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超声振动辅助电火花铣削间隙流场分析与验证

时间:2015-9-30 11:33:00 来源:中国打火机网

  电火花铣削加工柔性好、加工质量高,但其加工过程中蚀除产物可能会搭接在工具电极上而造成排屑不良,容易导致短路或拉弧,降低加工过程的稳定性。在电火花铣削加工中引入超声振动,能够在工具电极与工件之间产生交变压力,促进电介质的循环,提高电介质的流动特性,避免蚀除产物沉积,有效强熔融金属产物从工件表面去除的效果对超声振动一气体介质电火花加工气体流场进行了仿真分析,得出了压力、速度的变化规律。已有的理论仿真研究大多是针对电火花加工间隙流场,对超声搌动作用下电火花铣削间隙流场的理论和仿真研究较少。

  本文基于流场理论,通过合理简化建立了超声振动辅助电火花铣削间隙流场的动力学方程,并得到了间隙流场压力的变化规律,分析了流场交变压力作用下的空穴分布变化规律,最后进行了,变幅杆带动工具电极超声振动,主轴带动工具电极旋转,一定压力的电介质通过管状的工具电极施加到加工区域,利用脉冲放电产生的瞬时高温去除工件材料。

  由圄1可知,超声振动辅助电火花铣削加工区是一个二维旋转轴对称圄形,可以把超声辅助电火花铣削间隙流场简化为二维流场,并对间隙流场中的流体进行如下的假设:①间隙流场中的流体为不可压缩流体;②流体是连续介质;③不考虑热量传递。

  超声振动辅助电火花铣削加工间隙流场中的电介质遵守质量守恒定律。如圄2所示,取1一1截面、2别表示两个截面上的平均流速,并将截面取为有效截面,则对于1一1截面和2―2截面的连续性方程为对工具电极施加超声振动后,其底面间隙为动初相位。

  控制体的流动由定常流动变为非定常流动,为了简化分析,仍按定常流动分析,则在工具电极的超声振动作用下,2变幅杆带动工具电极进行超声振动,超声振动在电介质中传播。不可压缩黏性二维流体微元体所受表面应力如圄3所示,在z和;y方向的运动方程分别为微元体所受的表面应力间隙流场中,垂直于流动方向的速度很小,可以忽略不计,所以底面间隙处:T方向的平均速度为忽略电介质的黏性,即=0,将式(7)代入y式(3),求解得由式(8)和式(6)可知,在工具电极的超声振动作用下,加工间隙中的电介质在:r和y方向的压力均呈周期性变化,其变化周期为超声振动周期,电介质的流动由稳定流动变成萦流,促进电介质的循环、避免蚀除产物的沉积、减少短路和电弧放电的发生,交变压力作用同时会加剧蚀除粒子和等离子的运动,大电离击穿几率和电源脉冲利用率。这些因素能提高加工过程稳定性和加工效率,进而能提高工件材料去除率。电介质超声频交变压力作用在加工区域产生高频泵吸作用,火花放电凹坑深度减小,加工表面的熔融金属铺展的更均匀,工件表面变得更加平整,工件表面的粗糙度降低,工件表面质量提高。

  2有限元仿真模型及仿真分析2.1有限元仿真模型假设电极、工件表面十分光整,电火花铣削加工是均匀放电过程,在Gambit中建立的Fluent几何模型如圄2所示。电极壁厚为侧面间隙为50pm,底面间隙为10pm,电极内孔半径为电极内外壁面分别施加旋转速度边界条件。根据实际加工的特点,选择入口边界条件为Pressure*inlet,压力为2MPa,出口边界条件为Pressure―outlet,压力为一个标准大气压,电介质为去离子水,其密度为998kg/m3,动力黏度考虑重力影响,其重力加速度为9模型中使用标准―e湍流模型。根据进出口湍流强度计算设置进出口湍流动能为0.湍流耗散率为0.01m2/s3.该模型满足质量守恒和动量守恒条件,即满足超声振动辅助电火花铣削间隙流场动力学基本方程。

  模型中使用用户自定义函数UDF对电极底面施加速度边界条件,其速度符合超声振动速度变化规律,其值为其中,振幅A=2.5pm,振动频率/ *e湍流模型并对电极底面施加超声振动速度边界条件,能够很好地模拟理论分析中建立的间隙流场。

  由于对电极底面施加了速度边界条件,为了保持网格质量并模拟超声振动网格的动态变化过程,模型中采用动态网格技术中的弹簧近似光滑模型和动态分层模型,这种方法取得的振动数值和实际值相比具有一定误差,但能很好地模拟超声振动所引起的速度压力变化趋势、发展规律和数值关系。

  控制网格变形的弹簧近似光滑模型是将网格边界理想化为节点相互连接的弹簧,把变形区网格看作一个弹簧网络系统,网格边界移动前弹簧网格系统处于平衡状态,网格边界发生位移后,会产生与位移成比例的力,经过迭代计算,弹簧网格系统将达到新的平衡,得到使各节点上的合力等于零的新网格节点位置。动态层模型生成网格速度较快,是根据紧邻运动边界网格层高度的变化,大或者减小网格层高度,即在边界发生运动时,如果紧邻边界的网格层高度大到一定程度,就将其划分为两个网格层;如果网格层高度降低到一定程度,就将紧邻边界的两个网格层合并为一个层。

