電火（huǒ）花線切割（gē）加（jiā）工 Cr12Mo V 的溫度場仿真分（fèn）析研究-特種加工機床網-數控機床市場網（wǎng）

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電火花（huā）線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 的溫度場仿真分析研究

2017-5-15 來源：太原理工大學機械工程學院作者：殷靜凱，李文斌

摘要：隨著製造（zào）業（yè）的快速發展，科學經濟地提（tí）高電火花（huā）線切割加工 Cr12Mo V 模具鋼的加工質量變得尤（yóu）為重要。為了滿足這一要求，通過仿真（zhēn）模擬電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場分布，來預測峰值電流的（de）改（gǎi）變對表麵粗糙度的影響，將白層厚度考慮在（zài）內並且修正仿真凹坑（kēng）深度值後，與實際加工的結果進行對比驗證，得出了（le）更為吻合的修（xiū）正凹坑（kēng）深度曲線與表麵粗（cū）糙度曲線，證實了利用 ANSYS 有（yǒu）限元分析軟件模擬電火花加工溫度場進（jìn）行電參（cān）數的合理選擇，以此改善（shàn）加工質量的可行性。為實際生產中電火（huǒ）花線切割（gē）加工 Cr12Mo V 提供理論指導（dǎo）。

關鍵詞：Cr12Mo V；電火花線切割加工（gōng）；ANSYS；峰（fēng）值電流；溫度場

1.引言

隨著電火花加工技術的快速發展（zhǎn），電火花線切割加工被（bèi）廣（guǎng）泛的應用於模具工業（yè）、航空航（háng）天（tiān）等領域[1]。而 Cr12Mo V 作為一種重要的模具鋼（gāng），為滿（mǎn）足其在（zài）加工方麵高效率、高質量的要求，人們利用正交試驗和各種優化（huà）方法來選擇電火花線切割的電參數與非（fēi）電參數。但是隨著經濟社會的發展，需要探求（qiú）一種（zhǒng）人力物力消（xiāo）耗少的方法對（duì）參（cān）數進行（háng）優化與科學選擇。仿真分（fèn）析軟件 ANSYS在熱分析方麵的強大（dà）功能滿足了這一要求。電火花線切割加（jiā）工的蝕（shí）除機理（lǐ）是利用可移動的金屬（shǔ）絲（一般為鉬絲，銅絲（sī）），對工件進行放電加工。這一放電（diàn）加工（gōng）過程大致包括：極間工作液（介（jiè）質）的電離（lí）、擊（jī）穿，形成放電通道；材（cái）料（liào）的熔化、氣化熱膨脹；材料的拋出；極間工作液消電離[2]。當電極絲與工件間施（shī）加足夠高（gāo）的電壓時介質被擊穿，形成（chéng）放電通道。通道（dào）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（zhì）量輕（qīng），動能高，與（yǔ）離子在正極附近（jìn）發生碰（pèng）撞，動（dòng）能（néng）轉化成熱能，產生遠高於工件熔點的高溫，以致被熔化（huà），甚至氣化的金屬被（bèi）拋出，並被（bèi）工作液帶走。由於現有的設備很難觀察到電火（huǒ）花加工的（de）過程，而利用（yòng）仿真軟件 ANSYS 不僅能夠對此過程有更加形象的認識與（yǔ）了解，而（ér）且可（kě）對表麵粗糙度這一重要的加工性能指標進行預測。故模擬電火花線切（qiē）割加工 Cr12Mo V 的溫度場具有非常重要的意義，對電火花線切割加工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溫度場進行了研（yán）究。文獻[3]探討了電火花線切割加工鎳基合金 IN718 的溫度場分布，且對材料去除率的仿真結果與試驗（yàn）結果的進行對比分析。文（wén）獻[4]利用（yòng）有限元分析了電火花線切割加工過程中工件與電極絲的溫度場並進行驗證，在進行表麵（miàn）粗糙度仿真結果與試驗結（jié）果對比時，利（lì）用經驗公式進行修（xiū）正。文獻[5]模擬了移動熱源作用下電火花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（jiā）工 Cr12Mo V 鋼的溫度場鮮有報道，故（gù）本次（cì）研究采用隨（suí）時間變化（huà）的熱源作為熱流密度輸入，並且在對比表麵（miàn）加工（gōng）質量的仿真結果與試驗結果過（guò）程中，考慮了白層的影響，利用顯微鏡測量它的厚度後進一步對仿真結果進行修正，取得了預期的效果。

