真具有相同的電參數和脈寬，即具有（yǒu）相同的放電能量，而在相（xiàng）同位置施加（jiā）同樣的熱生成載荷（hé）時，該單元的溫度上升應該是相同的．但經（jīng）過（guò）液氮冷卻的工具電極局部基體溫（wēn）度較低，因（yīn）此從一個較低的溫度起始點增加一（yī）個相同溫升便會得到（dào）一（yī）個較低的溫（wēn）度．但實際仿真（zhēn）結果並不這麽簡單，放電脈寬結束時（shí），液氮冷卻下放電點最高溫度為１　４５０．２°Ｃ，而常溫冷卻時放電溫度達到１　５７７．１°Ｃ，兩者之間的溫度差僅為－１２７°Ｃ，大大小於－１９３°Ｃ．相同放（fàng）電點達到的最高溫度不（bú）同的原因主要有兩點：（１）工具電極（jí）放電點與工具電極內部基體（tǐ）發（fā）生熱交換，由於（yú）液（yè）氮（dàn）冷卻時工具電極內部溫度要低於常溫，因此，其熱交（jiāo）換（huàn）效率高於常溫冷卻，因此液氮（dàn）冷卻模型（xíng）放電點處溫度將低於常溫冷卻下放電（diàn）點溫度．（２）在工具電（diàn）極底麵施加熱的對流載荷，將不斷產生工具電極與外界環境的（de）熱交換，使（shǐ）得放電點處溫度無法達到－１９３°Ｃ，從（cóng）而部分削（xuē）弱液氮的冷卻效果，使得兩仿真溫差達不到１９３°Ｃ．除此（cǐ）之外，根據紫銅的熱（rè）力學屬性（xìng）可以知道，紫（zǐ）銅的熱導率隨溫度的降低會略微增加，而比熱容略微減（jiǎn）小，但由於在傳（chuán）熱過程中熱導率起主導作用（yòng），因此，液氮循環也會略（luè）微增加紫銅的導熱性（xìng）能，從而加快放電點處熱（rè）量向基體內部傳導，這也將對仿真結（jié）果起到一定影響．

２．４脈間內瞬態溫度場仿（fǎng）真及脈間結束時結果分（fèn）析

電火花（huā）加工中，在兩次放電之間必須有脈（mò）衝（chōng）間隔的存在（zài），主要目的是衝（chōng）走電蝕（shí）產物、冷卻放（fàng）電（diàn）點和促（cù）使被擊穿（chuān）工作介質消電離（lí）．因此，在脈寬仿真後繼續進行脈間瞬態溫度場仿真才能更真實體現液氮循環對電火花工（gōng）具電極放電的冷卻（què）效果．根據實際加（jiā）工參數，脈間選取為３０μｓ．此時（shí）刪除脈寬仿真時施加的熱載荷，並設定瞬（shùn）態分析步長及迭代次數：脈間（jiān）３０μｓ，步長０．０１ｓ，迭代次（cì）數３次，子步數設為１０步．圖１０為脈間結束時液氮冷卻瞬態溫度場，圖１１為脈間結束時常溫冷卻瞬態溫（wēn）度場．

由圖（tú）１０可以看出，脈間結束時，經液氮冷卻後，放電點周圍最高溫度為２２．３７６　８°Ｃ，基本達到放電前初始（shǐ）溫度；而圖１１顯示常（cháng）溫冷卻下（xià）脈間結束時，靠近工作（zuò）介質表麵溫度雖達到４１．７０３　８°Ｃ，但基體內部最高溫度（dù）卻達到１１７．６６７°Ｃ．因此（cǐ），在常溫冷卻下，若後續放電點位於該放電（diàn）點周（zhōu）圍（wéi）時，將極易導致工具電極（jí）放電點及其周圍區域發生熱量累積，從（cóng）而造成（chéng）工具電極損耗增加；相反，通入液氮循環後，工（gōng）具電極單（dān）脈衝放電點處無（wú）論基（jī）體還是（shì）表麵，最高溫度隻有２２．３７６　８°Ｃ，與放電前溫度極為接（jiē）近，無法造成熱量的累積，降低（dī）了工具電（diàn）極因熱量累積（jī）產生的損（sǔn）耗，從而（ér）提高了工件（jiàn）加工精度（dù）．而且由於通入液氮後出（chū）色（sè）的工具電極冷卻效（xiào）果，在降低工具電極溫度的同時也將降低了工作介質溫度並加（jiā）快了工作介質冷卻速度（dù），繼而降低單（dān）個脈（mò）衝放電後（hòu）放電（diàn）通道內粒子的自由能，使得正負粒子（zǐ）更易（yì）於複合，從（cóng）而極大程度減少二次放電（diàn），再次提高工件加工（gōng）精度．

２．５放電點處節點溫（wēn）度變化

為說明脈寬和脈間內液氮冷卻所起到的作用，建立了液氮冷卻下火花放電點處的（de）溫度變化曲（qǔ）線如圖（tú）１２所示．從圖（tú）１２中可以清（qīng）晰的看出，通過液氮冷卻，放電點處在受熱後（hòu）迅速升溫至１　４５０．２°Ｃ，而在３０μｓ脈間後重新回到放電前初始溫度．由此，得（dé）出結論：在放電脈寬內，液氮冷卻降低（dī）了工具電極局部能達到的最高溫度（dù），並（bìng）提高工具電極的熱導率（lǜ），在一定（dìng）程度上降低了工（gōng）具電極損耗；在脈間內，液氮冷卻可使放電點在（zài）極短時間內回複放電前初（chū）始溫度，從而防止熱量累積（jī），有效降低工具電極（jí）損耗．

圖１２　液氮冷卻下火花放電點處溫度變化（huà）曲線

３.結束語

通過常溫和液氮冷（lěng）卻電火（huǒ）花加工對比仿真、分析得知：在放電脈寬（kuān）內，液氮冷卻可降低工具電極（jí）放電點（diǎn）能達到的最高溫度，並提高工具（jù）電極的熱導率和放電表麵熱交（jiāo）換效率，使得（dé）熱量以更（gèng）快的速率向工具（jù）電極基體內傳導，在一定程度上降低了工（gōng）具（jù）電極損耗；在脈間（jiān），液氮可使放電點以極快的速率降低溫度，基本回複放（fàng）電前初始溫度，有效防止發生熱量累積，從而降低工具電（diàn）極損耗並提高工件表麵質量．

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