SiC/Al復(fù)合材料電火花加工間隙流場分析*

唐 霖，任 磊，馮 鑫，朱秋林

(西安工業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710021)

SiC/Al復(fù)合材料以其新穎的設(shè)計理念而備受世人矚目，具有連續(xù)漸變的材料熱力學(xué)屬性且保留了兩種材料組分的良好特性.被廣泛運用于航空航天、生物材料和通信工程等領(lǐng)域[1-5].但由于受到加工方法及理論研究上的限制，具有諸多優(yōu)異性質(zhì)的SiC/Al復(fù)合材料只能制作成梯度涂層涂覆在基體材料上或者是由制備工藝一次制作成結(jié)構(gòu)簡單的構(gòu)件，很難實現(xiàn)復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工，嚴(yán)重制約著其在相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用和發(fā)展[6-9].電火花加工是一種將電能轉(zhuǎn)化成熱能，使局部工件材料熔化或氣化，可實現(xiàn)高精度、高質(zhì)量加工的特種加工方法.由于在電火花加工中極間加工區(qū)域產(chǎn)生大量的電蝕產(chǎn)物，如果沒有及時排除，會在局部聚集造成二次放電，影響加工穩(wěn)定性和加工精度.電火花加工間隙流場狀況對材料蝕除產(chǎn)物的運動過程起到了關(guān)鍵作用，因此研究電火花加工間隙流場與蝕除產(chǎn)物分布情況對提高加工效率和保證加工穩(wěn)定性具有重要的意義.

針對電蝕產(chǎn)物排除的問題，文獻(xiàn)[10]對微細(xì)電火花圓柱電極、削邊電極旋轉(zhuǎn)和抬刀加工過程中間隙流場進(jìn)行了仿真，并通過數(shù)值模擬間隙流場中速度場分布和電蝕產(chǎn)物的運動規(guī)律，分析了在電極旋轉(zhuǎn)加工過程中電極形狀差異對加工效率的影響規(guī)律，以及在抬刀加工過程中抬刀速度和高度對加工效率的影響規(guī)律，并進(jìn)行了實驗驗證.文獻(xiàn)[11]建立了電火花加工間隙的三維流場模型，通過電極的抬刀，研究了加工間隙工作液流動與加工產(chǎn)物運動的規(guī)律；并通過調(diào)節(jié)側(cè)面間隙的大小，分析加工底面間隙工作液流動和加工產(chǎn)物分布的規(guī)律.但上述研究都只是通過電極旋轉(zhuǎn)或抬刀來影響工作液的流動，未研究關(guān)于外力作用下工作液流動對加工的影響.

文中建立了電火花加工間隙流場仿真模型，采用外沖液、內(nèi)沖液兩種供液方式，對加工間隙流場速度分布、蝕除產(chǎn)物濃度進(jìn)行了數(shù)值模擬，同時分析加工深度、沖液壓力對材料去除率和電極相對損耗率的影響.

1 間隙流場模型

電火花加工中的材料的拋出是熱爆炸力、電磁力和流體動力等綜合作用的結(jié)果.以10%SiC/Al復(fù)合材料為研究對象，采用Fluent軟件對電火花加工間隙流場進(jìn)行仿真分析.

1.1 幾何模型的建立

電火花加工供液方式分別為內(nèi)沖液和外沖液兩種方式.流場的二維幾何模型如圖1所示.在打孔的過程中，電極向前進(jìn)給，在電極與工件之間存在放電間隙，流體介質(zhì)在加工過程中從間隙中強迫流過.流動的工作液介質(zhì)通過加工間隙將殘留在兩極之間的電蝕產(chǎn)物排到非加工區(qū).加工中使用的紫銅管狀電極內(nèi)外徑分別為?2 mm，?8 mm，工作液介質(zhì)為煤油，加工間隙為0.5 mm.