2.模型的建立

2.1 物理模型（xíng）的建立

分析研（yán）究的試驗平台是北京某（mǒu）公司 ACTSPARK FW-1 型數控高（gāo）速走絲電火花線切（qiē）割機床，電極絲（sī）采用 Φ0.18 mm 的鉬絲，試驗材料為經過高溫淬火的 Cr12Mo V 鋼（gāng）。建立電火花線切割加工的（de）物理模型，如圖 1 所示。

2.2 數（shù）學模型的建立

在模擬電火花線切（qiē）割單次脈衝放電加工的溫度場（chǎng）分布時，其（qí）過程在幾（jǐ）十微秒的時間內即可完成。在幾十微秒內產生大量的熱量（liàng）並且集中在很小的區域內，所以電（diàn）火花線切割加工溫度場的分析屬於瞬態非線性傳導問題，對於非線性瞬（shùn）態分析可得到圓柱（zhù）坐標（biāo）係下的（de）傳導方程：

2.3 放（fàng）電通道半（bàn）徑的（de）確定

由於放電時（shí）間是微（wēi）秒級，放電間隙是（shì）微米級，所以放電通道的半徑（jìng）很難確定。電火花（huā）加工過程中，擊穿極間介質到建立（lì）放電通道的（de）時間（jiān）一般（bān）小於 0.1μs，接（jiē）著（zhe）等離子體放電通道半徑是隨（suí）時間的變化而逐漸增大，形（xíng）狀大致是圓柱體[6]。前人[7]經過研究得出放（fàng）電通道半徑的公式為：

3.仿真（zhēn）分析

3.1 建模與劃分網格（gé）

通過仿（fǎng）真前（qián）的分析可知，電火花放電蝕除材料的範圍很小，一般在幾十微米以內，因此合理的建模很重要。由於分析的模（mó）型是軸對稱的，所以建立半徑為 80μm 的 1/4 圓形。單元類（lèi）型選擇時，二維熱實體（tǐ）采用 4 節點 PLANE55 進（jìn）行建模（mó），三維熱實體采用8 節點的 SOLID70 進（jìn）行建模。網格的劃分是（shì） ANSYS 仿（fǎng）真分（fèn）析過程中占用工作時間（jiān）最長且最為關鍵的（de）一步，網格劃分的優劣直接影響仿真分析結果（guǒ）的好壞。電火花線切割加工溫（wēn）度場在很小的範圍內溫度急劇變化，因（yīn）此在放電點周圍（wéi）的網格需要劃分的較細。基於對工（gōng）作效率的考慮，在遠離放電點（diǎn）的區域，其網格相對可以大些[8]。仿真分析劃分（fèn）網格大小為 5μm，並且在局部（bù）進（jìn）行細化。劃分網格（gé）後的模型，如圖 2 所示。

3.2 定義（yì）材料屬性

Cr12Mo V 鋼的導熱係數與比（bǐ）熱容是隨溫度變化的。電火花線切割加工過程中溫度急劇（jù）變化，可以通（tōng）過 ANSYS 中 Add Tem-perature 功（gōng）能將這些離散的參（cān）數輸入，係統（tǒng）會自動進行插值。Cr-12Mo V 鋼的物理性能參數，如表 1 所示。

表 1 Cr12Mo V 鋼的熱物理性能參數

3.3 荷載施加

3.3.1 初始條件與邊界條件

電火花（huā）線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度（dù）場仿真分析是非線性瞬態熱分析過程，初始條件即為初始溫度的施加，因此選擇剛開始（t=0）的溫度（dù）為室溫 20℃，施加到模型的每一個節點上。這樣得到物理模型的邊界（jiè）條件為：

3.3.2 熱流密度

當放電通道形成後，電子與離子（zǐ）碰撞產生高溫。由於通道中心的帶電（diàn）粒子密（mì）度最大，通道邊緣處密度較小，所（suǒ）以在（zài）放電通道（dào）內，能量的分布大致符合高斯分布，且碰撞產生的能大部分以（yǐ）熱能形式分配到正負極上，由（yóu）於極性效應，正負極所得到的能量分別占到 40%和 20%[8]，而其餘能量被工作液帶走或者以熱輻射形式散失[5]。這樣（yàng）熱流密（mì）度同樣（yàng）以高斯分（fèn）布形式作為表麵熱源輸入工件表麵[3]。熱流密度 q 的（de）表達式為：

式中：q（r，t）—熱流密度，它是一個隨時間（jiān）和距通道中心距離變化而變化的（de）值（zhí）；U—加工電壓，它（tā）的（de）值可通過線切割加工機床電壓表讀取；I—峰值電流；η—能量分配係數，其值取 0.4。電火花線切割加工過程中，放電通道很（hěn）小，因此為簡（jiǎn）化計算。假設通道圓形截麵上的能量是均勻的，即熱流（liú）密度輸入是均勻的，將（4）式簡化後的表達式為：

