微细电火花加工数值模拟[毕业论文+开题报告+文献翻译]

数控专业毕业论文:微细电火花加工数值模拟含毕业论文、任务书、开题报告、英文文献翻译

微细电火花加工数值模拟[毕业论文+开题报告+文献翻译]

摘 要:

微细电火花加工是一种微细特种加工工艺方法，在微机械以及微细结构加工领域具有举足轻重的地位。由于RC微能电源简单可靠，在微细电火花加工中得到了大量的应用。为了深入对微细电火花加工机理的认识，进一步提高微细电火花加工能力和效率，本文进行了相关的数值模拟和试验研究，在理论研究上和工程应用上取得了一些结论。
本文主要研究内容如下：
1．针对RC微能电源，建立了极间电场物理模型，采用数值模拟方法，探讨了电极形状、加工间隙等对电场分布的影响，掌握了相关的电场分布规律。
2．根据传热学理论，建立了微细电火花加工工件表面的热物理模型，采用数值模拟方法，考虑热物性参数、对流换热、相变潜热等随温度变化的影响因素，掌握了工件表面温度场分布，得出了微细电火花加工极间温度场的分布规律。
3．在上述研究基础上，采用微细电解方法在线制作柱状钨电极，合理选择工艺参数，进行了微细电火花加工试验，并分析了电参数对加工尺度和效率的影响，获得了三组应用于不同加工场合下优化的电参数。

关键词：微细电火花加工，加工能力，效率，数值模拟，电场，温度场，电参数

ABSTRACT:

Micro EDM(electric discharge machining) is a kind of special machining technique for micro machining .It has the pivotal status in the domain of micro machine as well as the micro structure processing . To raise the processing scale and the efficiency, this article has carried on the related numerical simulation and experimental study, and has made some progress in the fundamental research as well as the engineering application.
Main content of this article is as follows:
1. Using the numerical simulation method, electric field distribution influenced by the electrode geometry and the machining polarly has been discussed. Also, the related electric field distributed rule of the micro EDM has been got.
2. According to heat transfer theory, the thermal physical model of work piece’s surface in micro EDM has been established, using the numerical simulation method, considering some factors influenced along with the changing of temperature such as the thermal natural parameter, the heat convection, the latent heat and so on, the temperature field distribution of the work piece’s surface has been grasped, and distributed rule of the interelectrode temperature field in micro EDM has been obtained.
3. Basing the research foundation above, using the micro electric chemical machining to manufacture columnar tungsten electrode on-site, choosing the reasonable technological parameter, micro EDM experiments have been carried on. Also, the influence to the working accuracy and the efficiency caused by electrical parameter has been analyzed. What’s more, three groups optimized electrical parameter have been obtained to apply in the different manufacturing places.
Key words: Micro EDM, Processing capacity, Efficiency, Numerical simulation, Electric field, Temperature field, Electrical parameter

目 录

第一章 绪论 1
1.1 引言 1
1.2 数值模拟在电火花蚀除机理研究中的现状 2
1.3 微细电火花加工的现状和发展 5
1.3.1 微细电火花微能电源的介绍 5
1.3.2 微细电火花加工的研究现状和发展 6
1.4 课题背景意义 9
1.5 本文主要内容及章节安排 10
第二章 微细电火花加工数值模拟 12
2.1 基于微能电源电火花加工极间电场分析 12
2.1.1 概述及物理模型 12
2.1.2 电火花电场数学模型 13
2.1.3 电火花电场的求解 14
2.1.4 ANSYS电场的仿真 16
2.1.5 影响电场分布因素的探究 20
2.2 放电状态下的极间的物理过程 22
2.2.1 温度场模型的建立 22
2.2.2 温度场模型的求解 24
2.2.3 温度场的仿真 27
2.3 本章小结 32
第三章 微细电火花加工试验研究 33
3.1 试验设备—微细电火花机床介绍 33
3.2 试验电极的制作 34
3.3 常用材料性质 35
3.4 极性及电参数对微细电火花加工的影响 36
3.4.1极性对微细电火花加工的影响 36
3.4.2 电容对微细电火花加工的影响 39
3.4.3 空载电压对微细电火花加工的影响 40
3.4.4 脉宽对微细电火花加工的影响 42
3.4.5 脉间对微细电火花加工的影响 45
3.4.6 试验结果及讨论 47
3.5 本章小结 50
第四章 总结和展望 46
4.1 全文总结 46
4.2 研究展望 47
参考文献 48
致谢 51

