電火花線切割加工 Cr12Mo V 的溫度場(chǎng)仿真分析研究
2017-5-15 來(lái)源：太原理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院 作者：殷靜凱，李文斌
摘要：隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，科學(xué)經(jīng)濟(jì)地提高電火花線切割加工 Cr12Mo V 模具鋼的加工質(zhì)量變得尤為重要。為了滿(mǎn)足這一要求，通過(guò)仿真模擬電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場(chǎng)分布，來(lái)預(yù)測(cè)峰值電流的改變對(duì)表面粗糙度的影響，將白層厚度考慮在內(nèi)并且修正仿真凹坑深度值后，與實(shí)際加工的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，得出了更為吻合的修正凹坑深度曲線與表面粗糙度曲線，證實(shí)了利用 ANSYS 有限元分析軟件模擬電火花加工溫度場(chǎng)進(jìn)行電參數(shù)的合理選擇，以此改善加工質(zhì)量的可行性。為實(shí)際生產(chǎn)中電火花線切割加工 Cr12Mo V 提供理論指導(dǎo)。
關(guān)鍵詞：Cr12Mo V；電火花線切割加工；ANSYS；峰值電流；溫度場(chǎng)
1.引言
隨著電火花加工技術(shù)的快速發(fā)展，電火花線切割加工被廣泛的應(yīng)用于模具工業(yè)、航空航天等領(lǐng)域[1]。而 Cr12Mo V 作為一種重要的模具鋼，為滿(mǎn)足其在加工方面高效率、高質(zhì)量的要求，人們利用正交試驗(yàn)和各種優(yōu)化方法來(lái)選擇電火花線切割的電參數(shù)與非電參數(shù)。但是隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，需要探求一種人力物力消耗少的方法對(duì)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化與科學(xué)選擇。仿真分析軟件 ANSYS在熱分析方面的強(qiáng)大功能滿(mǎn)足了這一要求。電火花線切割加工的蝕除機(jī)理是利用可移動(dòng)的金屬絲（一般為鉬絲，銅絲），對(duì)工件進(jìn)行放電加工。這一放電加工過(guò)程大致包括：極間工作液（介質(zhì)）的電離、擊穿，形成放電通道；材料的熔化、氣化熱膨脹；材料的拋出；極間工作液消電離[2]。當(dāng)電極絲與工件間施加足夠高的電壓時(shí)介質(zhì)被擊穿，形成放電通道。通道中的電子高速向正極移動(dòng)，離子向負(fù)極移動(dòng)，在同樣的電場(chǎng)力作用下，電子質(zhì)量輕，動(dòng)能高，與離子在正極附近發(fā)生碰撞，動(dòng)能轉(zhuǎn)化成熱能，產(chǎn)生遠(yuǎn)高于工件熔點(diǎn)的高溫，以致被熔化，甚至氣化的金屬被拋出，并被工作液帶走。由于現(xiàn)有的設(shè)備很難觀察到電火花加工的過(guò)程，而利用仿真軟件 ANSYS 不僅能夠?qū)Υ诉^(guò)程有更加形象的認(rèn)識(shí)與了解，而且可對(duì)表面粗糙度這一重要的加工性能指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。故模擬電火花線切割加工 Cr12Mo V 的溫度場(chǎng)具有非常重要的意義，對(duì)電火花線切割加工質(zhì)量能夠滿(mǎn)足制造業(yè)快速發(fā)展的要求起關(guān)鍵性作用。許多學(xué)者對(duì)有限元仿真線切割加工的溫度場(chǎng)進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[3]探討了電火花線切割加工鎳基合金 IN718 的溫度場(chǎng)分布，且對(duì)材料去除率的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果的進(jìn)行對(duì)比分析。文獻(xiàn)[4]利用有限元分析了電火花線切割加工過(guò)程中工件與電極絲的溫度場(chǎng)并進(jìn)行驗(yàn)證，在進(jìn)行表面粗糙度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比時(shí)，利用經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行修正。文獻(xiàn)[5]模擬了移動(dòng)熱源作用下電火花線切割加工電極絲的溫度場(chǎng)，對(duì)走絲速度與電極絲損耗的關(guān)系進(jìn)行了研究。但是關(guān)于仿真分析電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場(chǎng)鮮有報(bào)道，故本次研究采用隨時(shí)間變化的熱源作為熱流密度輸入，并且在對(duì)比表面加工質(zhì)量的仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果過(guò)程中，考慮了白層的影響，利用顯微鏡測(cè)量它的厚度后進(jìn)一步對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行修正，取得了預(yù)期的效果。