圖1 流場的二維幾何模型

1.2 間隙流場數(shù)學(xué)模型的建立

電火花加工過程中放電間隙涉及溫度場、流場、電場和磁場等多場的綜合作用，由于各種因素對加工間隙流場的影響程度不同，因此對流場模型進(jìn)行簡化，進(jìn)行如下假設(shè)：① 加工間隙流場為固-液兩相流；② 流體為不可壓縮；③ 放電過程時間極短，流體的溫升較小，因此忽略溫度對加工間隙流場的影響.

加工間隙流場控制方程包括能量方程、連續(xù)性方程、動量方程和湍流模型方程.由于這里忽略溫度對流場的影響，所以只需考慮連續(xù)性方程與動量方程，湍流采用重正化群(Renormalization Group,RNG)k-ε模型方程.

流場連續(xù)性方程[12]為

(1)

式中：ux，uy，uz分別為流場某一點(x，y，z)在x，y，z三個方向上的速度分量(m·s-1)；t為時間(s)；ρ為工作液密度(kg·m-3).

流場動量方程為

(2)

(3)

(4)

式中：u為單位速度矢量；τxx，τxy，τxz，τyx，τyy，τyz，τzx，τzy，τzz是因分子黏性作用而產(chǎn)生的作用在微元體表面上的黏性應(yīng)力τ的分量(Pa)；p為流體微元體壓強(Pa)；fx，fy，fz分別為流場某一點(x，y，z)在x，y，z三個方向上的單位質(zhì)量力(m·s-2).

RNGk-ε模型方程為

(5)

(6)

(7)

式中：k為湍動能(J)；ε為湍動能耗散率；Gk為平均速度梯度引起的湍動能k的產(chǎn)生項；Ck，Cε，C1ε，C2ε為經(jīng)驗常數(shù)；Cμ為與湍流黏性系數(shù)μ有關(guān)常數(shù);v為湍流黏度；ui，uj為流體速度沿i,j方向的分量(m·s-1)；xi，xj為流場在x位置處沿i,j方向的分量.

1.3 流場模型的設(shè)定

在計算流體分析過程中，雷諾數(shù)Re≤2 300時，液體呈現(xiàn)層狀流動(層流)；2 300

(8)

式中：ρ為液體的密度(kg·m-3)；U為液體的平均流速(m·s-1)；D為管徑(m)；μ為流體的黏性系數(shù).

Fluent軟件中采用的湍流模型包括 Spalart-Allmaras模型、Baldwin-Barth模型、k-ε模型和雷諾應(yīng)力模型(Reynolds Stress Equation Model,RSM)等.為了準(zhǔn)確地模擬間隙流場工作液的流動狀態(tài)，同時兼顧計算效率，文中采用k-ε模型.

三維網(wǎng)格的劃分如圖2所示，一般采用六面體網(wǎng)格劃分可獲得較高的精度.若將整個流場作為一個整體統(tǒng)一劃分網(wǎng)格，網(wǎng)格數(shù)量會非常的龐大，計算量急劇增大，收斂速度降低.因此將流場模型先分割成不同區(qū)域，再分別進(jìn)行網(wǎng)格劃分.整個模型的網(wǎng)格劃分為細(xì)化的間隙流場部分、網(wǎng)格尺寸較大的電極管內(nèi)部分，這樣可以兼顧計算效率和仿真精度.

圖2 網(wǎng)格劃分

在Gambit中將劃分好的網(wǎng)格模型導(dǎo)入Fluent軟件中進(jìn)行穩(wěn)態(tài)求解，進(jìn)液口和出液口分別設(shè)置為壓力進(jìn)口和壓力出口邊界；加工間隙的上、下端面分別設(shè)置為粒子源面，進(jìn)行蝕除產(chǎn)物的模擬；電極與加工間隙的交界面處設(shè)置為“interface”面，作為數(shù)據(jù)交換.當(dāng)計算連續(xù)相達(dá)到收斂后再加入固體產(chǎn)物相，由于電極的損耗主要集中在電極的底面，因此設(shè)定電極材料微粒的產(chǎn)生面為電極底面，而工件材料微粒的產(chǎn)生面為側(cè)面和底面.電火花加工微粒產(chǎn)物形狀和尺寸大小呈現(xiàn)規(guī)則不一，文中模型將加工微粒產(chǎn)物都簡化為球形，微粒的直徑大小為10 μm.電火花加工產(chǎn)物微粒主要有密度為8 978 kg·m-3的工具電極Cu微粒、密度為3 129 kg·m-3的工件蝕除SiC微粒和密度為2 719 kg·m-3的Al微粒，微粒的初始速度為零.

