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TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工溫度場仿真研究

2016-11-7 來源：哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院作者：馮業(yè)瑞，郭永豐，李宗峰

摘要：為深入研究TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工過程，進(jìn)行了TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電溫度場仿真。建立了TiC/Ni 金屬陶瓷顆粒隨機(jī)分布模型，運(yùn)用ANSYS 軟件采用生死單元法對TiC/Ni 金屬陶瓷進(jìn)行單脈沖溫度場仿真研究，并對結(jié)果進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明：TiC/Ni 金屬陶瓷顆粒隨機(jī)分布模型適于TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工溫度場仿真，且隨著峰值電流及脈寬的增大，TiC/Ni 金屬陶瓷蝕除體積增加，表現(xiàn)為試驗(yàn)時材料蝕除率增加。

關(guān)鍵詞：電火花加工；溫度場仿真；顆粒隨機(jī)分布模型；生死單元法

TiC/Ni 作為一種典型的金屬陶瓷材料，具有硬度大、強(qiáng)度高、耐磨損、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)異特性，在航空航天、加工制造和石化工業(yè)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景[1-2]。由于TiC/Ni 金屬陶瓷采用機(jī)械加工方法加工難度大，影響了TiC/Ni 金屬陶瓷的推廣和應(yīng)用。而電火花加工是利用放電時的電熱作用對工件進(jìn)行無接觸蝕除加工的，適合于任何難加工導(dǎo)電材料，對于TiC/Ni 金屬陶瓷的加工具有較大的優(yōu)越性。如果能對TiC/Ni 金屬陶瓷材料的電火花放電加工過程進(jìn)行深入分析，對TiC/Ni 金屬陶瓷的電火花加工具有巨大的指導(dǎo)意義。

電火花加工過程是一個復(fù)雜的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程，主要利用放電時的瞬時高溫作用來蝕除工件材料，因此，影響放電蝕除作用的關(guān)鍵在于工件加工部位表面的溫度場分布。但由于電火花加工具有放電時間短、放電間隙小、瞬時溫度高等特點(diǎn)，現(xiàn)有檢測手段很難對放電過程進(jìn)行監(jiān)測與觀察，而有限元數(shù)值模擬方法為研究電火花放電時的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程提供了一種手段。

國內(nèi)外對單脈沖放電溫度場的仿真研究較多，但大多針對單一成分或?qū)?fù)雜成分簡化成單一均勻成分處理的材料進(jìn)行建模[3-6]。TiC/Ni 金屬陶瓷材料是由不同組分的碳化鈦顆粒與金屬鎳混合制備而成的，與單一的陶瓷相材料和單一的金屬相材料都有很大的差別，屬性上并不是簡單的數(shù)值疊加。因此，本文建立碳化鈦顆粒隨機(jī)分布模型，利用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行了TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電溫度場仿真蝕除研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1. TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電模型的建立

1.1 物理模型的建立

由于電火花放電過程極其復(fù)雜，為更好地進(jìn)行仿真運(yùn)算，首先對仿真條件做出簡化設(shè)定：放電熱源模型為高斯熱源模型，熱源加載面為圓形，且每次放電只形成一個放電通道，熱量以熱傳導(dǎo)和對流換熱形式傳遞，忽略熱輻射等其他傳遞形式。圖1 是在設(shè)定條件下建立的TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電物理模型。在電火花放電加工過程中，當(dāng)工件和電極之間距離極小時，兩者間絕緣介質(zhì)被擊穿后形成放電通道，放電通道的能量主要通過熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入工件，同時，工件吸收的部分能量在放電點(diǎn)周圍以對流換熱的形式散失到放電間隙中。

圖1 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電物理模型

1.2 幾何模型的建立

由于材料的結(jié)構(gòu)為硬質(zhì)相TiC 顆粒隨機(jī)分布在粘接相Ni 中，所以采用球形顆粒隨機(jī)分布模型建立材料幾何模型，其基本思想是首先確定碳化鈦顆粒分布區(qū)域和顆粒大小、數(shù)目，然后利用程序產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)，將碳化鈦顆粒在區(qū)域內(nèi)隨機(jī)分布，便可生成碳化鈦顆粒隨機(jī)分布模型。另外，在顆粒隨機(jī)投放的過程中需判斷顆粒的有效性，即要滿足如下限制條件：

