短電弧銑削加工極間流場仿真與試驗研究?

胡國玉，周建平，毛俊豪

(新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830047)

短電弧銑削加工是依賴于電能和熱能進(jìn)行熱侵蝕加工的新工藝[1]，其基于非接觸式極間不斷產(chǎn)生持續(xù)的電弧等離子體高能束熔化或氣化工件表面材料，并在水霧混合介質(zhì)射流動力作用下完成剝離去除，屬于非接觸式放電加工的一種.與傳統(tǒng)的電火花加工技術(shù)有本質(zhì)區(qū)別[2]，短電弧銑削加工極間產(chǎn)生平均5 000℃以上的連續(xù)高溫等離子體電弧作用于工件表面且量能利用率高，從而獲得較高工件材料蝕除速度，拓寬了高效放電加工技術(shù)的應(yīng)用范圍.

短電弧銑削加工技術(shù)區(qū)別于傳統(tǒng)浸泡供液方式，其采用高壓內(nèi)充液作為工作介質(zhì)進(jìn)行放電銑削加工，從而提高極間放電加工穩(wěn)定性，減少電極損耗、短路和二次放電現(xiàn)象的產(chǎn)生.此外，短電弧銑削加工采用12 V～35 V的低電壓、4 000 A～10 000 A（一般為1 000 A～5 000 A）的大電流，為鎳基高溫合金、鈦合金等難加工合金材料提供能量保證[3,4].

由于短電弧銑削加工目前采用中孔結(jié)構(gòu)電極獲得高壓內(nèi)充液以穩(wěn)定加工中的電弧燃燒，因此，其電極內(nèi)孔直徑大小、沖液內(nèi)孔結(jié)構(gòu)等將直接影響間隙流場的分布規(guī)律，進(jìn)而產(chǎn)生不同的加工效果.本文首先使用Comsol Multiphysics多物理場仿真軟件分析電極內(nèi)孔直徑和沖液孔結(jié)構(gòu)對極間流場分布規(guī)律的影響，以便使電極結(jié)構(gòu)能達(dá)到優(yōu)化的極間沖刷效果，從而得到更好的電極結(jié)構(gòu)，保證短電弧銑削加工的高效進(jìn)行.其次，根據(jù)極間流場仿真結(jié)果，結(jié)合短電弧銑削加工試驗系統(tǒng)，完成了不同條件下的短電弧銑削加工工藝試驗.最后，在試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上，研究極間流場對材料蝕除率（MRR）和相對電極損耗（TWR）及表面質(zhì)量的影響.

1 短電弧銑削加工間隙流場仿真

1.1 間隙流場理論模型

短電弧放電加工是在氣液混合工作介質(zhì)作用下通過一定的機(jī)械運(yùn)動和放電作用產(chǎn)生可有效控制的放電群組，實現(xiàn)材料高效去除的加工工藝方法.其中，短電弧銑削技術(shù)是采用中空圓柱電極，內(nèi)孔注入氣液混合工作介質(zhì)，配合電極的高速旋轉(zhuǎn)可實現(xiàn)平面單槽直紋和連續(xù)實體曲面等零部件的加工.放電加工過程中極間間隙的冷卻和蝕除物的排除由通入電極內(nèi)孔的內(nèi)沖液工作介質(zhì)完成，為進(jìn)一步研究流場對短電弧銑削加工性能的影響，本文建立了符合實際的加工模型，如圖1所示.在加工過程中工具電極會出現(xiàn)底面和圓角損耗，形成有效圓弧加工曲面，因此有效放電區(qū)的工作介質(zhì)流場對電蝕產(chǎn)物的冷卻和排出起關(guān)鍵作用.

圖1 短電弧銑削加工模型Fig 1 Short arc milling model

短電弧銑削加工是一個雙向“拷貝”的過程，在工件蝕除的同時伴隨集膚效應(yīng)和熱侵蝕造成的電極損耗，加工實際電極損耗有端面損耗、邊角損耗等形狀，如圖2所示.

圖2 短電弧銑削加工截面流場示意圖Fig 2 Short arc milling section flow field diagram

圖2（a）、2 (b)分別為短電弧銑削方向極間強(qiáng)化工作液流動情況與進(jìn)給方向垂直面的間隙流場分布.分析圖2可得電蝕損耗主要發(fā)生在工件與電極接觸有效半圓弧區(qū)域，短電弧銑削方向工作介質(zhì)流動對電蝕產(chǎn)物排出極間有較大的影響，進(jìn)給反向流場主要起到冷卻電極和工件的作用.