2 結(jié)果分析

2.1 間隙流場仿真結(jié)果分析

電火花加工間隙流場仿真主要研究供液方式、沖液壓力和加工深度分別對間隙流場與加工產(chǎn)物的影響.其中，供液方式為內(nèi)沖液、外沖液；沖液壓力為0.3，0.8，1.3，1.8，2.3 MPa；加工深度為1，2，3，4，5 mm.

2.1.1 不同沖液方式對間隙流場的影響

沖液是電火花加工過程中常用的輔助工藝手段，依靠液槽內(nèi)工作液的噴液實現(xiàn)的外沖液和內(nèi)沖液在電火花加工方面發(fā)揮著改善極間狀態(tài)，維護(hù)放電穩(wěn)定，提高加工效率的作用.設(shè)工作液入口壓力為2.3 MPa，加工深度為5 mm，分析不同的供液方式對加工間隙流場的影響.圖3為不同供液方式下流場速度分布云圖.

在加工間隙流場中，內(nèi)沖液加工中工作液流速最大速度為76.9 m·s-1較外沖液流速75.2 m·s-1高.工作液流動速度越快，拋出電蝕產(chǎn)物的能力越強，即內(nèi)沖液加工能帶走更多的電蝕產(chǎn)物，同時，靠近工件表面的工作液速度明顯高于靠近電極表面的速度，靠近工件一側(cè)速度越快越能保證加工殘渣能及時排除，而靠近電極表面工作液速度慢則有利于減少電極損耗.但兩種供液方式的加工間隙拐角處工作液流速都較小，易引起加工產(chǎn)物微粒的堆積而導(dǎo)致積炭.

圖3 不同供液方式下流場速度分布

圖4為不同供液方式下間隙蝕除產(chǎn)物濃度的分布云圖.為了更直觀地表現(xiàn)蝕除產(chǎn)物在加工間隙中的分布狀況，并根據(jù)仿真結(jié)果，將產(chǎn)物濃度上限值設(shè)定為8 kg·m-3.在兩種不同的供液方式下，加工間隙的拐角處都有不同程度蝕除產(chǎn)物的堆積；此外，在加工間隙中，電極與工件表面處均有蝕除產(chǎn)物附著，內(nèi)沖液加工間隙中蝕除產(chǎn)物濃度相比外沖液低，結(jié)合不同供液方式對流場速度的影響，可得到內(nèi)沖液加工排除蝕除產(chǎn)物的效果較外沖液加工效果好.由此可見內(nèi)沖液的加工方式是利于蝕除物的排除的，同時隨著工作液壓力的不斷提高，排除效果得到強化，能提高加工效率，減少蝕除產(chǎn)物在加工間隙的堆積而產(chǎn)生的二次放電的概率，提高加工的穩(wěn)定性.

2.1.2 沖液壓力對間隙流場的影響

研究不同沖液壓力和不同加工深度對間隙流場的影響時，采用的供液方式選擇內(nèi)沖液加工，加工深度為5 mm.沖液壓力對加工間隙流場的影響如圖5所示.其中間隙位置為距離工件表面的中軸線1.5 mm處.

