电火花加工射流方式的研究和改进

　　摘　要　研究了射流方式对工具电极和工件之间的间隙中流场的影响,建立了相应的工作液和
粉末微粒运动方程,提出并采用了新型射流方式,降低了加工件的表面粗糙度数值。
　　关键词　电火花加工　流场　射流　固液两相流

　　Abstract:In this paper,a study is made on the effects of jetting  flush style on
gap fluid field between tool electrode and workpiece,and the equations is set up for
motions of machining fluid and powder particles in gap fluid field.Furthermore,a new
jetting flush style is proposed for reducing the surface roughness of workpieces in
EDM.
　　Keywords:EDM　fluid field　jetting flush　liquid-solid flow

1　概述

　　采用电火花加工机床所进行的加工件表面粗糙度Ra小于0.1μm的电火花加工称为镜面电火花加工,镜面电火花加工在航空精密模具制造中具有重要的作用,为实现镜面电火花加工,向工作液中加入硅,铝或镍等粉末微粒,由于粉末微粒与工作液介电系数不同,放电间隙中的电场发生畸变,从而降低了放电电压,增大了放电间隙,促进间隙流场中放电点分散,有利于实现镜面电火花加工。
　　在镜面电火花加工过程中,工作液中加入粉末微粒后,悬浮在工作液中的粉末颗粒通过喷嘴被喷射到工具电极与工件之间的间隙中,使之产生分散放电,降低被加工表面粗糙度数值,因而,工作液能否及时将蚀出产物排出加工间隙,粉末微粒能否在加工间隙中均匀分布,并不断注入新的工作液和粉末微粒是降低加工表面粗糙度数值的关键之一,本文研究了电火花加工过程中工作液和粉末微粒在间隙流场中的运动规律,探讨了粉末微粒在间隙流场中的浓度分布,提出新型射流方式,降低了加工件表面粗糙度数值。

2　间隙流场中工作液和粉末微粒运动分析

　　用电火花机床加工方形零件时,一般将喷嘴固定于工件的一侧,采用一侧单喷的射流方式,采用这种射流方式进行镜面电火花加工时,工作液和粉末微粒从喷嘴射出,流向工具电极和工件之间的间隙,从3个出口方向流出,在镜面电火花加工中,工作液中掺入部分导体和半导体粉末微粒后,电极和工件间的间隙流场中工作液和粉末微粒的运动就可以近似处理为固液两相流运动,为求解固液两相流运动,本文做了以下简化处理和假设。
　　①　间隙流场中的液相为不可压缩流体。
　　②　固液两相流的流动为稳定流动,即加工平衡状态时,各项物理参数只是与几何位置有关而与时间无关的参数。
　　③　固液两相界面为无质量,无动量和无能量的几何面
　　根据质量守恒定律,得到工作液的连续性方程：
　　
式中　ρ—流体的密度；
　　　V—流体的流速；
　　　t—时间；
　　　—矢量微分算子,根据工作液动量随时间的变化和作用于单元内流体上的力的平衡关系,利用连续性方程得到工作液在间隙流场中运动的Navier-Stocks方程,简称N-S方程。
　　
式中　G—重力；
　　　τ—应力张量；
　　　^{2—拉普拉斯算子；
　　　μ—工作液动力学粘性系数。
　　镜面电火花加工试验中加工件面积为100mm2，在电火花加工间隙流场计算中,采用MAC(Market-and-Cell)算法,同时采用内值外插法处理间隙流场的边界条件,间隙流场区域内部采用动,态插值求解任意点的流体速度和压力,MAC算法的求解采用交错网格,将加工区域划分为100×100交错网格,对时间微分取向前差分,MAC算法交错网格的形式见图1。}

图1 Market-and-Cell算法网格图

　　根据球形颗粒在低雷诺数下稳定运动时的阻力,可求粉末颗粒在工作液中运动的阻力系数,按无限平行平面射流理论可建立粉末颗粒在间隙流场中的运动微分方程。
　　
　　
　　
　　式中　u_{p,vp和wp—固体微粒沿X,Y,和Z轴方向的流动速度。
　　　　　u1,v1和w1—工作液沿X,Y,和Z轴方向的流动速度；
　　　　　CD,k—粉末微粒运动阻力系数,粉末微粒的沿重力方向下降阻力系数。
　　对工作液和粉末微粒的运动方程进行计算机数值计算,根据计算发现,在单侧单喷射流方式下,加工过程中工作液沿加工表面X方向速度值比较大,但沿Y方向速度值在加工间隙入口边界中心以外的区域非常小,见图2,图3.导致粉末微粒及工作液从一个出口区域流出,使粉末微粒在间隙流场内的浓度分布不均匀,影响加工件表面粗糙度数值的降低。}

