劉志東，李文沛，王繼強(qiáng)

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削深度對(duì)電極損耗影響的仿真研究

劉志東，李文沛，王繼強(qiáng)

（南京航空航天大學(xué)機(jī)電學(xué)院，江蘇南京 210016）

電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工具有加工效率高、相對(duì)電極損耗低等優(yōu)點(diǎn)。采用Fluent軟件對(duì)不同銑削深度條件下，氧氣流場(chǎng)在放電間隙中的分布狀況及其對(duì)相對(duì)電極損耗率的影響進(jìn)行了模擬仿真。結(jié)果表明：在放電間隙由水平轉(zhuǎn)向豎直方向后，氧氣流會(huì)在靠近工件的區(qū)域形成高速流動(dòng)區(qū)，而在靠近電極的區(qū)域形成低速流動(dòng)區(qū)，從而使相對(duì)電極損耗率降低，且該現(xiàn)象會(huì)隨著銑削深度的增加呈先增強(qiáng)、后減弱的規(guī)律。該結(jié)果為實(shí)際加工中選擇銑削深度提供了理論依據(jù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模擬結(jié)果的正確性。

電火花銑削加工；放電誘導(dǎo)；可控?zé)g；流場(chǎng)仿真；電極損耗

隨著新材料和復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的不斷出現(xiàn)，傳統(tǒng)的機(jī)械加工已越來越難以滿足現(xiàn)代加工的需要。作為現(xiàn)代特種加工技術(shù)重要組成部分的電火花加工技術(shù)[1-2]，由于不受工件機(jī)械性能的影響，在現(xiàn)代加工領(lǐng)域中扮演著越來越重要的角色。但電火花加工受脈沖能量輸出的限制，一直存在加工效率低的問題。對(duì)此，國內(nèi)外學(xué)者提出了許多新型電火花加工方式，如氣中電火花加工[3]、液中噴氣電火花加工[4]、混粉電火花加工[5]等，均對(duì)電火花加工效率起到了一定的提高作用。電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工是以電火花放電為誘導(dǎo)，使工件金屬與氧氣發(fā)生燃燒，并將燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能作為主要蝕除能量來源的一種新型特種加工方法。與其他電火花加工相比，由于不再以放電電能為主要能量來源，故具有加工效率高、相對(duì)電極損耗低的特點(diǎn)，是一種極具潛力的新型特種加工方式。

目前，針對(duì)氧氣流對(duì)電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工影響的研究，還處于基礎(chǔ)試驗(yàn)和理論研究的階段[6]。本文借助Fluent軟件，研究了氧氣流流場(chǎng)在放電間隙中的分布，以及流場(chǎng)隨放電間隙、氧氣壓力、銑削深度和電極轉(zhuǎn)速的變化規(guī)律，從而為研究氧氣流流場(chǎng)對(duì)加工的影響奠定了理論基礎(chǔ)。

1 加工模型和基本原理

電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工模型見圖1。中空棒狀紫銅電極做高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，間歇性地從中空電極向放電間隙通入氧氣，進(jìn)行銑削加工。根據(jù)加工狀態(tài)的不同，可將加工過程分為3個(gè)階段：①通氧初期時(shí)，在電火花放電作用下，放電點(diǎn)表面形成高溫過熱金屬并與通入的氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)（稱為活化金屬），從而形成活化金屬區(qū)；②燒蝕階段，活化金屬與放電間隙中的氧氣持續(xù)發(fā)生反應(yīng)，釋放大量的化學(xué)能并作用于工件，進(jìn)而蝕除工件材料，由于此階段中活化金屬燃燒所釋放的化學(xué)能大大超過放電電能，蝕除效率得到了極大的提高；③氧氣關(guān)閉階段，冷卻液進(jìn)入放電間隙，此時(shí)進(jìn)行的是常規(guī)電火花加工，主要作用是修整已加工表面，保證加工質(zhì)量與精度。

圖1 電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工模型示意圖

由圖1還可看出，在銑削加工的前進(jìn)方向上，ABC段是主要的材料蝕除區(qū)；當(dāng)加工到CD段時(shí)，由于工件材料大部分處于電極的放電間隙之外，基本不進(jìn)行加工，只是進(jìn)行少量的修整。

