电火花线切割加工电极丝损耗的温度场仿真研究

李朝将,白基成,郭永丰,马 伟,李冬庆

(1.哈尔滨工业大学机电学院,黑龙江哈尔滨 150001;2.哈工大-江苏冬庆数控机床工程技术研究中心,江苏泰州 225300)

电火花线切割加工过程中存在着电极丝的损耗,不仅会影响加工精度,而且会因电极丝的过度损耗而发生断丝。由于其特殊的加工机理及加工机理的复杂性[1],目前没有较为成熟的理论来解释这一现象。因此开展电极丝损耗机理与实验研究,不仅有助于完善电火花线切割加工机理,而且对于指导在实际生产中提高加工精度和加工效率同样具有重要的现实意义。

1 机理分析

电火花线切割加工机理与电火花成形加工机理基本一致,也分为极间介质的电离、击穿,形成放电通道;介质热分解,电极材料熔化、汽化热膨胀;电极材料的抛出和极间介质的消电离4个阶段。但电火花线切割作为一种独特的电加工方法又有其特殊性,例如加工状态不稳定,没有稳定的电弧放电状态,击穿延时与击穿后的放电状态无关,高速走丝电火花线切割加工存在“疏松接触”式放电现象等。

与电火花成形加工不同,高速走丝电火花线切割加工采用高速运动的电极丝作为工具电极,故电火花线切割加工在机理方面存在着独有的特点。由于放电过程中电极丝的高速运动,必然会对放电通道带来影响,即在脉冲放电周期内,放电通道并不是始终在开始击穿的位置附近作高频振动,而是在电极丝运动的影响下,放电通道发生以一定规律的明显移动[2-3]。由于电极丝的运动,放电通道受到电场力、磁场力和流体动力等一系列力的作用,必然会产生相对于电极丝运动速度滞后的现象,即放电通道以差动的规律运动(图1)。

图1 电火花线切割加工中放电通道移动示意图

脉冲放电通道的位置受快速移动的电极丝的影响,放电蚀除坑呈长槽形,脉宽越大槽形越长。通过分析,测算出放电通道的移动速度大约是电极丝运动速度的二分之一[1]。通过对放电通道移动特性的量化,为后续的电火花线切割加工过程的温度场分析提供了一定的参考依据。

2 温度场仿真

为了对电火花线切割加工机理进行研究,在进行机理实验前,可借助有限元软件进行分析。本文使用ANSYS12.0通过APDL语言进行参数化仿真。

2.1 仿真模型的确定、系数分配、热源分析等

在进行电火花线切割加工放电过程温度场仿真分析之前,根据实际加工情况和分析的需要进行一些简化处理,其中的简化条件如下:①电极材料均匀、各向同性;②热源为高斯热源;③一个脉冲只形成一个放电通道;④放电通道为圆柱形,通道半径恒定;⑤放电通道匀速移动;⑥热量的传导为热传导和对流散热,忽略热辐射的热量损失。

电火花线切割加工电极丝温度场分析属于非线性瞬态问题,根据Fourier热传导理论,圆柱坐标系下的非线性瞬态三维热传导模型为:

式中:T为温度,℃;t为时间,s;c为材料的比热容,J/(kg·℃);ρ为材料的密度,kg/m3;为材料的导热系数,W/(m·℃);r,z为放电点的圆柱坐标位置,m。

在电火花线切割加工过程中,放电加工中的能量分配到阴极、阳极和放电通道中。而对于放电能量的分配,目前尚未得到统一的结论。综合前人的研究成果,在本次仿真中采用的阴极和阳极的能量分配系数分别为16%和35%。

采用R(t)=2.4×10-3×t0.4×i0.4e作为通道半径的依据[2]。

在电火花线切割加工中起重要作用的是表面热源,它是由放电通道中高温的等离子体把大量的能量传递给电极表面形成的。在放电某一瞬间,可忽略电极丝运动对放电通道移动的影响,即认为是定点放电,此时电极表面的热源是不均匀的。由于放电通道中带电粒子的密度符合高斯分布,即通道中心处带电粒子的密度最高,边缘处的带电粒子的密度降低,故作用在电极表面的热流密度也会呈现高斯分布[2](图2)。

图2 热流密度的高斯分布示意图

2.2 温度场仿真,有限元分析

钼的热导率和比热容随温度的变化见表1。

在仿真中,取周围的温度为电极丝的初始温度,即 T=25℃。

表1 钼随温度变化的物性参数

电极丝温度场分析的分析边界条件:

式中:h为流体介质与电极丝表面的对流换热系数;TL为流体介质的温度,K;TS为电极丝表面的温度,K。

在仿真中,采用四分之一圆柱面进行建模,通过以上的仿真条件、划分网格、加载和求解,得到仿真结果(图3)。

图3 单次放电移动电极丝温度场仿真

2.3 仿真分析

在加工电压 25 V,电流上升斜率2 A/μs,丝速为4.37 m/s,能量分配系数 0.16,热对流系数为800,不考虑脉间影响的条件下,分析峰值电流与脉宽的比值对蚀除坑尺寸的影响(图4)。

