電火花加工射流方式的改進(jìn)技術(shù)

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電火花加工,新型射流方式
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2013-08-22
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　　摘要：研究了射流方式對(duì)工具電極和工件之間的間隙中流場(chǎng)的影響,建立了相應(yīng)的工作液和粉末微粒運(yùn)動(dòng)方程,提出并采用了新型射流方式,降低了加工件的表面粗糙度數(shù)值。

1概述
　　
采用電火花加工機(jī)床所進(jìn)行的加工件表面粗糙度Ra小于0.1μm的電火花加工稱為鏡面電火花加工,鏡面電火花加工在航空精密模具制造中具有重要的作用,為實(shí)現(xiàn)鏡面電火花加工,向工作液中加入硅,鋁或鎳等粉末微粒,由于粉末微粒與工作液介電系數(shù)不同,放電間隙中的電場(chǎng)發(fā)生畸變,從而降低了放電電壓,增大了放電間隙,促進(jìn)間隙流場(chǎng)中放電點(diǎn)分散,有利于實(shí)現(xiàn)鏡面電火花加工。

在鏡面電火花加工過程中,工作液中加入粉末微粒后,懸浮在工作液中的粉末顆粒通過噴嘴被噴射到工具電極與工件之間的間隙中,使之產(chǎn)生分散放電,降低被加工表面粗糙度數(shù)值,因而,工作液能否及時(shí)將蝕出產(chǎn)物排出加工間隙,粉末微粒能否在加工間隙中均勻分布,并不斷注入新的工作液和粉末微粒是降低加工表面粗糙度數(shù)值的關(guān)鍵之一,本文研究了電火花加工過程中工作液和粉末微粒在間隙流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律,探討了粉末微粒在間隙流場(chǎng)中的濃度分布,提出新型射流方式,降低了加工件表面粗糙度數(shù)值。

2間隙流場(chǎng)中工作液和粉末微粒運(yùn)動(dòng)分析
　　
用電火花機(jī)床加工方形零件時(shí),一般將噴嘴固定于工件的一側(cè),采用一側(cè)單噴的射流方式,采用這種射流方式進(jìn)行鏡面電火花加工時(shí),工作液和粉末微粒從噴嘴射出,流向工具電極和工件之間的間隙,從3個(gè)出口方向流出,在鏡面電火花加工中,工作液中摻入部分導(dǎo)體和半導(dǎo)體粉末微粒后,電極和工件間的間隙流場(chǎng)中工作液和粉末微粒的運(yùn)動(dòng)就可以近似處理為固液兩相流運(yùn)動(dòng),為求解固液兩相流運(yùn)動(dòng),本文做了以下簡(jiǎn)化處理和假設(shè)。

①間隙流場(chǎng)中的液相為不可壓縮流體。

②固液兩相流的流動(dòng)為穩(wěn)定流動(dòng),即加工平衡狀態(tài)時(shí),各項(xiàng)物理參數(shù)只是與幾何位置有關(guān)而與時(shí)間無關(guān)的參數(shù)。

③固液兩相界面為無質(zhì)量,無動(dòng)量和無能量的幾何面

根據(jù)質(zhì)量守恒定律,得到工作液的連續(xù)性方程：

式中ρ—流體的密度；V—流體的流速；t—時(shí)間；

—矢量微分算子,根據(jù)工作液動(dòng)量隨時(shí)間的變化和作用于單元內(nèi)流體上的力的平衡關(guān)系,利用連續(xù)性方程得到工作液在間隙流場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)的Navier-Stocks方程,簡(jiǎn)稱N-S方程。

式中G—重力；τ—應(yīng)力張量；2—拉普拉斯算子；μ—工作液動(dòng)力學(xué)粘性系數(shù)。

鏡面電火花加工試驗(yàn)中加工件面積為100mm2，在電火花加工間隙流場(chǎng)計(jì)算中,采用MAC（Market-and-Cell）算法,同時(shí)采用內(nèi)值外插法處理間隙流場(chǎng)的邊界條件,間隙流場(chǎng)區(qū)域內(nèi)部采用動(dòng),態(tài)插值求解任意點(diǎn)的流體速度和壓力,MAC算法的求解采用交錯(cuò)網(wǎng)格,將加工區(qū)域劃分為100×100交錯(cuò)網(wǎng)格,對(duì)時(shí)間微分取向前差分,MAC算法交錯(cuò)網(wǎng)格的形式見圖1。

圖1Market-and-Cell算法網(wǎng)格圖
根據(jù)球形顆粒在低雷諾數(shù)下穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力,可求粉末顆粒在工作液中運(yùn)動(dòng)的阻力系數(shù),按無限平行平面射流理論可建立粉末顆粒在間隙流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)微分方程。

式中up,vp和wp—固體微粒沿X,Y,和Z軸方向的流動(dòng)速度。u1,v1和w1—工作液沿X,Y,和Z軸方向的流動(dòng)速度；CD,k—粉末微粒運(yùn)動(dòng)阻力系數(shù),粉末微粒的沿重力方向下降阻力系數(shù)。

