趙鵬飛

（太原理工大學(xué) 機(jī)械學(xué)院，山西 太原 030024）

1 引言

電火花加工技術(shù)是利用工具電極和工件間產(chǎn)生的瞬間脈沖放電，依靠脈沖放電產(chǎn)生的高溫對(duì)工件材料進(jìn)行電蝕除加工，將工具電極形狀復(fù)制到工件上。電火花小孔加工是電火花加工的重要主城部分，其機(jī)床數(shù)約占電火花機(jī)床總數(shù)的32%，目前在沖模、擠壓模、粉末冶金模、各種異性孔及微孔等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用[1]。

現(xiàn)有電火花小孔加工存在工件材料去除率低，相對(duì)電極損耗大等問題，多數(shù)研究人員嘗試從電火花小孔機(jī)床系統(tǒng)、工具電極、工作液等方面著手研究。國(guó)內(nèi)外基于現(xiàn)有工作液進(jìn)行改進(jìn)進(jìn)行研究，具有代表性的有：文獻(xiàn)[2]嘗試了在水中添加油和表面活性劑，電火花加工會(huì)在工件表面上產(chǎn)生大量微坑和重鑄層，而改進(jìn)后的加工使電火花加工和拋光同時(shí)進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)表明該方法可使被加工工件表面質(zhì)量大幅度提高，在加工氧化鋁時(shí)表面粗糙度可達(dá)到（0.08～0.06）μm；文獻(xiàn)[3]研究發(fā)現(xiàn)在電火花加工工作液中添加鋁粉、石墨粉等因?yàn)楦淖兞斯ぷ饕弘妼?dǎo)率，降低了單個(gè)脈沖放電的能量，從而改善了加工工件的表面質(zhì)量；文獻(xiàn)[4]研究表明電火花加工鎳合金時(shí)，在工作液煤油中添加鋁粉，比未添加粉末能獲得更好的加工速度，且加工零件的表面質(zhì)量也得以改善。使用分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，從減小加工碎屑角度進(jìn)行分析，使用FULENT對(duì)不同工作液的間隙流場(chǎng)進(jìn)行仿真，并通過實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。

2 HEDP對(duì)加工碎屑作用分析

HEDP（羥基亞乙基二膦酸）是一種有機(jī)磷酸類分散劑，其能與鐵、銅、等多種金屬離子形成穩(wěn)定的絡(luò)合物，能溶解金屬表面的氧化物，具有較好的阻垢效果，是工業(yè)上使用較廣泛的一種有分散劑，結(jié)構(gòu)式，如圖1所示。參數(shù)，如表1所示。使用分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，其對(duì)加工碎屑的作用可分為以下幾點(diǎn)：

（1）在加工液中的微粒形成晶體的早期階段，HEDP會(huì)吸附在晶體表面，填充到原有晶格的空隙中或者替代晶格中原有成分的原子位置，使得晶體發(fā)生點(diǎn)缺陷，晶體無法正常生長(zhǎng)，晶粒變得更細(xì)小，阻止團(tuán)聚；

（2）HEDP可在水溶液中電離出陰離子，其可與工作液中的金屬離子形成溶于水的絡(luò)合物，提高碎屑在工作液中的溶解度，使得加工間隙間工作液中的微粒減少；

（3）分散劑HEDP在水溶中可電離出陰離子，這些離子吸附在微粒表面上，使得這些微粒攜帶同性電荷，在同性排斥作用下這些微粒不能相互靠近，這使得工作液中的碎屑半徑大幅度減小。

圖1 HEDP結(jié)構(gòu)圖Fig.1 HEDP Structure Diagram

表1 HEDP參數(shù)Tab.1 HEDP Parameters

3 基于FULENT的間隙流場(chǎng)仿真

電火花小孔加工時(shí)間隙流場(chǎng)非常復(fù)雜，為方便建模，對(duì)其作出如下假設(shè)：加工時(shí)會(huì)產(chǎn)生瞬時(shí)高溫，然而高溫時(shí)間較短且工作液不斷流動(dòng)，故假設(shè)工作液粘度不變；加工過程中汽液相對(duì)加工影響較小，故仿真忽略氣液相影響，采用固液相模型；為了方便計(jì)算，將三維對(duì)稱的加工間隙流場(chǎng)幾何體簡(jiǎn)化為二維幾何圖來分析。

不同電參數(shù)和電極情況下，使用直徑為1.5mm的黃銅管狀電極，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)假設(shè)加工時(shí)電極與工件側(cè)面間隙為0.04mm，加工面間隙為0.02mm。工作液的雷諾數(shù)大于臨界雷諾數(shù)4000，故其為紊流，在仿真中選用標(biāo)準(zhǔn)K-ε模型。

假設(shè)這些顆粒為球形，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知其直徑多為4μm。在電火花小孔加工時(shí)加工碎屑和碳粒受到工作液沖力、爆炸力、重力等多種力的作用，運(yùn)動(dòng)狀態(tài)較為復(fù)雜，設(shè)定其加入速度為5m/s。

