深孔电火花加工间隙流场仿真研究调研报告

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1、深孔电火花加工间隙流场仿真分析调研报告1.1课题的背景及研究的目的和意义随着我国制造业的发展，新的材料不断涌现，特别是在近些年开始出现了一些高强度、高硬度的材料，这些材料用普通的机械加工方法加工比较困难，因此被称作“难加工材料”。随着这些材料应用范围的增加，有时经常需要在这些材料上加工深孔或者小孔，加工的结构也越来越精细化和复杂化。深孔加工一直是制造业中的难题。一般认为，直径范围在0.1～2.0mm之内的孔为小孔，直径小于0.1mm的孔为微孔，深径比大于10以上的孔为深孔。传统的机械加工方法很难实现高精度和大深径比的深小孔加工。目前，较为常

2、用的加工深小孔的方法为特种加工方法，包括电火花加工技术，超声波电火花复合加工技术，激光加工技术，电子束加工技术等。而电火花加工作为最早以及工艺最成熟的特种加工方法，成为目前在深孔加工中的主要方法。微细电火花加工（microElectricalDischargeMachining，简称micro-EDM）是利用工具电极与工件（正、负电极）之间脉冲性的火花放电来蚀除多余的金属，使工件达到预定的尺寸、形状及表面质量的加工方法。由于电火花加工是利用放电时的电热作用对工件进行蚀除，工件与电极之间没有宏观切削力，因此对工件的强度和硬度没有要求，适合在难

3、加工材料上加工高精度、大深宽比的微细结构，现如今在航空航天领域（如飞行器发动机的核心部件带叶冠整体式涡轮盘，微型喷嘴、喷注器等），模具制造领域（如大面积复杂型腔模，模具型芯，压铸模的修复等），表面改性领等领域应用广泛。现如今深孔在工业生产中应用广泛，但是它的加工工艺却存在迫切需要解决的问题，因为在实际加工过程中要想使所加工孔达到较大的深径比是很困难的。深孔加工的特点之一是在加工过程中大多数时间为深盲孔加工，而限制所加工孔深径比不能太大的一个重要因素则是电蚀产物滞留在电火花的间隙流场中，导致极间放电状态变差，由于在整个电火花加工过程中，电蚀产

4、物始终存留在工作介质内，所以放电间隙中工作液流场的运动情况将直接影响放电状态，并影响到加工效率与加工质量，因此对电火花加工间隙流场进行研究对增大孔的深径比有着重要的意义。此外，由于微细电火花加工中底面放电间隙很小，一般只有十几微米到几十微米，并且工件和电极均不透明，因此很难用仪器直接测量流场的运动状态，而且放电区域内的微观过程十分复杂，其内部机理仍没有十分明确，“是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学综合作用的过程”7/7，从而导致无法用理论分析的方法来得到间隙流场状态的精确表述。因此，目前国内外大部分专家学者将精力集中在对电火花

5、加工间隙流场进行CFD（ComputationalFluidDynamics，计算流体动力学）计算，即对微细电火花加工间隙流场进行数值仿真模拟，用仿真结果来替代复杂的理论分析。除此之外，利用CFD进行模拟的优点还有成本低，适应性广，周期短等。在电火花的加工过程中，为了达到更大的深径比，或是为了获得更好的放电状态，更高的加工效率，经常会采用削边电极进行加工，或是在原有圆柱电极加工的基础上加入抬刀控制，而这些情况的CFD仿真并没有人进行过深入的研究和探讨。为了明确上述两种情况提高电火花小孔加工深径比的原因，对其进行CFD流场仿真分析是非常有必要

6、的。因此，本文拟利用CFD模拟削边电极加工及抬刀控制过程间隙流场，通过对削边电极加工间隙流场以及抬刀控制过程间隙流场的仿真，来说明削边电极加工和抬刀控制增加孔的深径比的原因。1.2微细电火花加工间隙流场仿真的国内外的研究现状国外对于电火花间隙流场仿真的研究并不多。仅有日本和美国几所大学在此方面有所研究。2004年，日本冈山大学SerkanCETIN和AkiraOkada等人建立了电火花深小孔加工间隙流场的模型，并根据仿真结果分析了不同抬刀高度情况下间隙流场中电蚀产物的流动状态对孔壁面质量的影响，最后通过实验对仿真结果进行了验证。但是在此研究

7、中，间隙流场被设定为二维，因此只适用于流场间隙很小或流场为完全轴对称结构的情况。2009年，美国密歇根大学的MasahiroFujiki,JunNi,AlbertJ.Shih等人进行了准干式电火花铣削中电极朝向和流体流动率的研究。使用FLUENT预测绝缘工作液的流动率，并定性的与EDM实验测得的材料去除率进行比较，确定了准干式电火花铣削中最合适的升角。日本冈山大学的A.Okada,Y.Uno等人利用Star-CD软件进行了线切割切口处工作液流动状态和电蚀产物运动的仿真，来研究喷嘴离加工区域的距离以及工作液从喷嘴中喷出的速度对加工过程的影响，

8、并通过与用PIV(ParticleImageVelocimetry，粒子图像测速法)得到的观察结果相比较验证了仿真模型的正确性。利用此模型能更好的设计喷嘴形式，选择冲液位置和工作