（1）TiC 顆粒必須在模型所設(shè)定的區(qū)域內(nèi)。

（2）顆粒間互不相交，即任意兩顆粒的中心距大于兩顆粒半徑之和。

經(jīng)測定碳化鈦顆粒粒徑范圍為4~12 μm，通過ANSYS 中的APDL 語言編程實(shí)現(xiàn)了邊長為100 μm的正方體1/4 仿真模型。為了更直觀地看到模型單元的劃分情況，分別提取了基體單元和隨機(jī)分布顆粒單元，結(jié)果見圖2。

圖2 模型單元劃分結(jié)果

1.3 單脈沖放電熱源分析

TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電仿真采用高斯分布熱源模型。設(shè)qm為表面最大熱流密度，k 為熱源集中系數(shù)，R（t）為t 時刻通道半徑，則放電通道中距離放電中心r 處的熱流密度可表述為：

在電火花加工中，單個脈沖放電能量集中，放電區(qū)域較小，高斯熱源模型放電能量主要集中在放電通道中心處，在無限遠(yuǎn)處趨近于零。

1.4 工件材料物理參數(shù)的確定

在TiC/Ni 電火花加工溫度場仿真研究中，選取碳化鈦、鎳和TiC/Ni 材料的物理參數(shù)見表1。

表1 碳化鈦、鎳和TiC/Ni 材料的物理參數(shù)

2. 仿真結(jié)果分析

2.1 峰值電流對材料蝕除的影響

為了更好地進(jìn)行材料蝕除仿真分析，得到更直觀的材料溫度場仿真蝕除結(jié)果，采用生死單元法進(jìn)行材料的溫度場蝕除仿真，并在ANSYS 軟件中編寫提取程序來進(jìn)行蝕除單元的提取，即將溫度場仿真結(jié)果中高于材料熔、沸點(diǎn)的單元“殺死”，只顯示出溫度小于材料熔、沸點(diǎn)的單元，從而很好地反映不同參數(shù)下材料的蝕除情況。圖3 是不同峰值電流下的材料蝕除凹坑深徑比，隨著峰值電流的增大，深徑比減小。圖4 是脈寬一定時（Ton=15 μs），不同峰值電流下的材料熔化蝕除仿真結(jié)果。從圖4 可看出，隨著峰值電流的增大，材料蝕除凹坑尺寸和蝕除體積均呈增大的趨勢。

圖3 不同峰值電流下的材料蝕除凹坑深徑比

圖4 不同峰值電流下的材料蝕除仿真結(jié)果

圖5 不同峰值電流下的溫度分布

2.2 脈寬對材料蝕除的影響

圖6 是峰值電流一定時（Ip=12 A），不同脈寬下的材料蝕除凹坑深徑比。可看出，隨著脈寬的增大，深徑比先減小后增大，當(dāng)脈寬為20 μs 時，深徑比最小。圖7 是不同脈寬下的材料蝕除仿真結(jié)果?？煽闯觯S著脈寬的增大，材料蝕除凹坑尺寸和蝕除體積均呈增大的趨勢。

圖8a 和圖8b 分別是沿半徑方向和深度方向脈寬對表面溫度分布變化的影響曲線。從圖8a 可看出，隨著脈寬的增加，工件表面溫度升高，這是因?yàn)殡S著脈寬的增大，熱流密度加載時間變長，提供的熱量增多，溫度會升高；同時，放電中心附近溫度最高，隨著位置的遠(yuǎn)離溫度逐漸減小。半徑15 μm內(nèi)溫度變化較快；15 μm 外，隨著距離的增加溫度變化速率逐漸變緩，原因是熱流密度在加載半徑范圍內(nèi)加載，在越靠近中心位置溫度越高，在加載半徑范圍之外由于對流換熱系數(shù)是相同的，會發(fā)生均勻散熱。從圖8b 可看出，沿深度方向溫度梯度較大，大脈寬溫度梯度要小于小脈寬溫度梯度，這可能是由于每個加載周期內(nèi)脈寬大時散熱時間較短導(dǎo)致的。

圖6 不同脈寬下的材料蝕除凹坑深徑比

圖7 不同脈寬下的材料蝕除結(jié)果

圖8 不同脈寬下的溫度分布

2.3 單脈沖放電材料蝕除分析

通過對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工進(jìn)行單脈沖放電溫度場仿真分析，研究峰值電流和脈寬的綜合作用對TiC/Ni 金屬陶瓷材料蝕除的影響，得到不同峰值電流和脈寬下的材料蝕除凹坑半徑、凹坑深度和材料熔化、氣化蝕除量。采用式（2）的形式對材料蝕除凹坑半徑、凹坑深度和材料熔化、氣化蝕除量與峰值電流和脈寬之間的關(guān)系進(jìn)行擬合，得到的擬合后的關(guān)系曲面及擬合結(jié)果分別見圖9~圖11。