圖4 不同供液方式下加工間隙蝕除產(chǎn)物濃度的分布

圖5 沖液壓力對加工間隙流場的影響

當(dāng)沖液壓力為2.3 MPa，加工間隙為0.2 mm，工作液最大流速為76.74 m·s-1，相對其他沖液壓力，加工蝕除產(chǎn)物濃度最小，即沖液壓力越大，則間隙工作液流速則越大，而加工蝕除產(chǎn)物濃度越小.圖5(a)中加工間隙中距離工件表面近的工作液流速較大，而距離電極表面近的工作液流速較小，與圖5(b)中越靠近工件表面蝕除產(chǎn)物濃度越小，越靠近電極底面加工蝕除產(chǎn)物濃度越大結(jié)論相吻合.

2.1.3 加工深度對間隙流場的影響

圖6為不同加工深度對間隙流場的影響.從圖6(a)看，靠近工件一側(cè)的流場速度高于靠近電極一側(cè)的流場速度，這有利于在工作液的沖刷之下將工件蝕除產(chǎn)物的拋出；從圖6(b)可看出靠近電極一側(cè)的蝕除產(chǎn)物濃度明顯高于靠近工件一側(cè)的.當(dāng)加工深度為1 mm時，加工間隙為0.13 mm處達(dá)到的最大工作液流速為83.94 m·s-1，故蝕除產(chǎn)物濃度相對其他加工深度最小.同時，加工深度越小，距離電極與工件表面越短，工作液流速越大，蝕除產(chǎn)物濃度越小，這表明加工深度越小，工作液排除蝕除產(chǎn)物的效果越好.

圖6 加工深度對加工間隙流場的影響

2.2 實驗結(jié)果分析

根據(jù)仿真結(jié)果計算相應(yīng)工藝參數(shù)下的加工規(guī)律；然后通過單參數(shù)實驗，得到不同沖液壓力、不同加工深度條件下電火花加工的材料去除率和電極相對損耗率，對比驗證仿真結(jié)果.

2.2.1 內(nèi)沖液與外沖液的加工對比實驗

實驗采用江蘇冬慶公司CNC450電火花機(jī)床，工作液為煤油，在厚度為14 mm的SiC/Al復(fù)合材料上打孔.加工工藝參數(shù)見表1.

表1 工藝參數(shù)

在表1 的工藝參數(shù)條件下，研究不同供液方式下加工時間與孔深的關(guān)系，得到孔深與電極相對損耗率的關(guān)系.加工深度與加工時間之間的關(guān)系如圖7所示.由圖7得到，隨著加工深度的不斷增加，加工所需時間都在逐漸增加，采用外沖液的加工時間要遠(yuǎn)高于內(nèi)沖液加工.這也驗證了模擬仿真中內(nèi)沖液的加工速度高于外沖液的結(jié)論.這是由于內(nèi)沖液加工時，間隙工作液的流速快，電蝕產(chǎn)物排除效果好，電極側(cè)面發(fā)生的二次放電直接發(fā)生在孔的內(nèi)壁上.而外沖液加工相比內(nèi)沖液的排除效果差，電蝕產(chǎn)物堆積在孔底，二次放電發(fā)生在電蝕產(chǎn)物上，使得發(fā)生在孔內(nèi)壁的頻率減小，加工效率降低.

圖7 加工深度與加工時間之間的關(guān)系圖

圖8為加工深度與電極相對損耗率之間的關(guān)系圖.

圖8 加工深度與電極相對損耗率之間的關(guān)系圖

由圖8可知，內(nèi)沖液與外沖液的電極相對損耗率均隨著加工深度的增加而增加，這是因為內(nèi)沖液的沖液壓力相比于外沖液大，內(nèi)沖液加工排屑效果比外沖液好，因此隨著加工深度的不斷增加，外沖液電蝕產(chǎn)物難以排除，在電極側(cè)面發(fā)生了二次放電，導(dǎo)致外沖液的電極相對損耗率增加.

不同沖液方式下加工表面形貌如圖9所示.從圖9可以看出，在外沖液加工的表面上有明顯的金屬凝固顆粒，表面很不光滑；而內(nèi)沖液的加工表面較光滑，沒有明顯的金屬顆粒，說明內(nèi)沖液有助于蝕除產(chǎn)物的排除，能提高加工表面質(zhì)量，同時加工深度也更大，即加工效率更高.

