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電火花線切割（gē）加工（gōng）Crl2MoV的溫度場仿（fǎng）真分析研究

2016-12-9 來源：太原理工大學機械工程學院作者：殷靜凱，李文斌

摘要：隨著（zhe）製造業的快速發展，科學經濟地提高（gāo）電火花線切割（gē）加工Crl2MoV模具鋼的加工質量變得尤為重要。為了（le）滿足這（zhè）一要求，通過仿真模擬電火花線（xiàn）切割加工Crl2MoV鋼的溫度場分布，來預測峰值電流的改變對表（biǎo）麵粗糙度的（de）影響，將白（bái）層厚（hòu）度考慮在（zài）內並且修正仿真凹坑深度值後，與實際加工的結（jié）果進行對比驗證，得出了更為吻合的修正凹坑（kēng）深度曲線（xiàn）與表麵粗糙度（dù）曲線，證（zhèng）實了利（lì）用ANSYS有限元分析軟件（jiàn）模擬電火花加工溫度場進行電參數的合理選擇，以此改善加（jiā）工質（zhì）量（liàng）的（de）可行性。為實際生產中電火花線切割加工Crl2MoV提供理論指導。

關鍵詞：Crl2MoV；電火花線切（qiē）割（gē）加工；ANSYS；峰值電流；溫度場

1.引言

隨著電火花加工技術的（de）快速發展，電火花線切割加工被（bèi）廣泛的應（yīng）用於模具工業、航空航天等領域|II。而Crl2MoV作為（wéi）一種重要的模（mó）具鋼，為滿足其（qí）在加工方麵高效率、高質量的要求，人們利用正交試驗（yàn）和各種優化方法來選擇電火（huǒ）花線切割的電參數與非電參數。但是隨著經濟社會的發展，需要（yào）探（tàn）求一種人力物力消耗少的方法（fǎ）對參數進（jìn）行優化與科（kē）學選擇。仿真分析軟件ANSYS在熱（rè）分（fèn）析（xī）方麵（miàn）的強大功能滿足了這一（yī）要求（qiú）。

電火花（huā）線切割加工的蝕除機理是利用可移動的金屬絲(一般為（wéi）鉬絲，銅絲)，對工件（jiàn）進（jìn）行放電加工。這（zhè）一（yī）放電加工過程大致包括：極間工作液(介質)的電離、擊穿，形成放電通道；材料的熔化（huà）、氣化熱膨脹；材（cái）料的拋出；極間工作液消電離圓。當電極絲與（yǔ）工件間施加足夠高的電壓時（shí）介質被（bèi）擊穿，形成放電通道。通道中的電子高速向正極移動，離子向負極移動，在同樣的電場力作用下，電子質量輕，動能高（gāo），與離子在正極附近發生碰撞，動能轉化成熱能，產生（shēng）遠高於工件熔點的高溫，以致被熔化，甚至氣化的金屬被拋（pāo）出，並被工作（zuò）液帶走。由於（yú）現有的設備很難觀察到（dào）電火花加工的過程，而利用仿真軟件ANSYS不僅能夠對此過程（chéng）有更加形（xíng）象的認識與了解，而且可對表麵粗糙度（dù）這一重要的加工性能指標進行預測。故模擬電火（huǒ）花線切割加_[Crl2MoV的溫度場具有非常重要的（de）意義，對電火花線（xiàn）切割加工（gōng）質量能夠滿足製造業快速發展的要求（qiú）起關鍵性作用。

許多學者對有限元仿真線切割加工的（de）溫度場進行了（le）研究。文獻岡探討了電火花（huā）線切割加工鎳基合（hé）金IN718的溫度場分布，且對材料去除率的仿真（zhēn）結果與試驗結果的進行對比分析。文獻利（lì）用有限元分析了電火花線切割加工過程中工件（jiàn）與電極絲的溫（wēn）度場並進行驗證，在進行表麵粗糙度（dù）仿真結果與試驗結果對比時，利用經驗（yàn）公式進行修正。文獻5}漠擬了移（yí）動熱源作用下電（diàn）火花（huā）線切割加工電極絲的溫度場，對走絲速度與電極絲損耗的關係進行了研究。但是關於仿（fǎng）真分析電火花線切割加工Crl2MoV鋼的溫度場（chǎng）鮮有報（bào）道，故本次研究采用隨時間變化的熱源作為熱流密度輸入，並且在對比表麵加（jiā）工質量的仿真結果與試驗結果過程中，考慮了自（zì）層的影響，利用顯微鏡測量它的厚度後進一（yī）步對仿真結果進行修正，取得（dé）了預期（qī）的效果（guǒ）。