2 仿真模型

根據(jù)加工模型中氧氣流的流經(jīng)區(qū)域，建立氧氣流流場(chǎng)仿真幾何模型（圖2）。邊界類型設(shè)定見表1。再對(duì)建立的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分（圖3）。

3 仿真結(jié)果

將建好的網(wǎng)格導(dǎo)入Fluent軟件，運(yùn)算得到的結(jié)果見圖4、圖5。截面1為Z=2.5×10-2mm的剖面，截面2為對(duì)稱面Symmetry。

表1 邊界類型設(shè)定

圖2 氧氣流場(chǎng)仿真幾何模型

圖3 三維幾何模型的網(wǎng)格劃分

圖4 截面1壓力和速度分布云圖

圖5 截面2壓力和速度分布云圖

由圖4、圖5可看出，在放電間隙中，處于中間位置的氧氣壓力最高，且由中間向兩端逐漸變低，流速由中間向兩端逐漸變大；在工具電極底面和工件之間的放電間隙中，氧氣氣流分布均勻，無明顯偏向電極或工件的現(xiàn)象。但在銑削加工前進(jìn)方向的出口處，由于氧氣流流向由水平變?yōu)樨Q直方向，在靠近工件的一側(cè)會(huì)形成氧氣高速流動(dòng)區(qū)（圖5c）。在電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工中，燒蝕階段的氧氣與工件持續(xù)發(fā)生燃燒反應(yīng)，此處若氧氣氣流偏向工件或電極，可能對(duì)加工產(chǎn)生較大的影響。為探析這種影響，進(jìn)一步對(duì)此區(qū)域進(jìn)行分析，分別選取截面2中放電間隙由水平轉(zhuǎn)為豎直的幾個(gè)位置點(diǎn)（圖6a）：Y1=0.005 mm，Y2=0.010 mm，Y3=0.015 mm，Y4=0.020 mm，Y5=0.025 mm，Y6=0.030 mm，得到的氧氣分布曲線見圖6b。

由圖6a可看出，氧氣流在經(jīng)放電間隙由水平轉(zhuǎn)向豎直方向后，會(huì)在靠近工件的一邊形成高速流動(dòng)區(qū)，在靠近電極的一側(cè)形成低速流動(dòng)區(qū)；隨著高度的增加，這種高低速流動(dòng)分布現(xiàn)象會(huì)逐漸減弱。由于電火花誘導(dǎo)可控?zé)g加工主要是依靠工件表面形成的活化金屬與氧氣發(fā)生燃燒反應(yīng)所產(chǎn)生大量的化學(xué)能來蝕除工件材料的，因此氧氣流的這種分布會(huì)使加工在降低電極損耗的同時(shí)，提高工件的材料蝕除效率，最終使相對(duì)電極損耗比其他加工方法低得多。該現(xiàn)象還會(huì)隨著銑削深度的變化而呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律。

圖6 出口處的氧氣流速分布圖

在銑削加工中，銑削深度決定了銑削前進(jìn)方向上所需去除材料的厚度，對(duì)出口處的氣流流場(chǎng)分布影響較大。因此，對(duì)不同銑削深度的加工情況進(jìn)行了模擬，并觀察其對(duì)銑削前進(jìn)方向前端的氧氣氣流流速的影響。截面1和截面2在不同的銑削深度下得到的仿真結(jié)果見圖7。

圖7 模擬矢量分布云圖

由圖7所示的仿真結(jié)果可看出，當(dāng)銑削深度較小時(shí)（h=0.1 mm），氧氣流在經(jīng)放電間隙由水平轉(zhuǎn)向豎直方向后，會(huì)出現(xiàn)高低流速不同的區(qū)域，但由于銑削深度小，偏移并未充分發(fā)展，這種高低速分布不明顯；按前述氧氣流的這種高低速分布會(huì)降低相對(duì)電極損耗的假設(shè)，銑削深度較小時(shí)的相對(duì)電極損耗較低，但由于銑削深度小，氧氣流高低速分布的影響區(qū)域太小，相對(duì)電極損耗降低有限。當(dāng)銑削深度增大時(shí)（h=0.3 mm），由于氧氣流高低速分布影響區(qū)域隨之?dāng)U大，相對(duì)電極損耗會(huì)逐漸降低，達(dá)到一個(gè)較低的水平。繼續(xù)增大銑削深度（h=0.5 mm），氧氣流高低速分布影響區(qū)域雖進(jìn)一步擴(kuò)展，但隨著擴(kuò)展深度的增加，氧氣流高低速分布現(xiàn)象會(huì)逐漸減弱；同時(shí)，在氧氣壓力一定的情況下，上端燒蝕現(xiàn)象不明顯，最終使相對(duì)電極損耗又逐漸變大。