1.2 流場基本參數(shù)選擇

短電弧銑削加工過程是多物理場共同綜合作用下的材料蝕除過程，其中主要包括流場、電場、溫度場、磁場等.因其他各物理場對極間流場產(chǎn)生的影響大小有差異，對短電弧銑削仿真模型中的流體作如下假設(shè)[5]：

（1）極間強(qiáng)化工作液為連續(xù)的且不可壓縮牛頓流體；

（2）對能量消耗不做考慮，且忽略溫度、電磁場等對流場的作用.

流體流動都遵循一定的流體運(yùn)動規(guī)律，是研究流體力學(xué)的基礎(chǔ).短電弧銑削加工極間的工作流體遵循流體運(yùn)動規(guī)律即質(zhì)量守恒和動量守恒定律.反應(yīng)質(zhì)量守恒定律的方程為：

用散度可表示為：

不可壓縮工作介質(zhì)的密度ρ保持不變，所以式（2）可簡寫為：

式中：ρ為密度；t為時間；U為速度矢量，u、v、w為U在x、y、z方向上的分量.

動量守恒定律可采用N-S方程表示，即在為x、y、z方向的守恒形式為[6]：

式中：P為流體單元上作用的壓強(qiáng)，Pa；fx、fy、fy分別為x、y、z方向上的單位力，m/s2；τxx、τxy、τxz為流體單元x、y、z方向的粘性應(yīng)力，Pa.

經(jīng)計算短電弧銑削加工流場雷諾數(shù)約為20 000 >2 300，極間流場模型屬于湍流模型.為準(zhǔn)確模擬極間流體的運(yùn)動狀態(tài)，同時兼顧運(yùn)算速度，本文采用精度高適用性強(qiáng)的k?ε模型對短電弧銑削流場進(jìn)行仿真分析.k?ε模型表達(dá)式為[7,8]：

式中：ρ為流體密度；k為湍流動能、ε為耗散率；σk、σε為普朗克常數(shù)，σk=1.0，σε=1.3；Cε1、Cε2為定常數(shù)，Cε1=1.44，Cε2=1.92；Pk為產(chǎn)生項；μT為湍流粘度，Cμ=0.09；u為速度矢量；μ為動力粘度.

圖3 流場仿真三維幾何模型Fig 3 Flow field simulation 3D geometric model

1.3 幾何模型

根據(jù)短電弧銑削加工原理及短電弧銑削電極圓周損耗的加工實際，建立了如圖3所示的短電弧銑削加工流場仿真三維幾何模型.模型各邊界可設(shè)定為：進(jìn)口邊界即壓力入口直徑為6 mm，長度為0.3 mm，入口壓力由沖液系統(tǒng)設(shè)定；流體壓力出口即出口邊界分別為1、2、3，設(shè)為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；電極和工件表面采用壁面函數(shù)分析計算；極間間隙為0.15 mm.

短電弧銑削加工中電極內(nèi)沖液孔直徑大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)分布將直接影響沖液流場分布，進(jìn)而影響加工過程中電蝕產(chǎn)物的排除效果.為分析短電弧銑削加工中電極內(nèi)沖液孔直徑和不同分布結(jié)構(gòu)對流場的影響，在前期試驗的基礎(chǔ)上，分別設(shè)計了單孔、環(huán)孔、單孔和環(huán)孔配合三種電極，如圖4所示.

圖4 短電弧銑削電極沖液孔結(jié)構(gòu)方案Fig 4 Short arc milling electrode punching hole structure scheme

1.4 電極直徑對極間流場影響

研究短電弧銑削加工沖液孔直徑對極間流場分布的影響時，入口壓力統(tǒng)一設(shè)置為1.5 MPa，且銑削深度、電極轉(zhuǎn)速相同，以便對比分析.在前期試驗的基礎(chǔ)上，沖液孔直徑分別設(shè)置為4 mm、6 mm、8 mm、10 mm.取時刻t=1 s，得到不同沖液孔直徑電極的流體速度云圖，如圖5所示.分析可知最大流速受直徑影響較小，但整體流體速度對蝕除顆粒影響差異較大.當(dāng)d=4 mm時，工作介質(zhì)出口的最大流速為51.3 m/s，且各出口的流速明顯較低，流場分布不均勻沖刷效果差，因此蝕除物易集聚在出口處造成二次放電，進(jìn)而降低材料去除率MRR.電極沖液孔直徑取10 mm時流體最大流速為54.1 m/s，且極間工作液整體流速較高，對電蝕產(chǎn)物沖刷效果較沖液孔直徑為4 mm的電極沖刷效果好.沖液孔直徑為6 mm、8mm電極的極間流場云圖差異不大，但直徑為6 mm電極的流速變化梯度要大于8 mm直徑電極，能更好地穩(wěn)定電弧燃燒并促進(jìn)極間蝕除物更快地排出間隙，改善極間放電加工環(huán)境和加工穩(wěn)定性，提高材料去除率MRR的同時降低電極相對損耗TWR.