2.模型的建（jiàn）立

2．1物理模型的（de）建立

分析（xī）研究的試驗（yàn）平台是北京某公司ACTSPARK FW一1型數控高速走絲電火花線切割機床，電（diàn）極絲采（cǎi）用D0．18 mm的鉬絲（sī），試驗材料為經過（guò）高溫淬火的Crl 2MoV鋼。建立電火花線切割加工（gōng）的（de）物理模型，如圖l所示。

圖（tú）1電（diàn）火花線切割（gē）加工物理模型

2．2數學模型（xíng）的建立（lì）

在模擬（nǐ）電火（huǒ）花線切割單次脈衝放電加工的溫度場分布時，其（qí）過程在幾十微秒的時間內即可完成。在幾十微秒內產（chǎn）生大量的熱量並且集中在很小的區域內，所以電火花線切割加工溫度（dù）場的分析屬於瞬態非線性傳導問題，對於（yú）非線性瞬態分析可得到圓（yuán）柱坐標係下的傳（chuán）導方程：

2．3放電通道（dào）半徑的確定

由於放電時間是微秒（miǎo）級，放電間隙是微米級（jí），所以放電通道的半（bàn）徑很難確定（dìng）。電火花加工過程中，擊穿極間介質到建立放電通道的時間一般小於0．1μs，接著等離子（zǐ）體放（fàng）電通道半徑（jìng）是隨時間的變（biàn）化（huà）而逐漸增大，形狀大致是圓（yuán）柱體嘲。前人經過研究得出放電通道半徑的公式為：

3.仿真分析

3．1建（jiàn）模與劃分網格

通過仿真（zhēn）前的分析可知，電火花（huā）放電蝕除材料的範圍很小，一般在幾十微米以內，因此合（hé）理的建（jiàn）模很重要（yào）。由（yóu）於分（fèn）析的模型是軸對稱的，所以建立半徑為80pLm的l／4圓形。單元類型選（xuǎn）擇時，二維熱實體采（cǎi）用4節點PIANE55進行建模，三維熱實體采用8節點的SOLID70進（jìn）行建模。

網格的劃分是ANSYS仿真分析過程中占用工作時間最長且最為關鍵的一步，網格劃分的優劣直接影響仿真分析結果的好壞。電火花線切割加（jiā）工溫度（dù）場在很小（xiǎo）的範圍內溫度急（jí）劇變化，因（yīn）此在（zài）放電點周圍的網格需要劃分的較細。基於對工作效率（lǜ）的考慮，在遠離（lí）放電點的區域（yù），其網格相對可以大些（xiē）。仿真分析劃分網格（gé）大小為5μm，並且在局部（bù）進行細化。劃分網格後的模型，如圖2所示。

圖2模（mó）型與網格劃（huá）分

3．2定義材料屬性

Crl2MoV鋼的導熱係數與比熱容是隨溫度變化的。電火花線切割加工過（guò）程中溫度（dù）急劇變化，可以通過ANSYS中Add Tem—perature功能將這些離散的參數輸入，係（xì）統會自動進行插值。c卜12MoV鋼的物理性能參數（shù），如表1所示。

表1 Crl 2MoV鋼（gāng）的熱物理性能參數

3．3荷載施加

3．3．1初始條件與邊界條（tiáo）件

電火花線切割加工Crl2MoV鋼的溫度場仿真分析是非線性瞬態熱分析過程，初始條件即為（wéi）初（chū）始溫度的施（shī）加，因此選擇剛開始(￡=o)的溫度為室溫20。C，施（shī）加到模型的每一個節點上。這樣得到（dào）物理模型的（de）邊界條件為：

圖3熱（rè）載荷施加示意圖（tú）

3.3．2熱流密度

當放電（diàn）通道形成後，電子（zǐ）與離子碰撞產生高溫。由（yóu）於通道中心的（de）帶電粒子密度最大，通道邊緣處（chù）密度較（jiào）小，所以在放電通道（dào）內，能量的分布大致（zhì）符合高斯分布，且碰撞（zhuàng）產生的能大部（bù）分以熱（rè）能形式分配到正負極上，由於極性效應，正負極所得到的能量分別占到40％和20％聞，而其餘能量（liàng）被工作（zuò）液帶走或者以熱輻射形式散失151。這樣熱流密度同樣以高斯分布形式作為表麵熱源輸人工（gōng）件表麵{]I。熱流密度q的表達（dá）式為：

式中：口(r，t)—熱流密度，它是一個隨時問和距通道中心距離變化而變化（huà）的值；滬嘲口工電壓，它的（de）值可通過線切割加工機床電壓表讀取；，_—峰值（zhí）電流；，r一能量分配係數，其值取0．4。

電火花線切割加工過程中（zhōng），放電通道很小，因此為簡化計算（suàn）。假設通道圓形截麵上的能量是均勻的，即熱流密度輸入（rù）是均勻的，將(4)式（shì）簡化後的（de）表達式為：

