基于ANSYS的超聲電火花加工溫度場分析

車江濤，祝錫晶，王建青，孔文軍

(中北大學山西省先進制造技術重點實驗室，山西太原030051)

超聲電火花加工是一種在普通電火花加工的基礎上附加超聲振動的一種微加工方法，特點是加工效率高、成形表面質量好，因此在難加工材料和復雜型腔領域得到應用［1－2］。

普通電火花加工過程中，工件電極與工具電極原本是分開的，沒有形成回路。主軸的軸向進給，使得工具與工件一步步靠近。當減小到一定距離后，工作液會被擊穿，形成放電通道，釋放的能量使得工件表面一部分材料被拋出，形成一個個小凹坑［3－4］。超聲的空化作用會把形成的凹坑表面慢慢平整，而超聲的渦流作用會帶動工作液流動，使釋放的能量盡快傳遞出去。而放電點周圍溫度場的分布通過反映能量的分配對加工表面起到一定的預測作用，也可以對電參數的選擇具有一定的指導作用。

1 模型的建立

1.1 數學模型的建立

電火花加工機床主軸的Z方向上下運動決定了脈沖放電作用在工件表面的能量是一個動態過程:加工時溫度很高，然后一部分能量在工件內部傳遞，一部分被帶到工作液中，所以材料的物理屬性也是一個動態的變化［5］。因此根據經典的Fourier熱傳導理論得:

1.2 物理模型的建立

圖1為建立的超聲電火花加工物理模型。隨著兩電極的靠近，超聲帶動煤油加工液的流動以及帶來的空化、泵吸和渦流作用，在工作液介質分子的加速沖擊以及工作液中氣體爆炸的共同作用下，擊穿介質，形成一個呈高斯［6］分布的放電通道。

圖1 超聲電火花加工物理模型

1.3 材料的熱物理性能參數

對45號鋼進行超聲電火花加工，其熱物理性能參數見表1。

表1 45號鋼的物性參數

由表1可知，45號鋼各物性參數都是溫度的函數，隨溫度的變化呈現出一定的規律。當溫度變化范圍比較小時，可以用平均值進行近似計算。但是，在電火花加工過程中，工作液被擊穿后，作用在工件表面的能量相當大，最高溫度可達幾千度，往外呈現出一種遞減趨勢，變化范圍很廣，所以，如果把45號鋼的物理性能參數看作是一個常數，計算結果就會出現比較大的誤差，因此，在利用ANSYS軟件進行溫度場模擬分析時，要把各溫度對應的物理參數一一輸入，然后系統會自動進行差值分析［7］。

1.4 加工表面質量參數

圖2是單次電火花脈沖加工后形成的凹坑的截面形狀，持續加工產生的小凹坑相互疊加最終構成工件的加工表面。從圖2中看出，每個凹坑的形貌主要由凹坑直徑和凹坑深度決定，因此，凹坑直徑和深度決定著最終形成的工件表面。

圖2 放電凹坑斷面幾何形狀

2 ANSYS模擬的求解與分析

2.1 建模和網格劃分

超聲電火花放電加工時，單脈沖放電只會作用在工件表面上的一個點，加工面積相對于工件來說小的多，而且加工是在極短的時間內完成的，因此可以看做微小面熱源對無限大物體的瞬時加熱。由于電火花加工的物理模型和載荷都具有對稱性，為簡便起見，建立一個二維模型，使用線上網格密度控制方法進行非均勻網格劃分，結果如圖3所示。

圖3 電火花網格劃分模型

2.2 溫度場的分布

在加工過程中，加工的極間電壓通常比開路的極間電壓小很多，為20～25 V［8］。從圖4溫度場分布可以很明顯的看出放電時中心溫度很高，將近10 000℃，往外溫度成遞減趨勢。當能量很高時，工件表面的能量在很短時間內難以及時釋放，極容易使材料達到沸點，直接汽化，在電極和工作液分子的加速沖擊力及加工液中氣體爆炸力共同作用下被拋出工件表面，這種汽化蝕除的方式是材料去除的的主要手段;由于45號鋼的導熱屬性，一部分熱量被傳遞到45號鋼的其他部分，隨著蝕除深度的增加，溫度呈現遞減趨勢，當溫度降低到材料的沸點以下，接近熔點時，這部分材料就會被熱量熔化，然后被飛濺出工件;當溫度繼續降低，即低于材料的熔點，材料就不能再被去除了。由于汽化的蝕除量大于熔化的輸出量，但加工表面質量相對而言會比較低，因此在加工時，應根據實際需要來選擇電參數。

