微细电火花沉积加工工艺研究

微细电火花沉积加工工艺研究12机械设计制造及其自动化二班120511057白雪景摘要：微细电火花加工是电力、磁力、热力、流体动力、电化学等综合作用的过程，但其本质是热过程，其中热力在微细电火花加工过程中起了决定性的作用。因此，研究微细电火花加工中温度场的变化规律是十分必要的。关键词:微细电火花加工；温度场仿真；有限元；MARC软件Abstract:Micro-EDMistheelectrical,magnetic,thermal,fluiddynamics,electrochemistryandothercomprehensiveprocess,butitsessenceistheprocessofheat,heatplayedadecisiveroleinthemicro-EDMprocess.Therefore,thestudyofthetemperaturevariationinmicro-EDMisverynecessary.Keywords:Micro-EDM；TemperatureFieldSimulation；Finiteelement；MARCSoftware第一章绪论1.1课题研究的目的和意义微细电火花加工是电力、磁力、热力、流体动力、电化学等综合作用的过程，但其本质是热过程。在微细电火花加工过程中，对工件的蚀除作用力虽然很多很复杂，但热力起了最主要的作用。因此，模拟微细电火花加工过程中工具电极和工件的温度场变化规律对于理解微细电火花加工的机理和特点具有重要的作用，此外，研究温度场的规律也可以预测工艺参数，这对于改进加工方法，提高工件加工速度，提高表面加工质量也具有重要的意义。1.2微细电火花加工的研究现状及成果现代制造技术的发展有两大趋势，一个是向着自动化、柔性化、集成化、智能化等方向发展，即现代制造系统的自动化技术；另一个就是寻求现有制造技术的自身微细加工极限。微细电火花加工技术具有电极制作简单、电极与工件间宏观作用力小、可控性好等优点，微细电火花加工技术已成为微机械制造领域的一个重要组成部分，在精密机械加工、微电子技术、生物医学工程、航空航天、光学、通讯、模具等领域有着广泛的应用前景。1.3有限元法仿真在电火花加工中的应用随着计算机技术的不断发展，使仿真技术在工业中得到越来越广泛的应用，其中数值模拟方法，特别是有限元方法，作为一种先进的科学手段，具有物理意义明确和易于考虑边界条件等优点，是进行电火花加工机理研究的有效途径。1.4课题的主要研究内容微细电火花加工是从传统电火花加工中演变出来的一种新的加工方法，虽然机理方面和传统的电火花加工并没有本质上的区别，但其能加工微细结构的特点还是与电火花加工有着很多的区别的。本课题将就微细电火花加工技术的以下问题进行研究：（1）以传统电火花加工理论为基础，从电火花加工中影响材料放电蚀除的主要因素入手，分析微细电火花加工的机理和特点。（2）建立微细电火花加工的热源模型，用MARC软件模拟微细电火花加工过程中工具电极和工件温度场变化。（3）通过对比气体和液体介质中，不同极性，不同材料的温度场变化，分析和揭示微细电火花加工过程中工具电极和工件温度场变化规律及特性。（4）分析模拟工具电极和工件温度场变化对于研究微细电火花加工的重要作用和意义。第二章微细电火花加工的相关原理2.1微细电火花加工的基本原理工具电极和工件分别接在脉冲电源的两极，两极之间有一定的间隙，间隙充满工作介质。当两极间加上脉冲电压时，由于工具电极与工件表面微观不平，使极间电场分布不均匀。工具电极在伺服机构的控制下向工件进给，当极间的间隙减小到一定值时，导致介质在相对最小间隙处或绝缘强度最低处电离击穿，形成放电通道，在该局部产生瞬时脉冲火花放电。在脉冲间隔期间，两电极间消电离，工作介质恢复绝缘状态。重复上述过程，虽然脉冲放电蚀除的工件材料量极少，但因每秒有成千上万次脉冲放电作用，就能蚀除较多的工件材料，完成微细电火花加工。2.2微细电火花加工的微观过程（1）极间介质的电离、击穿，形成放电通道。（2）电极材料的融化，汽化热膨胀。（3）电极材料的抛出。（4）极间介质的消电离。2.3微细电火花加工的实现条件（1）工具电极和工件电极之间必须维持合理的距离。（2）两电极之间必须充入介质。（3）输送到两电极间的脉冲能量密度应足够大。（4）放电必须是短时间的脉冲放电。（5）脉冲放电需重复多次进行，并且多次脉冲放电在时间上和空间上是分散的。（6）脉冲放电后的电蚀产物能及时排放至放电间隙之外，使重复性放电顺利进行。