2.模型的建立
2.1 物理模型的建立
分析研究的試驗(yàn)平臺(tái)是北京某公司 ACTSPARK FW-1 型數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)床，電極絲采用 Φ0.18 mm 的鉬絲，試驗(yàn)材料為經(jīng)過(guò)高溫淬火的 Cr12Mo V 鋼。建立電火花線切割加工的物理模型，如圖 1 所示。
2.2 數(shù)學(xué)模型的建立
在模擬電火花線切割單次脈沖放電加工的溫度場(chǎng)分布時(shí)，其過(guò)程在幾十微秒的時(shí)間內(nèi)即可完成。在幾十微秒內(nèi)產(chǎn)生大量的熱量并且集中在很小的區(qū)域內(nèi)，所以電火花線切割加工溫度場(chǎng)的分析屬于瞬態(tài)非線性傳導(dǎo)問(wèn)題，對(duì)于非線性瞬態(tài)分析可得到圓柱坐標(biāo)系下的傳導(dǎo)方程：
2.3 放電通道半徑的確定
由于放電時(shí)間是微秒級(jí)，放電間隙是微米級(jí)，所以放電通道的半徑很難確定。電火花加工過(guò)程中，擊穿極間介質(zhì)到建立放電通道的時(shí)間一般小于 0.1μs，接著等離子體放電通道半徑是隨時(shí)間的變化而逐漸增大，形狀大致是圓柱體[6]。前人[7]經(jīng)過(guò)研究得出放電通道半徑的公式為：
3.仿真分析
3.1 建模與劃分網(wǎng)格
通過(guò)仿真前的分析可知，電火花放電蝕除材料的范圍很小，一般在幾十微米以?xún)?nèi)，因此合理的建模很重要。由于分析的模型是軸對(duì)稱(chēng)的，所以建立半徑為 80μm 的 1/4 圓形。單元類(lèi)型選擇時(shí)，二維熱實(shí)體采用 4 節(jié)點(diǎn) PLANE55 進(jìn)行建模，三維熱實(shí)體采用8 節(jié)點(diǎn)的 SOLID70 進(jìn)行建模。網(wǎng)格的劃分是 ANSYS 仿真分析過(guò)程中占用工作時(shí)間最長(zhǎng)且最為關(guān)鍵的一步，網(wǎng)格劃分的優(yōu)劣直接影響仿真分析結(jié)果的好壞。電火花線切割加工溫度場(chǎng)在很小的范圍內(nèi)溫度急劇變化，因此在放電點(diǎn)周?chē)木W(wǎng)格需要?jiǎng)澐值妮^細(xì)。基于對(duì)工作效率的考慮，在遠(yuǎn)離放電點(diǎn)的區(qū)域，其網(wǎng)格相對(duì)可以大些[8]。仿真分析劃分網(wǎng)格大小為 5μm，并且在局部進(jìn)行細(xì)化。劃分網(wǎng)格后的模型，如圖 2 所示。
3.2 定義材料屬性
Cr12Mo V 鋼的導(dǎo)熱系數(shù)與比熱容是隨溫度變化的。電火花線切割加工過(guò)程中溫度急劇變化，可以通過(guò) ANSYS 中 Add Tem-perature 功能將這些離散的參數(shù)輸入，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)進(jìn)行插值。Cr-12Mo V 鋼的物理性能參數(shù)，如表 1 所示。
表 1 Cr12Mo V 鋼的熱物理性能參數(shù)
3.3 荷載施加
3.3.1 初始條件與邊界條件
電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場(chǎng)仿真分析是非線性瞬態(tài)熱分析過(guò)程，初始條件即為初始溫度的施加，因此選擇剛開(kāi)始（t=0）的溫度為室溫 20℃，施加到模型的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)上。這樣得到物理模型的邊界條件為：
3.3.2 熱流密度
當(dāng)放電通道形成后，電子與離子碰撞產(chǎn)生高溫。由于通道中心的帶電粒子密度最大，通道邊緣處密度較小，所以在放電通道內(nèi)，能量的分布大致符合高斯分布，且碰撞產(chǎn)生的能大部分以熱能形式分配到正負(fù)極上，由于極性效應(yīng)，正負(fù)極所得到的能量分別占到 40%和 20%[8]，而其余能量被工作液帶走或者以熱輻射形式散失[5]。這樣熱流密度同樣以高斯分布形式作為表面熱源輸入工件表面[3]。熱流密度 q 的表達(dá)式為：