圖5 電極直徑對短電弧銑削加工極間流場速度影響Fig 5 Effect of electrode diameter on inter-electrode flow field velocity

1.5 不同形狀電極沖液效果對比

基于沖液孔直徑的仿真結(jié)果，仿真研究中心孔與環(huán)孔配合電極對極間流場分布影響，結(jié)果為圖6.配合電極的仿真條件與單孔電極設(shè)置相同，盡管最高流速61.6 m/s較單孔電極降低，但有效放電區(qū)域的工作介質(zhì)流速較中心孔電極增大，能更好地減少電蝕產(chǎn)物吸附到工件表面的概率，將工件產(chǎn)物排除放電區(qū)域.在短電弧銑削加工初期，中空和環(huán)孔配合電極能有效解決放電加工區(qū)域內(nèi)電蝕產(chǎn)物吸附到工件表面的情況，將蝕除顆粒排除間隙，起到良好的沖刷效果，進(jìn)而保證短電弧銑削加工穩(wěn)定高效低損耗的進(jìn)行.

圖6 中心孔與環(huán)孔配合結(jié)構(gòu)電極流場流速分布Fig 6 Velocity distribution of flow field in the center hole and the ring hole

為提高電蝕產(chǎn)物的沖刷速度，保證加工穩(wěn)定性，仿真研究環(huán)孔電極對極間流體流場分布的影響.當(dāng)工作介質(zhì)入口壓力、工件銑削深度和電極轉(zhuǎn)速恒定時，環(huán)孔電極流場速度云圖如圖7所示.分析可得，環(huán)孔電極明顯提高了流經(jīng)有效放電區(qū)域的工作液流速，提高蝕除物流動速度，但中心區(qū)域內(nèi)的流體流動速度較低，使得蝕除物易在此處堆積.與中孔電極流場速度云圖對比分析可知，有效加工區(qū)域的流體流速增大.電極的高速轉(zhuǎn)動將使有效放電圓弧面的流速進(jìn)一步增大，故極間沖液效果好于中心孔電極.但中間放電區(qū)域流速較環(huán)孔和中空配合電極小，沖液無法很好地穩(wěn)定電弧燃燒和排除蝕除顆粒，因此蝕除顆粒排除效果差.

圖7 環(huán)孔結(jié)構(gòu)電極流場流速分布Fig 7 Velocity distribution of flow field in ring-hole structure electrode

2 試驗設(shè)備及試驗條件

為進(jìn)一步驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，更直觀地分析各因素對短電弧銑削加工效果的影響規(guī)律，本文開展單因素對比試驗研究電極內(nèi)孔直徑和電極內(nèi)部沖液孔分布形狀對加工性能的影響.本文開展短電弧銑削加工實驗所依托的實驗裝置為數(shù)控短電弧銑削加工系統(tǒng)，如圖8所示.主要包括短電弧銑削加工機(jī)床和數(shù)控低壓高頻脈沖電源.短電弧脈沖電源具有良好的人機(jī)交互界面，對極間電壓和電流實時采集和顯示.它滿足了短電弧銑削加工過程中極間穩(wěn)定產(chǎn)生高能量等離子體熱源的需求，為短電弧加工技術(shù)實現(xiàn)難加工材料的高效去除提供能量保證.

圖8 數(shù)控短電弧銑削加工系統(tǒng)Fig 8 CNC short arc milling machining system

本文采用鎳基高溫合金GH4169作為工件材料，接電源正極；石墨作為工具電極材料，接電源負(fù)極.熱學(xué)物理常數(shù)因材料不同而變化，試驗所采用石墨和GH4169的熱學(xué)物理常數(shù)見表1，其他工藝參數(shù)如表2所示.

表1 熱學(xué)物理參數(shù)Tab 1 Thermal physical parameters

表2 短電弧銑削工藝參數(shù)Tab 2 Short arc milling process parameters

3 試驗結(jié)果分析

3.1 電極直徑對MRR與TWR的影響

本次試驗條件為放電電壓25 V，脈沖頻率1 KHz，占空比為60%，電極直徑分別取4 mm、6 mm、8 mm、10 mm，開展電極直徑對短電弧銑削加工效率與相對電極損耗影響規(guī)律試驗，試驗結(jié)果如圖9和圖10所示.

由圖9可知，在試驗參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，隨著中孔電極直徑增大，工件材料蝕除效率先增大后有所降低，中孔電極直徑取6 mm時，極間沖液效果好，電蝕產(chǎn)物排除及時且加工穩(wěn)定，相應(yīng)工件蝕除效率高，與仿真分析結(jié)果一致.當(dāng)中孔電極直徑過小時，極間流速小無法有效地穩(wěn)定電弧燃燒，對加工極間工件表面起到的沖刷和冷卻效果不好，進(jìn)而降低加工效率.當(dāng)中孔電極直徑較大時，有效放電面積小，電弧密度過于集中，放電點轉(zhuǎn)移速度過慢導(dǎo)致蝕除物來不及排除引起加工效率降低.