图2 沿X方向速度分布

图3 沿Y方向速度分布

3　新型射流方式提出及理论分析

　　为保证工作液在工具电极和工件之间的间隙内沿X和Y方向速度分布接近,从而使粉末微粒在间隙流场内的浓度分布比较均匀,提出在工件垂直两侧放置两个喷嘴,同时,在工件的中心开一直径Φ2mm的通孔,将通孔与第3个喷嘴相连,这样就形成从3个互相垂直的方向间隙流场中喷射工作液和粉末微粒的射流方式,称为中孔垂直喷射流方式,如图4所示,采用中孔垂直喷射时,要保证工具电极具有平动运动。

图4 中孔垂直喷射流方式流方式

　　根据工作液和粉末微粒在间隙流场中的运动方程,计算中孔垂直喷射流方式下緥作液在间隙流场的速度分布,见图5和图6,采用中孔垂直喷射流方式时,相互垂直的3个喷嘴交叉向间隙流场中垂直喷射工作液和粉末微粒,工作液在间隙流场内沿X和Y方向速度值都比较大,且速度值大小比较接近,同传统射流方式相比较,显著地改善了工作液沿Y方向的速度分布,使粉末微粒比较均匀地从两个出口边界流出,有利于粉末微粒在间隙流场中均匀分布,根据MAC算法对中孔垂直双喷射流方式下粉末微粒运动进行仿真,间隙流场中粉末微粒浓度分布仿真结果如图7所示。

图5 工作液沿X方向速度

图6 工作液沿Y方向速度

图7 中孔垂直喷粉末微粒浓度分布

4　新型射流方式试验

　　采用自制混粉工作液储油箱和加工油槽,在日产SodickA3R电火花机床上进行了中孔垂直喷射流方式下的镜面电火花加工试验,试验装置如图9所示,试验采用工件材料为Cr12MoV,工具电极为紫铜,具体加工参数见下表。

表 垂直喷射流方式下电加工试验参数及结果

工作液电参数电极面积mm^{2加工时间min加工件Ra/μmt_{in/μSt0/μSip/A煤油121.5100×1005000.24}}

　　镜面电火花加工中采用中孔垂直喷射流方式后,加工件表面粗糙度数值有了明显下降,在其它加工条件完全相同的情况下,采用传统射流方式加工试验所得到的最佳工件表面粗糙度数值为Ra0.4μm,同传统射流方式相比,采用中孔垂直喷射流方式后,加入工作液中的粉末微粒比较均匀地流经间隙流场内各点,使得工件整个加工区域内粉末微粒的浓度分布比较均匀,加工区域内各点发生电场放电畸变的机会也比较接近。因此,工件的整个加工区域内发生放电点的分布比较均匀,有效地降低了加工件的表面粗糙度数值,所加工最佳工件表面粗糙度数值可达到Ra0.24μm。

5　结论

　　①　建立了工作液和粉末微粒在工具电极和工件之间的间隙流场中的运动方程,比较客观地描述了工作液和粉末微粒在间隙流场中的运动,对电火花加工提出了理论指导。
　　②　提出了中孔垂直喷射流方式,采用3个相互垂直的喷嘴交叉向间隙流场喷射工作液和粉末微粒,促进了粉末微粒在间隙流场中的均匀分布,显著地降低了工件的表面粗糙度数值。
　　③　根据理论分析和实验研究,准备在工件垂直两侧放置互相垂直的移动喷嘴,每个喷嘴沿工件的一侧做往复运动,形成扫描移动喷的射流方式,见图8,从而使粉末微粒在工具电极和工件之间的间隙流场中浓度分布更均匀。目前,该射流方案的理论验证和机构设计工作正在进行中。

图8 扫描移动喷射流方式