3．4求（qiú）解與結果（guǒ）分析

表2加工參數

保持其他電參數不變，通過改變峰值電流（liú）的大小，仿（fǎng）真分（fèn）析其對表麵粗糙度的影響，加（jiā）工參（cān）數（shù）列表（biǎo），如表2所示。峰值電流是決定單個脈衝能量的重要因素I·Ol，不同（tóng）峰值電流情況下，溫度場的分布雲圖，如圖4所（suǒ）示。由圖中（zhōng）可知，中心區域的溫度可達（dá）近（jìn）10000。C，並且隨著峰值電流的增大，中心區域的溫度也（yě）不斷增加。Crl2MoV鋼的熔點（diǎn）在(1000～l 150)％，在近達10000。C的高溫下（xià），工件材料（liào）迅速熔化氣化（huà），達到蝕（shí）除材料的目的。

圖4不同峰值電流下的溫度場分布雲圖

單個（gè）脈衝能量增大，則材料蝕（shí）除率增（zēng）加，但是表麵粗糙度（dù）會變差，因此峰值電流的改變必然（rán）會影響表麵粗糙度。在峰值電流（liú）I=5A時，溫度沿（yán）深度方向變化的曲（qǔ）線，如圖5所示（shì）。由圖可知沿著遠離（lí）熱流密度輸入表麵的方向，溫度逐漸降低。由於Crl2MoV鋼的熔點（diǎn）為1000—11500C，故將4個不同峰值電流情況下，沿深度方向溫度大於1150℃的長度認為是放電（diàn）加工完（wán）全蝕除（chú）工件材料形成（chéng）凹坑的深度，並把不同峰值電流下凹坑深度的變化趨勢繪入（rù），如圖6所示。

圖5 I=5A時沿深度（dù）方向的溫度分布曲線

圖6凹坑深度、表麵粗糙度和修正值趨勢圖

3．5試（shì）驗驗證

以仿真分析的試驗平台北京阿奇（qí）夏米爾公（gōng）司ACTSPARKFW一1型數控高速走絲電（diàn）火花（huā）線切割機床，通過相同的電參數進行加工。將獲得的(2x10x20)mm的試件（jiàn），利用TR220手持式粗糙度儀測（cè）量其表麵粗（cū）糙度Ra值，同樣將不同峰值電流（liú）下表麵粗（cū）糙（cāo）度的變化趨勢（shì）在圖6中表示，從圖6可以看出，通過仿真預測的表麵粗糙度趨勢與試驗結果相符（fú）。但是數值上有一（yī）定的偏差，這是由於白層的影響（xiǎng）。在放電加工（gōng）過（guò）程（chéng）中（zhōng），溫度急劇變化，一部分熔化材料來不及被工作液帶走就會迅（xùn）速冷卻（què）形成（chéng）一層凝固層，也就是白層[Ill。關於白層的厚（hòu）度，它不僅與電參（cān）數(峰值（zhí）電（diàn）流、脈（mò）寬（kuān）時間)，還與走絲速度有關係【121。利用三（sān）維（wéi）超（chāo）景深（shēn）顯（xiǎn）微鏡可以觀（guān）察到白層在最表層，接下來是（shì）熱影響（xiǎng）層，還（hái）有（yǒu）基（jī）體。峰值電流I=4A時的工件表麵形貌（mào），如圖7所示。峰值電流I---4A時工f牛側麵（miàn）觀察到白層、熱（rè）影響層以及基（jī）體的分布，如（rú）圖8所示。

圖7表麵形貌

因此，修正後（hòu）的（de）凹坑深度應為仿真凹坑深度減去白層的厚度，表3中所示為利（lì）用三維超景深顯微鏡觀察並測（cè）量峰值電流扛2，3。4，5A時白（bái）層（céng）的厚度。將得到的修正值的變化趨勢在圖6中表示出來，從圖6中可（kě）以看（kàn）出修正（zhèng）後的（de）值與實（shí）際表麵粗（cū）糙度已經很接近了。

表（biǎo）3白層厚度與修正（zhèng）值

4.結束語（yǔ）

通過上述分析與驗（yàn）證可知，利用ANSYS仿真分析電（diàn）火花線切割加工Crl2MoV鋼的溫度場分布能夠很好的預測峰值電流對表麵（miàn）粗（cū）糙度的影響。同樣的道理，利用相同的方法也可以研究其他（tā）電參數對表麵粗糙度的影（yǐng）響。

通過分析（xī）產生白層的原因，利用顯微鏡觀（guān）察驗證了這一結構的存在。在仿真分析的過程中（zhōng）將白層厚度的影響考慮在內，可（kě）以（yǐ）得到更加吻（wěn）合的曲線。該方法對合理優化參（cān）數，提高工作效率具有重要的作用，對實際生產中提高Crl2MoV鋼的加（jiā）工（gōng）質量具有一定的（de）指導意義。

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