4 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述仿真的正確性，進(jìn)行了不同深度的電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工試驗(yàn)，考查相對(duì)電極損耗隨銑削深度的變化規(guī)律。

采用圖8所示的試驗(yàn)裝置，電磁閥控制氧氣的開閉，電機(jī)通過皮帶帶動(dòng)電極做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，機(jī)床主軸帶動(dòng)整套裝置做進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。試驗(yàn)條件和銑削深度見表2，試驗(yàn)結(jié)果見圖9?？煽闯觯谏鲜?組試驗(yàn)中，銑削加工深度h=0.3 mm時(shí)的相對(duì)電極損耗率最低，與仿真結(jié)果相符。

圖8 試驗(yàn)裝置實(shí)物照片

表2 試驗(yàn)條件

圖9 試驗(yàn)結(jié)果柱狀圖

5 結(jié)論

（1）在電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工中，銑削深度對(duì)氧氣流流場(chǎng)分布會(huì)產(chǎn)生很大的影響。當(dāng)放電間隙由水平方向轉(zhuǎn)向豎直方向后，氧氣流會(huì)在靠近工件的一側(cè)形成高速流動(dòng)區(qū)，在靠近電極的一側(cè)形成低速流動(dòng)區(qū)，且這種氧氣流高低速分布現(xiàn)象會(huì)隨著銑削深度的增大呈先增強(qiáng)、后減弱的規(guī)律。

（2）受氧氣流高低速分布的影響，電火花誘導(dǎo)可控?zé)g銑削加工的相對(duì)電極損耗較低，且隨著銑削深度的增大，相對(duì)電極損耗先減小、后增大。

[1]劉光壯，楊曉冬，趙萬生.電火花銑削加工的電極損耗補(bǔ)償[J].制造技術(shù)與機(jī)床，1998（8）：34-36.

[2]劉志東，高長水.電火花加工工藝及應(yīng)用[M].北京：國防工業(yè)出版社，2011.

[3]李立青，王振龍，趙萬生.氣體放電加工機(jī)理分析[J].哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，36（3）：359-362.

[4]丁林松，康小明，趙萬生.液中噴氣電火花銑削的加工性能實(shí)驗(yàn)研究[J].電加工與模具，2009（4）：6-8.

[5]王婉，王斌修.混粉電火花鏡面加工技術(shù)概述[J].模具制造，2004（2）：59-61.

[6]王琳，劉志東，邱明波，等.鈦合金TC4電火花誘導(dǎo)可控?zé)g高效磨削技術(shù)研究[J].航空學(xué)報(bào)，2012，33（8）：1524-1530.

Simulation Research on the Milling Depth Influencing Electrode Wear of Controllable Spark-inducing Combustion-milling

Liu Zhidong，Li Wenpei，Wang Jiqiang
（Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Controllable spark-inducing combustion-milling has advantages of high material removal rate and low relative electrode wear rate.Using the Fluent software，the distribution status of the oxygen flow field is simulated in the discharge gap under different milling depth，and the effect of the distribution on the relative electrode wear rate is analyzed.The result shows that the oxygen flow will form a high-speed flow area near the work-piece whereas form a low-speed flow area near the electrode when the discharging gap turns upward，which could induce the decrease of the relative electrode wear rate，and this phenomenon will appear a parabola form trend with the increase of milling depth.The result provides a theoretical basis for the choice of the milling depth better in the actual work，and the correctness of the simulation result is verified by experiment.

EDM milling；spark-inducing；controllable combustion；flow field simulation；electrode wear

TG661

A

1009－279X（2014）05－0014-04

2013-12-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（51175256，51205197）；江蘇省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（BK2011732）；航空基金資助項(xiàng)目（2011ZE52060）；江蘇省普通高校研究生科研創(chuàng)新計(jì)劃資助項(xiàng)目（CXLX12_0138）中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助

劉志東，男，1966年生，教授、博士生導(dǎo)師。