圖4 電火花加工溫度場分布圖

2.3 功率密度對凹坑形貌的影響

從圖5所示的放電凹坑深度和表面粗糙度與功率密度的關系曲線可以發現，隨功率密度的不斷增加，其凹坑深度和表面粗糙度表現出線性關系。因為隨著功率密度的增大，必然會導致加工點釋放能量的增加，進而使凹坑變大，表面更加粗糙，這與實驗過程中得到的數據保持一致。實驗過程中隨機因素的影響導致曲線并不光滑。

圖5 功率變化對凹坑形貌的影響

2.4 加工電流對凹坑形貌的影響

雖然放電電壓和放電電流都對加工質量有影響，但理論分析認為，在加工過程中，電壓比較小，變化也不大，對加工的影響有限，而之所以可以在短時間內釋放出大量能量，應該是加工電流起的作用。因此，在實驗中，規定脈寬為20 μs時，探討加工電流和凹坑直徑的關系。通過數據的采集以及運用Matlab分析，如圖6所示，伴隨著加工電流的加大，凹坑深度也急劇增加，與圖4相比發現，在凹坑深度變化的過程中，加工電流的作用更為顯著，這與理論假設相吻合。但是，凹坑直徑并不是與電流大小呈正比例關系，而是電流越大，曲線斜率反而下降，主要是超聲振動的空化作用，對形成的凹坑外延有一定的清洗作用，使得凹坑深度H變小，外形更加規則，從而使得表面粗糙度降低了。

圖6 加工電流對凹坑形貌的影響

2.5 脈寬對凹坑形貌的影響

圖7 脈寬對凹坑形貌的影響

從圖7中可以看出，脈寬對凹坑的影響是很明顯的。因為脈寬的大小直接影響著加工區能量的釋放，因此，當脈寬比較小時，能量比較小，材料的主要去除以熔化去除為主，凹坑小，表面比較規則;當脈寬較大時，加工時釋放的能量比較多，材料主要以汽化方式去除，不斷濺射出來，導致凹坑直徑比較大，工件表面不規則，粗糙度高。之所以在脈寬變大以后，直線曲率變小，是因為超生振動的作用。超聲振動可以起到攪動工作液的流動，使得釋放的能量可以盡快的傳遞出去，減少能量的聚集，對凹坑的規則分布起到一定的作用。

3 結論

通過ANSYS軟件對超聲電火花加工45號鋼的溫度場分析，發現加工表面質量與功率密度、脈寬和加工電流成線性關系;實驗得出，峰值電流和脈寬是決定加工表面質量的兩個主要因素。分析結果得到了實驗數據的支持。因此，溫度場的模擬分析，對45號鋼的超聲電火花加工具有一定指導意義。

【1】王愛玲，祝錫晶，吳秀玲．功率超聲振動加工技術［M］．北京:國防工業出版社，2007．

【2】TSUKAHARA H，MINAMI H，MASUI K，et al．Surface Modification of Titanium Using EDM Process［J］．Journal of the Japan Society of Electrical Machining Engineers，1999，33(74):9 －15．

【3】祝錫晶．超聲光整加工及表面成型技術［M］．北京:中國科學文化出版社，2005:20－25．

【4】王家寶．超聲波清洗工藝的原理及應用［J］．柴油機設計與制造，2006，14(4):36 －38．

【5】李明輝．電火花加工理論基礎［M］．北京:國防工業出版社，l989．

【6】孟慶國，王剛，趙萬生．混粉電火花加工溫度場的計算與分析［J］．電加工與模具，2000(2):4－6．

【7】黃志剛，郭鐘寧．單脈沖電火花加工溫度場的有限元分析［J］．廣東工業大學學報，2002，19(4):38 －43．

【8】張建華．精密與特種加工技術［M］．北京:機械工業出版社，2003:30－31．