  模型中采用四边形网格,底面间隙网格数为20X95,侧面间隙网格数为120X5,电极内孔的网格数为80X50.采用动态网格技术后,底面间隙网格尺寸基本保持不变,一个超声振动周期内,网格数在15X9525X95之间变化。

  电极底面施加超声振动速度边界条件前,使5/.鲥街整个流场经过迭代计算处于收敛状态,然后对电极底面施加超声振动速度边界条件进行相关计算。

  2.2有限元仿真分析如圄2所示,取底面间隙的中点为观测点,该点在V方向的速度仿真变化规律如圄4所示,符合正弦变化规律。考虑到仿真误差,取速度幅值=2n/A可得电介质的振动幅值为2.4pm,与施加的超声振幅近似相等。

  迭代时间底面间隙中点在方向的速度变化规律由于底面间隙非常小,能量损失可忽略不计,认为电介质在:V方向的振动速度近似等于施加的超声振动速度。质点振动速度对时间微分可得质点的振动加速度,可推知电介质在:V方向的振动加速度近似等于施加的超声振动加速度,从而证明,空穴主要分布在出口处。

  在超声振动作用下,间隙流场的空穴仿真分布变化规律如圄7所示。超声波以负压形式向前传播,亦即在n/23n/2段,空穴易形成区域空穴程度越来越大,在n处附近空穴程度达到最大值,随后空穴程度保持不变,整个过程空穴易形成区超声振动作用下的空穴分布变化规律域越来越小。表明在负压阶段,超声振动作用使电介质中形成微小的真空洞穴,这时溶解在电介质中的气体很快进入空穴并形成气泡使空穴程度越来越大,在处附近超声振动传播形成的负压(fs)电压U(V)峰值电流KA)5201405用每分钟加工孔的深度表征工件材料的去除率;使用VHX― 600E大景深三维显微系统测量加工孔底面的表面粗糙度,测量三次取平均表2验证,工具电极接脉冲电源的负极,工件接脉冲电源的正极,电解液采用去离子水,其电导率为62pS/cm,工具电极材料为黄铜,工件材料为45钢。超声搌动频率为337kHz,超声搌动搌幅约为3pm.采用在工件上打孔的加工方式,使用同一根电极以消除由于工具电极同轴度不同造成的误差,每一组。

  实验结果表明:工具电极施加超声搌动后工件材料去除率明显提高。这是因为:①工具电极施加超声搌动后,电介质在:T和;y方向的压力均呈超声频周期性变化,促进了电介质的循环,改善了加工间隙的排屑条件,减少了短路和电弧放电,同时可以加速火花放电的消电离过程,提高了加工稳定性;②超声搌动在电介质中传播的加速度非常大,交变压力作用会加剧蚀除粒子和等离子的运动,大电离击穿几率和电源脉冲利用率,提高加工效率;③交变压力作用强了电介质的空穴作用,空穴作用对工件材料去除具有一定的贡献;④放电间隙在数微米的区间内超声频变化,机床主轴容易扑捉到合适的火花击穿间隙,加火花放电几率。

  实验结果同时表明:工具电极施加超声搌动后工件表面表面粗糙度值明显降低。这是因为电介质在Z和;y方向超声频周期性变化的压力产生高频泵吸作用,使熔融金属发生流动,加工表面的熔融金属铺展的更均匀,同时加工表面受到与其成一定角度的合力作用,能够有效去除火花放电产生的尖峰,减小火花放电凹坑的深度,这些都使施加超声搌动后的加工表面表面粗糙度值下降。

  以上实验证明了理论推导和仿真分析结果的正确性,亦即施加超声搌动促进了电介质的循环,提高工件材料去除率,并使工件加工表面更平整。

  空化泡为微小气泡,空化泡被拉伸膨胀或压缩崩溃使熔融金属从工件表面去除时,会在工件表面留下微小洞穴。空穴作用越强则留下的微小洞穴越多。圄9为加工孔底面SEM照片,对比分析可以看出,施加超声振动后加工表面上的微小洞穴明显多,说明施加超声振动后加工表面上的空穴现象明显强,这是因为电介质:r和:V方向超声频周期性变化的压力为空化泡的形成提供了有利条件,导致超声空化作用强。以上实验从侧面证明了空穴变化规律的仿真分析结果是正确的。

  (b)不施加超声振动加工孔底面的SEM照片4结论(1)工具电极施加超声振动后,加工间隙中电介质在r和;y方向的压力分别以式(8)和式(6)的规律进行超声频周期性的变化。

  (3)工具电极施加超声振动后,电介质的交变压力作用能够减小火花放电凹坑深度,使工件加工表面的熔融金属铺展的更均匀,降低工件加工表面粗糙度。

  (4)工具电极附加超声振动后,空穴变化呈现周期性,空穴的作用强。

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