2.4微细电火花加工的工作介质选择据研究表明，在气体中进行放电沉积加工比较理想，因为在气体介质中加工对沉积材料的冲击较弱，只有少部分碎屑飞出，对沉积物的形成十分有利。同时，在气体介质中熔融金属的冷却速度比在液体介质中熔融金属的冷却速度慢很多，使熔化的电极材料容易附着在工件表面上。另外，气体中进行放电加工时，放电间隙内部不存在液体加工时的加工屑漂浮现象，放电结束后可以迅速恢复间隙的绝缘状态，减少了电弧放电的发生，这样更有利于沉积加工的稳定进行。2.5微细电火花加工技术的特点（1）同其他加工法相比，由于MEDM的宏观作用力极小，所以能加工细、薄的工件，不会因工具的弹性变形而使精度受到影响。（2）能加工硬度高，韧性大的材料。（3）工具的旋转不再是绝对的条件，由于工具的所有表面都起到加工作用，所以工具的形状及被加工形状的自由度都很高。也就是说，MEDM在微细程度、加工精度、加工对象的材质以及加工形状等许多方面同使用其他工具的加工方法相比，有其显著的特点和优越性。2.6本章小结本章研究了了微细电火花加工的基本原理，其本质是个热过程。微细电火花加工的微观过程为：（1）放电通道的形成；（2）电极材料的融化，汽化热膨胀；（3）电极材料的抛出；（4）极间介质的消电离。在微细电火花加工中，选择不同的工作介质适合不同的加工，选择液体工作介质更适合于去除加工，而选择气体工作介质更适合于沉积加工。在微细电火花加工过程中存在极性效应，即尽管使用同种材料的工具电极和工件，两极的蚀除量仍然存在差异的现象。最后分析了微细电火花加工技术的特点，也是这种加工方法的优越性，即宏观作用力极小，加工材料选择性广，加工自由度、灵活性高等特点。通过这章，可以更深入的了解微细电火花加工的基本理论和特点，也为对微细电火花加工进行下一步分析和研究奠定理论基础。第三章单脉冲条件下微细电火花加工的温度场仿真分析随着现代科学技术的发展，数学模型和数值模拟技术的地位和作用越来越重要。微细电火花加工本质上属于电火花加工，主要是一个热过程。放电通道中生成的大量热能使材料熔化、气化和抛出。通过对微细电火花加工放电过程的温度场进行分析研究有很多好处，如预测工艺参数，比较清晰的看出能量，热量的分布特点，并且这对于研究工件表面加工质量也有很大的意义。本章通过选取合适的热边界条件和放电通道半径等，建立了微细电火花加工的热源模型，并通过MARC软件，模拟了单脉冲条件下微细电火花加工中工具电极和工件的温度场变化规律。第四章结论微细电火花加工方法的出现，对整个电火花加工技术和微型机械制造领域的进步有着重要的意义。温度场模拟对于分析微细电火花加工放电过程中微观的物理本质可以更直观的，更容易的理解其机理。因此，本文通过理论分析软件仿真技术，对微细电火花加工的过程中的电极进行了温度模拟，主要工作及结论如下：1、以传统电火花加工理论为基础，理解了微细电火花加工的基本原理，技术特点和应用领域。2、建立了微细电火花加工热源模型。为了便于分析和建模，模型中认为放电通道半径是等径的，考虑了材料物性参数随温度的变化，应用了有限元方法对单脉冲条件下的工具电极和工件的温度场进行数值模拟。3、根据对模拟的结果进行比较，同时也验证了电极间能量分配不均的现象，通过对比结果可知，在阳极上的能量分布多于阴极的，所以即使是同种材料，同种加工条件和边界条件下，在阳极上的温度梯度要高于阴极上的温度梯度，即阳极能量分配高于阴极的能量分配。4、因为阳极能量分配高，所以在加工时对阳极的蚀除也就相对较大，所以，若是把加工工件放在阳极上是进行去除加工的必要条件之一，相反，把加工工件放在阴极上也是进行沉积加工的必要条件之一。5、通过模拟可以得知在不同峰值电流条件下工具电极和工件中心温度的变化规律，可以用来预测微细电火花加工的工艺参数范围。这对于选取合适的工艺参数，提高加工速度和加工质量有着重要的作用。参考文献[1]赵伟，任延华，任中根等，电火花放电通道中带电粒子运动规律的研究[J]。机械科学与技术，2001，20(5)：762—763。[2]李勇，王显军，郭曼等，微细电火花加工关键技术研究[J]。清华大学学报：自然科学版，1999，39(8)：45．48。[3]宋小中，刘正埙，高长水。电火花微细加工技术及其发展。航空精密制造术，1996，32(2)．16～20。[4]王振龙，赵万生，微细电火花加工中电极材料的蚀除机理研究[J]。机械科学与技术，2002，21(1)：124．126。[5]金柏冬，曹国辉，王振龙等，空气中微细电火花沉积工艺规律研究[J]。中国机械工程，2006，17(2)：111．115。