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钛合金小孔电火花加工有限元仿真研究

时间:2015-10-12 17:03:00 来源:中国打火机网

  钛合金材料的密度小、强度/密度比高,是目前实用合金中单位重量强度最大的合金材料,而且钛合金材料还具有极其优异的耐热性与耐腐蚀性,因此,钛合金材料被广泛应用于飞行器、原子能、海洋开发及医疗器械等诸多领域中。但是,钛合金的热导率约为铁的1/3,机械加工时产生的热量很难通过工件释放,加工时局部温度上升快,易造成刀具温度过高,使刀尖磨损加剧,使用寿命降低。

  随着航空航天、仪器仪表及医疗器械的发展,小孔的应用也曰趋广泛,发动机叶片上的小孔成百上千个,传统的加工方法难以满足加工效率要求,电火花加工则是一种有效的方法。电火花加工利用两极间的放电能量去除材料而达到加工目的,可加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料,是加工钛合金小孔的有效方法。电火花加工是电动力、电磁力、热动力以及流体动力等综合作用的过程,加工过程非常复杂。目前国内外学者对电火花加工钛合金小孔进行了大量的研究。

  通过应用超声电火花复合加工方法研究钛合金小孔的电火花加工。通过研究放电参数对电火花加工钛合金小孔质量的影响,优化了加工参数。研究了TC4合金不同组织条件下电火花加工后的表面残余应力,结果表明,经过700°C和800°C的2h热处理后,表面应力明显减小,而经过500°C的2h热处理后效果不明显。研究了峰值电流、脉宽、冲液压力和占空比对电极损耗、材料去除率和谁度的影响,米用田口法优化了加工参数,改善孔的锥度。但是到目前为止,对电火花加工钛合金小孔的研究大都是在工艺方面,对其理论基础的研究甚少。有限元法是研究电火花加工技术基础的一种有效手段。在超短脉宽(‘<0. 1卩s)条件下利用有限元法仿真电火花加工后工件表面温度分布。在脉宽’为5. 6560下模拟出工件表面形貌和温度分布,仿真结果与,数学模型可表示如下:= Z.无穷远K)k为修正系数。

  表1不同温度下TC4合金物性参数值r<只的范围为热流密度输入区,放电热流密度为的范围为对流换热区,其他边界为室温。

  从可以看出,是放电通道半径,它是热交换区域与能量密度区域的界限,研究发现,单脉冲放电加工过程中放电通道半径是一个随加工时间变化的值。为了计算放电通道半径,不少学者都进行了研究,井上洁根据大量的。

  1.5求解与分析模拟计算过程中作如下假设:①一个脉冲只形成一个放电通道;②放电通道为圆柱形;③在放电过程中,由于工件静止不动,放电通道在工件上未转移,因此可近似认为放电点热源为静止热源;④在材料蚀除过程中,气化或熔化蚀除的颗粒全部被带出放电凹坑。电火花加工过程中,放电通道等离子体的能量并不是全部都施加在正负两级上,而是有一定的能量流失。Eubank等研究发现,电火花加工中阴极吸收的能量大约占总能量的0.180.5,根据Dibitonto等的研究,在以水为加工介质时,阴极的能量吸收率为0. 183,因此本文卩取值0.18.实际加工中,放电维持电压与开路电压相差很大,在一定加工条件下,极间放电维持电压大小几乎与极间距离无关,放电维持电压与材料息息相关,热导率越小放电维持电压越小,根据研究,大部分材料的维持电压在2025V之间,TC4合金的热导率小,因此本文取Ub(t =20V.仿真参数如表2所示,所示是在单脉冲且峰值电流为6A、脉宽为12ps模拟条件下得到的放电点温度分布。是峰值电流为2A、脉宽为30JS模拟条件下得到的TC4合金横向和纵向温度分布图。

  表2仿真模拟的电参数为了计算出模拟去除体积的大小,采用生死单元法,将TC4合金的熔化温度值1600C做为温度,高于此温度的单元则乘以一个很小的因子,缺省值为10―6,因此单元在模型中就显示应用生死单元后的凹坑形貌图研究发现,蚀除凹坑形状呈近似半球形,而模拟结果是建立在二维条件下的,为了计算去除体积,建立如下等式:4是模型宽度方向每一层的厚所示是单脉冲模拟去除总体积结果,总去除体积随峰值电流的增大而增大,随脉宽的增大而增大,因为峰值电流和脉宽的增大都将导致能量输入的增大,更多的材料被去除,导致去除总体积增加。

  2试验验证本文验证试验采用的机床为高速小孔机,电极材料为黄铜(半径0.5mm)电极采用中空电极,工作方式为冲液加工。TC4合金的厚度为2mm,加工介质为去离子水,负极性加工。

  利用电子称重得到试验前后去除体积重量。

  例如,在峰值电流13A、脉宽4ps、脉间12ps、电容0.16PF条件下加工前后工件的重量分别为00601g,去除量为两者之差(1.83mg),从试验结果可看出去除量比理想值)稍大,原因是电火花加工过程中蚀除颗粒来不及完全排出,导致二次放电,最终导致实际加工直径尺寸比理想值偏大,去除体积偏大。为了后期更好地观测内壁表面质量,在小孔加工前把工件分为两半,是加工后的小孔照片,经超景深观测得小孔直径尺寸稍大于0. 5mm,进一步验证了称重后结果的合理性。为利用超景深仪器观测小孔内表面得到的照片,可以看出,表面有无数个小凹坑,这与电火花加工是利用无数个单脉冲蚀除加工的机理是一致的,在图中黑线所示方向上,小孔内表面最高点与最低点的坐标值之差为10. 5pm,并且内表面部分点呈暗黑色,原因是去离子水在高温下分解,生成了氧气,在高温作用下,工件表面发生了氧化反应。

  为了得到实证试验总的放电个数,记录加工时间。研究表明,实际加工过程中并不是所有的为验证实验记录的加工时间以及单脉冲体积去除率误差分析结果。

  表3单脉冲体积去除结果及误差3结论在物理、数学模型的基础上,采用高斯热源,考虑影响能量输入的主要因素:峰值电流和脉宽,采用焓值法解决加工过程伴随的熔融潜热问题,根据实际放电情况,考虑随放电时间变化的放电通道半径,利用ANSYS建立单脉冲电火花加工钛合金小孔的数学模型,模拟出放电点的温度分布,从模型结果可以看出,放电点的最高温度超过8000°C,足以熔化甚至气化工件材料。从验证试验可以得出,实际加工钛合金单脉冲体积去除率和模拟结果相近,误差小于10%.研究结果表明,仿真模型是有效的,能较准确地预测电火花加工TC4合金小孔的体积去除率。

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