對(duì)工作液和粉末微粒的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算,根據(jù)計(jì)算發(fā)現(xiàn),在單側(cè)單噴射流方式下,加工過程中工作液沿加工表面X方向速度值比較大,但沿Y方向速度值在加工間隙入口邊界中心以外的區(qū)域非常小,見圖2,圖3.導(dǎo)致粉末微粒及工作液從一個(gè)出口區(qū)域流出,使粉末微粒在間隙流場(chǎng)內(nèi)的濃度分布不均勻,影響加工件表面粗糙度數(shù)值的降低。

圖2沿X方向速度分布

圖3沿Y方向速度分布
3新型射流方式提出及理論分析
　　
為保證工作液在工具電極和工件之間的間隙內(nèi)沿X和Y方向速度分布接近,從而使粉末微粒在間隙流場(chǎng)內(nèi)的濃度分布比較均勻,提出在工件垂直兩側(cè)放置兩個(gè)噴嘴,同時(shí),在工件的中心開一直徑Φ2mm的通孔,將通孔與第3個(gè)噴嘴相連,這樣就形成從3個(gè)互相垂直的方向間隙流場(chǎng)中噴射工作液和粉末微粒的射流方式,稱為中孔垂直噴射流方式,如圖4所示,采用中孔垂直噴射時(shí),要保證工具電有平動(dòng)運(yùn)動(dòng)。

根據(jù)工作液和粉末微粒在間隙流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程,計(jì)算中孔垂直噴射流方式下緥作液在間隙流場(chǎng)的速度分布,見圖5和圖6,采用中孔垂直噴射流方式時(shí),相互垂直的3個(gè)噴嘴交叉向間隙流場(chǎng)中垂直噴射工作液和粉末微粒,工作液在間隙流場(chǎng)內(nèi)沿X和Y方向速度值都比較大,且速度值大小比較接近,同傳統(tǒng)射流方式相比較,顯著地改善了工作液沿Y方向的速度分布,使粉末微粒比較均勻地從兩個(gè)出口邊界流出,有利于粉末微粒在間隙流場(chǎng)中均勻分布,根據(jù)MAC算法對(duì)中孔垂直雙噴射流方式下粉末微粒運(yùn)動(dòng)進(jìn)行仿真,間隙流場(chǎng)中粉末微粒濃度分布仿真結(jié)果如圖7所示。

圖5工作液沿X方向速度

圖6工作液沿Y方向速度　　

圖7中孔垂直噴粉末微粒濃度分布
4新型射流方式試驗(yàn)
　　
采用自制混粉工作液儲(chǔ)油箱和加工油槽,在日產(chǎn)SodickA3R電火花機(jī)床上進(jìn)行了中孔垂直噴射流方式下的鏡面電火花加工試驗(yàn),試驗(yàn)裝置如圖9所示,試驗(yàn)采用工件材料為Cr12MoV,工具電極為紫銅,具體加工參數(shù)見下表。
表垂直噴射流方式下電加工試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

鏡面電火花加工中采用中孔垂直噴射流方式后,加工件表面粗糙度數(shù)值有了明顯下降,在其它加工條件*相同的情況下,采用傳統(tǒng)射流方式加工試驗(yàn)所得到的*工件表面粗糙度數(shù)值為Ra0.4μm,同傳統(tǒng)射流方式相比,采用中孔垂直噴射流方式后,加入工作液中的粉末微粒比較均勻地流經(jīng)間隙流場(chǎng)內(nèi)各點(diǎn),使得工件整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)粉末微粒的濃度分布比較均勻,加工區(qū)域內(nèi)各點(diǎn)發(fā)生電場(chǎng)放電畸變的機(jī)會(huì)也比較接近。因此,工件的整個(gè)加工區(qū)域內(nèi)發(fā)生放電點(diǎn)的分布比較均勻,有效地降低了加工件的表面粗糙度數(shù)值,所加工*工件表面粗糙度數(shù)值可達(dá)到Ra0.24μm。

5、總結(jié)
　　
①建立了工作液和粉末微粒在工具電極和工件之間的間隙流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng)方程,比較客觀地描述了工作液和粉末微粒在間隙流場(chǎng)中的運(yùn)動(dòng),對(duì)電火花加工提出了理論指導(dǎo)。

②提出了中孔垂直噴射流方式,采用3個(gè)相互垂直的噴嘴交叉向間隙流場(chǎng)噴射工作液和粉末微粒,促進(jìn)了粉末微粒在間隙流場(chǎng)中的均勻分布,顯著地降低了工件的表面粗糙度數(shù)值。

③根據(jù)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究,準(zhǔn)備在工件垂直兩側(cè)放置互相垂直的移動(dòng)噴嘴,每個(gè)噴嘴沿工件的一側(cè)做往復(fù)運(yùn)動(dòng),形成掃描移動(dòng)噴的射流方式,見圖8,從而使粉末微粒在工具電極和工件之間的間隙流場(chǎng)中濃度分布更均勻。目前,該射流方案的理論驗(yàn)證和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)工作正在進(jìn)行中。

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