簡化後的熱流密（mì）度是一個關於時間的（de）函數，利用 ANSYS 中的函數編輯器編輯（jí）函數並通過加載器施加一個隨時間變化的熱流密度到模型表（biǎo）麵。

3.4 求解與結果分析

表（biǎo） 2 加工參數

保持其他電參數不變，通過改變峰值電（diàn）流（liú）的大小，仿真分析其對表麵（miàn）粗糙度的影響，加（jiā）工參數列表，如表 2 所示。峰值電流是決（jué）定單個脈衝能（néng）量的重要因（yīn）素[10]，不同峰（fēng）值電流情況下，溫度場的分布雲圖（tú），如（rú）圖 4 所示。由圖中可知，中心區域的溫度可達近10000℃，並且（qiě）隨著峰值電流的增大，中心區域的（de）溫度也（yě）不斷增加。Cr12Mo V 鋼的熔點在（1000~1150）℃，在近（jìn）達 10000℃的高溫（wēn）下，工件材料（liào）迅速熔化氣化，達到蝕除材（cái）料（liào）的目的。

圖 4 不同峰（fēng）值電流下的溫度場分布雲圖

單個脈衝能（néng）量增大（dà），則材料蝕除率增加，但是表麵粗糙度會變差，因此峰值電流的改變（biàn）必然會（huì）影響表麵粗糙度。在峰值（zhí）電流I=5A 時，溫度沿（yán）深度方（fāng）向變化的曲線，如圖 5 所示。由圖可知沿著遠離熱流密（mì）度輸入表麵的方向，溫度逐漸降（jiàng）低。由於 Cr12Mo V鋼的熔點為 1000-1150℃，故將 4 個不同（tóng）峰值（zhí）電流情況下，沿深度方向溫度大（dà）於 1150℃的長度認為是放電加工完全蝕除工件材料形成凹坑的深度，並把不同峰值電流下凹坑深（shēn）度的變化趨勢繪入，如圖 6 所（suǒ）示。

圖 5 I=5A 時沿深度方向的溫度分布曲線

3.5 試驗驗證（zhèng）

以仿真分析的試驗平台（tái）北京阿奇（qí）夏米爾公司（sī） ACTSPARKFW-1 型數控高速（sù）走絲電火花線切割機床，通過相同的電參數進行加（jiā）工。將獲得的（2×10×20）mm 的試件，利（lì）用 TR220 手持式粗（cū）糙度儀測量其表麵粗糙度 Ra 值，同樣（yàng）將不同峰值電流下表麵粗糙度的變化趨（qū）勢在（zài）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。但是（shì）數值上有一定的偏差，這是由於白層的影響。在放電（diàn）加工過程中，溫度急劇變化，一部分熔化材料來不及被工作液帶（dài）走就（jiù）會迅速冷卻形成一層凝固層，也就是白層[11]。關（guān）於白層的厚度，它不僅與電參數（峰值電流、脈寬時間），還與走絲速度（dù）有關係[12]。利用三（sān）維超景深顯微（wēi）鏡可以觀察到白層在（zài）最表層，接下來是熱（rè）影響層，還有基體。峰值電流 I=4A 時的（de）工件表麵形貌，如圖 7 所示。峰值電流 I=4A 時工件側麵觀察到白層、熱影響層以及基體的分布，如圖 8 所示。

因此，修（xiū）正後的凹坑深度應為仿真凹坑（kēng）深度減去白層的厚度，表 3 中所示為利用三維超景深顯微鏡觀察並測量峰值電流（liú） I=2，3，4，5A 時白層的厚度。將得到的（de）修正值的變化趨勢在圖 6 中（zhōng）表示出來，從圖 6 中可以看出修正（zhèng）後的值與實際表麵粗糙度已經很（hěn）接近了。

表 3 白層厚度與修正值

4.結束語

通過上述分析與驗證可知，利用 ANSYS 仿真分析電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場分布能夠很好的預（yù）測峰值電流對表麵粗糙度的影響。同樣的（de）道理（lǐ），利用相同的方法也可（kě）以研究其他電參數對表麵粗糙度的影響。通（tōng）過分析產生白層的原因（yīn），利用（yòng）顯微鏡觀察驗證了這（zhè）一結構的存（cún）在。在仿真分析的過程中將白層厚（hòu）度的影響考慮在（zài）內，可（kě）以得到更（gèng）加吻合（hé）的曲線（xiàn）。該方法對合理優化參數，提高工作效率具有重要的作用，對實際生產中提（tí）高 Cr12Mo V 鋼的加工質量具有一定的指導意義。

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