在脉宽45μs,加工电压25 V,峰值电流30 A,丝速为4.37 m/s,能量分配系数0.16,热对流系数为800,不考虑脉间影响的条件下,分析电流上升斜率对蚀除坑尺寸的影响。当电流上升斜率为1、1.5、2、2.5、3 A/μs时 ,蚀除坑大小见图 5。

图4 不同峰值电流与脉宽比值对蚀除尺寸的影响

图5 不同电流上升斜率对蚀除坑尺寸的影响

在脉宽20μs,加工电压25 V,峰值电流30 A,电流上升斜率 6 A/μs,丝速为 4.37 m/s,能量分配系数0.16,热对流系数为800的条件下,分析脉间对电极丝温度分布的影响。当占空比为1/8、1/9、1/10时,电极丝上的温度分布见图6。

图6 不同占空比对温度分布的影响

利用ANSYS进行连续放电时电火花线切割加工电极丝的温度场仿真。选择仿真条件:脉宽45 μs,脉间45μs,加工电压 25 V,电流上升斜率 1 A/μs,峰值电流30 A,忽略电极丝的移动,在某位置进行集中的连续放电。不同放电次数下放电结束后电极丝的最高温度见图7。

图7 放电次数对放电结束后电极丝最高温度的影响

为了验证电火花线切割加工电极丝损耗温度场仿真结果的正确性,进行实验对比,实验参数设定为脉宽40μs,加工电压25 V,峰值电流 25 A,电流上升斜率为2 A/μs。电极丝运动速度为4.37m/s,不考虑脉间的影响。在同样电参数情况下,通过电火花线切割加工电极丝单脉冲温度场仿真得到蚀除坑的尺寸为55μs×60μs×9μm。仿真得到的体积为2 720.18 mm3。实际加工电极丝的最终丝径157 μm,加工用电极丝的长度约为100 m,蚀除体积为2 333.81mm3。仿真得到的体积误差为实际加工体积的11.77%,考虑加工中存在镀覆等其他因素的影响,仿真结果基本上满足要求,可以说明仿真过程的正确性。

3 试验研究

试验设备:MNC-A往复走丝线切割机床;工件:40 mm厚的C r12淬火钢;电极丝:直径 0.18 mm的钼丝;工作液:JR3A线切割专用复合乳化液;

测量工具:精度为1μm的杠杆千分尺,Tektronix TDS3034C示波器,Mitutoyo粗糙度测量仪。

为了有效安排实验,首先对实验参数进行了探索性实验。在实验中,主要考虑电参数对加工速度和表面质量的影响。即考虑脉宽、脉间、峰值电流和电流上升斜率对加工速度和表面质量的影响。探索实验结果见图8。

图8 峰值电流与脉宽比值的变化对加工速度和表面粗糙度Ra的影响

对于峰值电流与脉宽的比值对电极丝损耗的影响,采用每10 000 mm2下电极丝丝径的变化来衡量。加工速度、表面质量和电极丝损耗与峰值电流与脉宽比值的关系见图9～图11。

图9 峰值电流与脉宽比值的变化对加工速度的影响

图10 随峰值电流与脉宽比值的变化对表面粗糙度Ra的影响

图11 峰值电流与脉宽比值的变化对电极丝损耗的影响

由图9～图11可看出,随着峰值电流与脉宽比值的增大,每安培下的加工速度略有降低。其原因可能是由于在加工过程中变频设定得不恰当以及占空比的不同造成的。表面质量逐渐变差的原因是当峰值电流与脉宽的比值增大时,能量的集中程度增大,对材料的蚀除量增加,因此会形成较大的放电蚀除坑,使加工工件的表面粗糙度值变大。而电极丝单位加工面积的损耗出现大幅度增加的原因是,在电流上升斜率不变的情况下,随着峰值电流与脉宽比值的增大,电流密度增大,电子对电极丝的冲击作用增强,同时强化了脉间阶段的电解作用,减弱了镀覆作用,造成了丝损加剧。实验得到的电极丝见图12。

4 结论

图12 对比实验加工后电极丝表面形貌及新电极丝表面形貌

通过对电火花线切割加工机理的分析,综合考虑了对流和热传导、随温度变化的物性参数和放电通道的移动问题,建立了较为完善的热力学模型;并针对脉宽与峰值电流的比值、电流上升斜率、脉间和连续放电对加工的影响进行了ANSYS温度场分析,减小峰值电流与脉宽比值和降低电流上升斜率,可减小电极丝损耗的措施。

本项目得到了江苏冬庆数控机床院士工作站(BM 2009634)项目的资助,特此致谢!

[1] 刘晋春,白基成,郭永丰.特种加工技术[M].5版.北京:机械工业出版社,2009.

[2] Han Fuzhu,Jiang Jun,Yu Dingwen.In?uence of discharge current on machined surfaces by thermo-analysis in?nish cut of WEDM[J]//International Journalof Machine Tools&Manufacture,2007:1187-1196.

[3] 李明辉.电火花加工理论基础[M].北京:国防工业出版社,1989.