式中：q（r，t）—熱流密度，它是一個(gè)隨時(shí)間和距通道中心距離變化而變化的值；U—加工電壓，它的值可通過(guò)線切割加工機(jī)床電壓表讀?。籌—峰值電流；η—能量分配系數(shù)，其值取 0.4。電火花線切割加工過(guò)程中，放電通道很小，因此為簡(jiǎn)化計(jì)算。假設(shè)通道圓形截面上的能量是均勻的，即熱流密度輸入是均勻的，將（4）式簡(jiǎn)化后的表達(dá)式為：
簡(jiǎn)化后的熱流密度是一個(gè)關(guān)于時(shí)間的函數(shù)，利用 ANSYS 中的函數(shù)編輯器編輯函數(shù)并通過(guò)加載器施加一個(gè)隨時(shí)間變化的熱流密度到模型表面。
3.4 求解與結(jié)果分析
表 2 加工參數(shù)
保持其他電參數(shù)不變，通過(guò)改變峰值電流的大小，仿真分析其對(duì)表面粗糙度的影響，加工參數(shù)列表，如表 2 所示。峰值電流是決定單個(gè)脈沖能量的重要因素[10]，不同峰值電流情況下，溫度場(chǎng)的分布云圖，如圖 4 所示。由圖中可知，中心區(qū)域的溫度可達(dá)近10000℃，并且隨著峰值電流的增大，中心區(qū)域的溫度也不斷增加。Cr12Mo V 鋼的熔點(diǎn)在（1000~1150）℃，在近達(dá) 10000℃的高溫下，工件材料迅速熔化氣化，達(dá)到蝕除材料的目的。
圖 4 不同峰值電流下的溫度場(chǎng)分布云圖
單個(gè)脈沖能量增大，則材料蝕除率增加，但是表面粗糙度會(huì)變差，因此峰值電流的改變必然會(huì)影響表面粗糙度。在峰值電流I=5A 時(shí)，溫度沿深度方向變化的曲線，如圖 5 所示。由圖可知沿著遠(yuǎn)離熱流密度輸入表面的方向，溫度逐漸降低。由于 Cr12Mo V鋼的熔點(diǎn)為 1000-1150℃，故將 4 個(gè)不同峰值電流情況下，沿深度方向溫度大于 1150℃的長(zhǎng)度認(rèn)為是放電加工完全蝕除工件材料形成凹坑的深度，并把不同峰值電流下凹坑深度的變化趨勢(shì)繪入，如圖 6 所示。
圖 5 I=5A 時(shí)沿深度方向的溫度分布曲線
3.5 試驗(yàn)驗(yàn)證
以仿真分析的試驗(yàn)平臺(tái)北京阿奇夏米爾公司 ACTSPARKFW-1 型數(shù)控高速走絲電火花線切割機(jī)床，通過(guò)相同的電參數(shù)進(jìn)行加工。將獲得的（2×10×20）mm 的試件，利用 TR220 手持式粗糙度儀測(cè)量其表面粗糙度 Ra 值，同樣將不同峰值電流下表面粗糙度的變化趨勢(shì)在圖 6 中表示，從圖 6 可以看出，通過(guò)仿真預(yù)測(cè)的表面粗糙度趨勢(shì)與試驗(yàn)結(jié)果相符。但是數(shù)值上有一定的偏差，這是由于白層的影響。在放電加工過(guò)程中，溫度急劇變化，一部分熔化材料來(lái)不及被工作液帶走就會(huì)迅速冷卻形成一層凝固層，也就是白層[11]。關(guān)于白層的厚度，它不僅與電參數(shù)（峰值電流、脈寬時(shí)間），還與走絲速度有關(guān)系[12]。利用三維超景深顯微鏡可以觀察到白層在最表層，接下來(lái)是熱影響層，還有基體。峰值電流 I=4A 時(shí)的工件表面形貌，如圖 7 所示。峰值電流 I=4A 時(shí)工件側(cè)面觀察到白層、熱影響層以及基體的分布，如圖 8 所示。
因此，修正后的凹坑深度應(yīng)為仿真凹坑深度減去白層的厚度，表 3 中所示為利用三維超景深顯微鏡觀察并測(cè)量峰值電流 I=2，3，4，5A 時(shí)白層的厚度。將得到的修正值的變化趨勢(shì)在圖 6 中表示出來(lái)，從圖 6 中可以看出修正后的值與實(shí)際表面粗糙度已經(jīng)很接近了。
表 3 白層厚度與修正值
4.結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)上述分析與驗(yàn)證可知，利用 ANSYS 仿真分析電火花線切割加工 Cr12Mo V 鋼的溫度場(chǎng)分布能夠很好的預(yù)測(cè)峰值電流對(duì)表面粗糙度的影響。同樣的道理，利用相同的方法也可以研究其他電參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。通過(guò)分析產(chǎn)生白層的原因，利用顯微鏡觀察驗(yàn)證了這一結(jié)構(gòu)的存在。在仿真分析的過(guò)程中將白層厚度的影響考慮在內(nèi)，可以得到更加吻合的曲線。該方法對(duì)合理優(yōu)化參數(shù)，提高工作效率具有重要的作用，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)中提高 Cr12Mo V 鋼的加工質(zhì)量具有一定的指導(dǎo)意義。
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