圖9 不同沖液方式下加工表面形貌圖

2.2.2 不同加工深度對材料去除率與電極相對損耗率的影響

設(shè)定加工深度的單因素實驗.采用內(nèi)沖液加工方式下進(jìn)行加工實驗，沖液壓力為2.3 MPa.在加工深度為1，2，3，4，5 mm的加工條件下分別進(jìn)行實驗，研究在不同加工深度下材料去除率和電極相對損耗率的情況.加工深度對材料去除率和電極相對損耗率的影響如圖10所示.

圖10 加工深度對材料去除率和電極相對損耗率的影響

由圖10所示，材料去除率隨著加工深度的增加而減小，這是因為隨著加工深度的不斷增加，電蝕產(chǎn)物難以排除，導(dǎo)致其堆積在孔的底部形成鏈，減小了加工間隙，使短路率提高，降低了加工速度.同時電極相對損耗率隨著加工深度的增加而增加，這是由于隨著加工深度的增加，導(dǎo)致電蝕產(chǎn)物難以排除，堆積的產(chǎn)物使電極發(fā)生了二次放電，產(chǎn)生的熱量較多，增加了電極的損耗.

不同加工深度下的表面形貌圖如圖11所示，隨著加工深度的不斷增加，電蝕產(chǎn)物難以排除，導(dǎo)致加工效率和表面質(zhì)量降低.

2.2.3 不同沖液壓力對材料去除率與電極相對損耗率的影響

設(shè)定沖液壓力的單因素實驗.采用內(nèi)沖液加工方式下進(jìn)行加工實驗.加工深度為5 mm.在沖液壓力為0.3，0.8，1.3，1.8，2.3 MPa的加工條件下分別進(jìn)行實驗，同時研究在不同沖液壓力下材料去除率和電極相對損耗率的情況.

沖液壓力對材料去除率和電極相對損耗率的影響，如圖12所示.材料去除率隨著沖液壓力的增加而增大，這是因為沖液壓力增加后，流場的流速也隨之提高，在混合電蝕產(chǎn)物多相流的沖擊下，提高了材料的去除率.同時電蝕產(chǎn)物在高速流場中，被迅速帶出放電間隙，減少二次放電，也能夠提高材料去除率.電極相對損耗率呈上升趨勢，這是由于電極表面在高速工作液的沖刷作用下，沖液會影響炭黑對工具電極的附著作用，削弱炭黑保護(hù)層.

圖11 不同加工深度下的表面形貌圖

圖12 沖液壓力對材料去除率和電極相對損耗率的影響

如果沖液壓力達(dá)到一定的程度時，此時工件表面放電通道的內(nèi)外壓趨于一致，再增加沖液壓力對材料去除的作用已經(jīng)不明顯，但是電極在高速工作液的沖刷作用下，電極相對損耗率不斷增加.因此選擇合適的沖液壓力在電極損耗較小的同時，提高材料去除率.

不同沖液壓力下的表面形貌圖如圖13所示.從圖13中可以看出，隨著沖液壓力的不斷增加，流場的流速也不斷提高，高速的流場將電蝕產(chǎn)物迅速排除，使得加工表面質(zhì)量和加工效率得到提高.

圖13 不同沖液壓力下的表面形貌圖

3 結(jié) 論

文中建立了SiC/Al復(fù)合材料的電火花加工間隙流場仿真模型，研究了不同供液方式、不同加工深度和不同沖液壓力分別對加工間隙流場速度及蝕除產(chǎn)物濃度的影響.得到結(jié)論為

1) 針對不同供液條件下加工深度與時間的關(guān)系，得到采用內(nèi)沖液的加工速度比外沖液快；分析不同供液方式下加工深度與電極相對損耗率的關(guān)系，得到內(nèi)沖液的電極相對損耗率比外沖液大.

2) 加工深度越大，材料去除率越小，電極相對損耗率越大；沖液壓力越大，材料去除率越大，電極相對損耗率越大.