由圖10相對電極損耗變化曲線可知，隨著中孔電極直徑增大，相對電極損耗呈逐步上升的趨勢.在短電弧銑削加工中，其他工藝參數(shù)不變，中孔電極直徑較小時，放電面積較大，電流密度較小.在工藝參數(shù)設(shè)定范圍內(nèi)，能量密度較小將保證放電加工的穩(wěn)定進(jìn)行，從而降低相抵電極損耗.隨著電極直徑增大，有效放電面積減小導(dǎo)致放電狀態(tài)惡化，并且加工過程中電極表面熱量向電極周邊工作液傳遞效果差，增大了自身熱融化量，進(jìn)而TWR增加.

圖9 電極直徑對加工效率影響規(guī)律變化曲線Fig 9 The change curve of effect of electrode diameter on processing efficiency

圖10 電極直徑對相對電極損耗影響規(guī)律變化曲線Fig 10 The change curve of effect of electrode diameter on the relative electrode loss

3.2 電極形狀對MRR及表面質(zhì)量的影響

開展不同形狀電極的短電弧銑削加工試驗，驗證電極形狀對加工效果的影響規(guī)律.試驗數(shù)據(jù)為電壓25 V，脈沖頻率1 KHz，占空比為60%，電極轉(zhuǎn)速500 r/d，入口壓力均為1.5 MPa，工件加工表面形貌如圖11所示.

圖11 電極形狀對工件表面質(zhì)量的影響Fig 11 Effect of electrode shape on workpiece surface quality

圖12 電極形狀對MRR的影響Fig 12 Effect of electrode shape on MRR

由圖12可知，中心孔和環(huán)孔配合電極的蝕除速度最大，中心孔電極蝕除速度最小.由試驗結(jié)果可知，中心孔和環(huán)孔配合電極在銑削加工初始階段使極間工作液有效沖刷，解決了工件電極表面燒蝕的問題且沖液效果和工件加工表面質(zhì)量最好，加工效率最高.

圖13 電極形狀對熱影響層厚度的影響Fig 13 Effect of electrode shape on thickness of heat affected layer

試驗分析了工件熱影響層厚度，研究不同電極形狀對短電弧銑削加工GH4169工件表面完整性的影響，結(jié)果如圖13所示.由分析結(jié)果可知，電極形狀不同，加工熱量對工件基體影響程度不同，熱影響層厚度隨之變化.根據(jù)圖13對比結(jié)果可知，當(dāng)電極形狀為中孔和環(huán)孔配合電極時，極間工作介質(zhì)對放電通道壓縮作用力小，電磁場對其壓縮力大.電磁場較小的作用力使得放電通道快速擴(kuò)展，工件表面產(chǎn)生電流密度低，因而蝕除工件材料的熱量分散降低，所以熱影響層薄.同時，中孔和環(huán)孔電極產(chǎn)生工作介質(zhì)流速大，減少熔融蝕除物的黏附，帶走更多的熱量，保證了工件良好的表面質(zhì)量及機(jī)械性能.

4 結(jié)論

為改善極間沖刷效果，提高蝕除顆粒排除效率和表面質(zhì)量，對短電弧銑削加工極間流場進(jìn)行了仿真和試驗分析.分析研究中孔電極直徑、不同電極形狀對短電弧銑削極間流場影響規(guī)律，并開展短電弧銑削加工試驗，驗證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，以達(dá)到增強(qiáng)間隙沖刷效果的目的.

（1）在短電弧銑削加工過程中，極間工作液出口處流速較低，不利于蝕除物的排出.隨著中孔電極直徑的增加，極間間隙工作介質(zhì)的流速將提高，且直徑為6 mm時取得最大流速及速度梯度，使電弧放電和工件材料蝕除穩(wěn)定，加工效率高，表面質(zhì)量好.

（2）環(huán)孔電極、中心孔和環(huán)孔配合電極增加了電極圓周孔數(shù)，有效提高極間間隙工作介質(zhì)流速和流動量，強(qiáng)化了工作介質(zhì)流動效果，進(jìn)而避免電弧放電集中.試驗表明：中心孔和環(huán)孔配合電極彌補(bǔ)了中孔電極側(cè)面入刀無有效沖液注入極間間隙的不足，保證短電弧銑削加工過程中高壓工作液實時沖刷極間蝕除顆粒，提高了加工速度和工件表面質(zhì)量.