式中：a、b、c 為公式擬合系數(shù)。

圖9 材料蝕除凹坑半徑與峰值電流和脈寬的關(guān)系

分析圖9~圖11 中材料蝕除凹坑半徑、深度和材料熔化氣化蝕除總量與峰值電流和脈寬的關(guān)系

圖10 材料蝕除凹坑深度與峰值電流和脈寬的關(guān)系

圖11 材料熔化氣化蝕除總量與峰值電流和脈寬的關(guān)系

曲面可知，隨著峰值電流和脈寬的增大，材料蝕除凹坑半徑、深度和材料熔化氣化蝕除總量均呈增大的趨勢，這是因?yàn)殡S著峰值電流和脈寬的增大，單脈沖放電能量增加，有利于材料的蝕除。

3. 加工實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 峰值電流對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工的影響

在極性、脈寬、脈間、伺服電壓一定的條件下，研究了峰值電流對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工的影響。試驗(yàn)參數(shù)見表2，工件材料蝕除率隨峰值電流增加的變化趨勢見圖12?？煽闯觯S著峰值電流的增大，工件材料蝕除率呈現(xiàn)出增大的變化趨勢。峰值電流由0.64 A 增大到19.2 A 時，工件材料蝕除率由0.395 mm3/min 增大到3.244 mm3/min，且增長趨勢較明顯。單個脈沖放電能量隨著峰值電流的增加而增大，從而使材料的單個脈沖蝕除量增多，工件材料蝕除率增大。與仿真結(jié)果基本符合。

3.2 脈寬對TiC/Ni

金屬陶瓷電火花加工的影響在極性、峰值電流、脈間、伺服電壓、伺服速度、加工時間和抬刀高度等參數(shù)一定的條件下，研究了脈寬對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工的影響。試驗(yàn)參

圖12 峰值電流對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工材料蝕除率的影響

數(shù)見表3，工件材料蝕除率隨脈寬的變化趨勢見圖13?？煽闯?，隨著脈寬的增大工件材料蝕除率先增大后減小，且脈寬為30 μs 時工件材料蝕除率最高。工件材料蝕除率的大小與放電能量的大小有關(guān)，而隨著脈寬的增大，單個脈沖放電能量增大，單個脈沖材料蝕除量增大，從而使工件材料蝕除率增大。從加工現(xiàn)象上看，當(dāng)脈寬由5 μs 增大到30 μs 時，加工過程較穩(wěn)定，加工狀態(tài)較好。當(dāng)脈寬由30 μs 增大到80 μs 時，隨著脈寬的增大，間隙內(nèi)蝕除產(chǎn)物增多，排屑不順暢，出現(xiàn)較多的拉弧、短路、回退等異常情況，使加工時間變長，工件材料蝕除率降低。由于連續(xù)脈沖的排屑問題，使材料蝕除量變化與單脈沖放電仿真模型有所差別，但在小脈寬階段基本符合單脈沖放電仿真模型結(jié)果。

4. 結(jié)論

本文建立了TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電仿真模型，利用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行了TiC/Ni 金屬

圖13 脈寬對TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工材料蝕除率的影響

陶瓷電火花加工單脈沖放電溫度場仿真研究，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，得到的主要成果和結(jié)論如下：

（1）建立了模擬TiC/Ni 金屬陶瓷材料實(shí)際結(jié)構(gòu)的顆粒隨機(jī)分布模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，該模型比材料均一分布模型更適用于TiC/Ni金屬陶瓷材料電火花加工單脈沖放電溫度場仿真。

（2）TiC/Ni 金屬陶瓷材料蝕除凹坑半徑、蝕除凹坑深度和熔化蝕除體積均隨著峰值電流的增大而增大，蝕除凹坑深徑比隨著峰值電流的增大而減小；材料蝕除凹坑半徑、蝕除凹坑深度和熔化蝕除體積均隨著脈寬的增大而增大，蝕除凹坑深徑比隨著脈寬的增大先減小后增大，且當(dāng)脈寬為20 μs 時，深徑比最小。

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