1、有限元在電火花加工中的應(yīng)用 電火花加工是通過在工具電極與工件電極之間施加脈沖電壓，脈沖電壓將兩極之間非導(dǎo)電介質(zhì)放電擊穿，并在形成放電通道，由于電子與帶電粒子在放電通道內(nèi)的高速碰撞，在短時(shí)間內(nèi)工件電極表面產(chǎn)生高于工件材料熔點(diǎn)的溫度。同時(shí)，在電場力、電動(dòng)力、流體動(dòng)力、爆炸力等力的作用下，使材料熔化、氣化，并在各種力的作用下被拋出，形成點(diǎn)蝕坑，以達(dá)到去除材料的目的。 在脈沖放點(diǎn)過程中，由于放電時(shí)間短（s 級(jí)別），放電間隙小（m 級(jí)別）等原因造成了難以使用儀器或設(shè)備直接對(duì)其整個(gè)過程進(jìn)行直觀的觀察與測(cè)量，因此在很長的一段時(shí)間內(nèi)，使研究人員很難對(duì)其機(jī)理進(jìn)行深入的研究。近些年來，伴隨著計(jì)算機(jī)與軟件技術(shù)的飛速

2、發(fā)展，利用有限元方法模擬整個(gè)放電過程，直觀觀察溫度的分布，使對(duì)其加工機(jī)理的深入研究成為可能。有限元法在電火花加工溫度場預(yù)測(cè)中的應(yīng)用 電火花加工中的材料去除機(jī)理主要是熱現(xiàn)象,表現(xiàn)為極短的時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生大量的熱,形成一個(gè)瞬時(shí)高溫?zé)嵩?其局部溫度可達(dá)10 000左右。熱量由熱源中心向周圍擴(kuò)散,在工件和電極的局部形成一熔融的區(qū)域,在各種力的作用下金屬被拋出,從而實(shí)現(xiàn)加工目的。因此,研究放電時(shí)的溫度場變化,以便最大限度地利用放電能量,提高材料去除率,減少工具電極損耗是至關(guān)重要的。溫度場的分析是進(jìn)行應(yīng)力場分析、材料蝕除分析等各種分析的基礎(chǔ)。但由于電火花加工中溫度高(一般2 000),放電時(shí)間短(一般是1100

3、s),因此,對(duì)溫度、溫度梯度的測(cè)量是極其困難的。 電火花加工溫度場分布的研究工作受到國內(nèi)外學(xué)者的重視。使用高分辨率的測(cè)溫儀雖然可以采集溫度場數(shù)據(jù),但是費(fèi)用昂貴,而且采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響;應(yīng)用有限差分法研究溫度場分布雖有精度高等優(yōu)點(diǎn),但不適用于形狀復(fù)雜的邊界條件。而有限元法可克服這一缺點(diǎn)。廣東工業(yè)大學(xué)利用有限元法模擬了放電加工的電熱過程,模型抽象為均勻圓柱體熱源和定半徑表面熱源的有限開放系統(tǒng)模型,并對(duì)放電后電極與工件的溫度場進(jìn)行了分析,它基本上反映了脈沖電火花加工的實(shí)際溫度場分布情況。 有限元法在電火花加工應(yīng)力場中的應(yīng)用 電火花加工中主要存在兩種形式的應(yīng)力:熱應(yīng)力和表面殘余應(yīng)力。加工過程中大

4、量產(chǎn)生的熱是熱應(yīng)力的主要來源,熱應(yīng)力會(huì)導(dǎo)致工件微裂,強(qiáng)度下降;表面殘余應(yīng)力使材料的抗疲勞強(qiáng)度下降,甚至?xí)斐杀砻媪鸭y。加工件獲得良好表面質(zhì)量的關(guān)鍵是防止加工過程中產(chǎn)生過度的溫度和熱應(yīng)力,由于脈沖放電時(shí)間短、放電間隙小,常規(guī)的檢測(cè)裝置應(yīng)變儀只能得到一些平均意義上的數(shù)據(jù)。于是,一些學(xué)者嘗試用有限元法來分析電火花加工中的熱應(yīng)力和殘余應(yīng)力。 對(duì)熱應(yīng)力的有限元分析,主要有Mulik R S、Yadava Vinod等。Mulik R S等應(yīng)用有限元法研究單脈沖電解電火花加工中的熱應(yīng)力。應(yīng)用高斯分布熱流模型,在單脈沖放電的影響區(qū)域內(nèi)應(yīng)用有限元模型來預(yù)測(cè)溫度分布,基于溫度分布計(jì)算熱應(yīng)力。熱應(yīng)力分析結(jié)果顯示在

5、高溫梯度區(qū)域和大應(yīng)力區(qū)域,熱應(yīng)力有時(shí)超過材料屈服強(qiáng)度。三維 Von Mises 應(yīng)力分布云圖放電通道 兩極之間在脈沖放電作用下形成的放電通道中電子與粒子在電場力的作用下猛烈碰撞，產(chǎn)生在短暫時(shí)間內(nèi)猛烈的碰撞，產(chǎn)生的能量以熱能的方式傳遞到工件表面，致使材料熔化，最終被拋出。因此對(duì)放電通道的研究對(duì)于電火花加工機(jī)理研究來說有著重要的意義。有限元法在放電通道形狀分析中的應(yīng)用 Shankar P等人用有限元法對(duì)電火花加工中放電通道形狀進(jìn)行分析。基于放電電弧的物理性質(zhì)和熱傳導(dǎo)理論,應(yīng)用有限元法,同時(shí)得到了火花放電區(qū)域的電勢(shì)和溫度的平衡場。用在放電的每個(gè)橫截面上電流恒定的原則,不同橫截面上的電弧半徑直到收斂才

6、被修正。最終獲得的放電通道形狀是非圓柱形的,即在不同的橫截面上半徑不同。電火花加工鎳基高溫合金 Inconel718溫度場模擬仿真三維網(wǎng)格劃分三維網(wǎng)格劃分溫度場分布云圖溫度場分布云圖放電通道內(nèi)部能量分布放電通道內(nèi)部能量分布 由于電火花加工過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程,加工機(jī)理異常復(fù)雜,目前還沒有一個(gè)確切的理論能對(duì)電火花加工過程進(jìn)行全面概括。有限元法在電火花加工中的應(yīng)用將在以下幾個(gè)方面繼續(xù)展開:(1)應(yīng)用有限元法對(duì)電火花加工進(jìn)行模擬應(yīng)用有限元法對(duì)電火花加工進(jìn)行模擬,提高對(duì)加工表面粗糙度及工具電極提高對(duì)加工表面粗糙度及工具電極損耗等參數(shù)的預(yù)測(cè)精度。損耗等參數(shù)的預(yù)測(cè)精度。(2)應(yīng)用有限元法對(duì)電火花加工微觀過程進(jìn)行模擬應(yīng)用有限元法對(duì)電火花加工微觀過程進(jìn)行模擬,建立介質(zhì)擊穿、通道形成、建立介質(zhì)擊穿、通道形成、電蝕材料拋出等微觀過程的模型電蝕材料拋出等微觀過程的模型,深化對(duì)電火花加工機(jī)理的研究。深化對(duì)電火花加工機(jī)理的研究。(