經(jīng)過迭代求解可得，當(dāng)電火花小孔加工以水為工作液時(shí)，間隙流體的靜態(tài)壓強(qiáng)云，如圖2所示。流速云圖，如圖3所示。由間隙流體的靜態(tài)壓強(qiáng)圖和速度云圖可見，在電火花小孔加工時(shí)，工件與電極放電端面處的工作液壓力最大，且壓力由電極中心向外遞減。然而并不是工作液壓力大的位置工作液速度一定大，比如在電極的中心出口位置，此處工作液壓力達(dá)到最大，由于電極出口工作液體直接噴到工件表面造成了工作液緩沖，能量損失，因此此處的工作液速度并不大。工作液從電極中心向外二次延伸時(shí)速度逐漸增大，在與工件側(cè)壁碰撞后能量損失，工作液速度減小。通過顆粒軌跡圖，可以觀測(cè)間隙流場(chǎng)中固體顆粒的在不同位置的停留時(shí)長(zhǎng)，顆粒不同位置停留時(shí)長(zhǎng)圖，如圖4所示。顆粒停留時(shí)間與路徑的關(guān)系，如圖5所示。

圖2 靜態(tài)壓強(qiáng)云圖Fig.2 Static Pressure Cloud

圖3 速度云圖Fig.3 Velocity Image

圖4 顆粒停留時(shí)長(zhǎng)圖Fig.4 Particle Length Diagram

圖5 工作液水時(shí)顆粒停留時(shí)長(zhǎng)與路徑的關(guān)系圖Fig.5 The Relationship Between the Length of the Particles and the Path of the Working Fluid

電火花小孔加工產(chǎn)生的加工碎屑在工作液作用下排出，運(yùn)動(dòng)規(guī)律與間隙工作液的運(yùn)動(dòng)相似。加工碎屑在工作液的作用下通過加工間隙排出，在間隙底端，加工碎屑的動(dòng)能較大停留時(shí)間較短，隨著加工碎屑不斷與電極和工件碰撞越靠近工作液出口其速度越小；此外加工碎屑的排出是一個(gè)向上的運(yùn)動(dòng)，其動(dòng)能要轉(zhuǎn)換為重力勢(shì)能，也會(huì)損失一部分能量，使得碎屑排出速度減小。使用一定濃度的分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液時(shí)，加工間隙中的加工碎屑不易團(tuán)聚，直徑有所減小。其隨著工作液排出時(shí)，能量損耗較小，碎屑顆粒在電極與工件間的停留時(shí)間減小，這都有利于加工碎屑的排出。

分析分散劑HEDP在電火花小孔加工中的作用機(jī)理，可知在分散劑PAAS作用下，工作液中的碎屑顆粒直徑會(huì)變小，且不易團(tuán)聚。以分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，其濃度很小，因此新的工作液與水相比粘度影響忽落不計(jì)，其他情況不變，工作液中碎屑直徑減小為之前的50%，此時(shí)加工間隙中顆粒停留時(shí)長(zhǎng)與路徑之間的關(guān)系，如圖6所示。

圖6 使用HEDP工作液顆粒停留時(shí)間與路徑的關(guān)系圖Fig.6 The Relationship Between the Retention Time and the Path of the Working Fluid Particles Using HEDP

對(duì)比圖5和圖6可見，使用一定濃度的分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液與原有水工作液相比，加工間隙中顆粒在不同位置處的停留時(shí)長(zhǎng)變短。這是因?yàn)轭w粒直徑的減小，使得工作液對(duì)其的沖擊和粘帶作用容易使得顆粒獲得較大運(yùn)動(dòng)速度。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

在高速電火花小孔機(jī)床D703F上，用1.5mm的黃銅管狀電極對(duì)5mm不銹鋼版進(jìn)行電火花小孔加工實(shí)驗(yàn)，沖液壓力為2MPa，電極轉(zhuǎn)速為120r/min，加工電流脈沖寬度選用35μs，電流強(qiáng)度選用9A；分別以不同濃度的HEDP溶液作為電火花小孔加工工作液。加工速度和相對(duì)電極損耗隨HEDP濃度的變化，如表2所示。

表2 材料去除率和相對(duì)電極損耗隨HEDP濃度變化的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.2 The Experimental Data of Changes in the Material Removal Rate and Relative Electrode Wear with the Working Fluid Concentration

有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可見，當(dāng)使用水作為電火花小孔加工工作液時(shí)，加工速度為1.42 mm/min，隨著工作液HEDP濃度的增加材料蝕除速度逐漸增大；當(dāng)工作液HEDP濃度為4‰時(shí)，加工速速最大為2.29 mm/min，相對(duì)于原有水工作液提高了61.27%。電極相對(duì)損的數(shù)據(jù)與加工速度速度曲線呈對(duì)應(yīng)關(guān)系，工作液HEDP濃度為（0-4）‰?yún)^(qū)間時(shí)，工況逐漸變好，所以相對(duì)電極損耗逐漸下降；當(dāng)工作液HEDP濃度為4‰時(shí)，電極損耗最小為12.20%，與原有水工作液相比減小了48.26%。這是因?yàn)樵贖EDP濃度為（0～4）‰間，HEDP對(duì)加工碎屑發(fā)揮良好的分散作用，有利于加工碎屑的排出，加工較為穩(wěn)定。而HEDP濃度大于4‰后，其不能發(fā)揮良好的分散作用，反而會(huì)對(duì)工作碎屑進(jìn)行絮凝，阻礙了正常的加工。

5 結(jié)論

（1）通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，從而研究了間隙流場(chǎng)運(yùn)動(dòng)和間隙工作液中加工碎屑顆粒運(yùn)動(dòng)。在使用一定濃度的分散劑HEDP作為電火花小孔加工工作液，加工碎屑在間隙停留時(shí)長(zhǎng)變短，分布更加均勻。

（2）通過加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了使用分散劑HEDP有利于電火花小孔加工，可使加工速度有效提高，電極相對(duì)損耗有效降低。

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