第一章 绪论

1.1 引言

随着微型机械、精密机械、微机电系统、生物医学以及医学工程等技术的发展对微细加工技术提出了更高的要求，强有力地推动了微细加工技术的发展。微细加工技术己逐步成为当今生产制造技术中的一个重要分支[1]。微细电火花加工技术作为一种经济适用的微细加工技术，正受到世界各国学者的普遍关注，特别是在通用电火花机床上实现微细电加工有着较为现实的实用意义。

电火花加工的方法，是利用工具电极与工件间的火花放电对工件进行逐层蚀除来实现零件的加工[2]。相对于其它微细加工技术而言，微细电火花加工设备简单、可实施性强。电火花加工的加工力小，对机床的刚性要求不高，适合进行高精度加工，所以在学术界和工业应用领域对微细电火花加工的研究日益活跃[3]。

由于电火花加工是一种极为复杂的随机过程，多种因素综合影响、制约着整个放电加工过程的进行。因此近几年来，电火花放电机理研究没有取得突破性进展[4]。脉冲参数、冲液方式以及碎屑的排出等因素，使整个电火花放电过程在正常放电、拉弧、短路和空载4种基本状态的变化中进行转换。就单个脉冲而言，也存在上述状态之间的转化。因此在进行电火花加工研究时，监测、识别放电状态，辨别各种放电对加工结果的影响，以便对放电参数进行相应调整，避免有害放电，保证电火花放电加工顺利进行。随着电火花加工技术的不断发展，尤其是工艺理论及控制理论的不断发展，电火花加工基础理论的发展相对落后。这使得整个电火花加工技术的发展受到限制。这种状况主要是由放电加工过程的复杂性和随机性决定的。放电加工是一个涉及传热学、冶金学、流体力学、物理化学及电磁学等多学科的复杂的加工过程，如图1.1所示。

图1.1融合多学科的放电加工技术

许多学者己对放电加工的基本原理进行了研究，人们对放电加工机理的认识也在不断深入，但由于放电过程过于复杂，并且具有一定的随机性，至今还没有一套完整的理论可以解释极间放电过程[5]，极大地限制了电火花加工的进一步发展。对极间状态的探索是电火花机理的研究重点，越来越多的研究者通过有限元法对极间状态方程进行数值求解，并得出一些结论。

同时，微细电火花加工技术在机械、仪器、电子、生物医学和航空等领域的应用越来越广泛，特别是在机械领域，这项技术在微细轴、微细孔加工以及微三维结构制作(不只限于微小零件)及精密模具制造方面所显示出的潜力无疑是十分巨大的。对于微细电火花加工而言，我们不仅要降低其宏观尺寸，更重要的是控制加工精度。精度是其生命线，如何控制精度，正逐渐成为研究重点。

1.2 数值模拟在电火花蚀除机理研究中的现状

由于电火花极间物理状态复杂，所以描述极间状态的数学方程也非常复杂，求得方程的解析解将十分困难。随着计算机仿真技术在工程中的应用越来越广泛，更多的研究人员、工程技术人员利用仿真技术辅助研究，以指导、优化工程应用。仿真技术是在计算机上建立仿真模型，模拟实际系统的物理量及其随时间变化过程。通过对仿真试验过程的观察和估计，得到被仿真系统的仿真输出参数和基本特性，由此来估计和推断实际系统的真实参数和实际性能，以便适当选择、优化工艺参数。通过计算机仿真技术对电火花加工过程中的电场进行模拟，以便更好的认识放电机理及其过程。目前研究主要集中在对工件的温度场的研究，另外，也有一些学者开始对极间的流场进行研究。

有限元法就是把无法用理论方法精确求解的复杂问题，通过一定的方法转换为可计算的有限单元结构体系，并依靠计算机对原问题进行近似求解的一种工程计算方法。通过对单元划分进行控制，可以在要求的精度范围内逼近原问题的真解。自上世纪80年代以来，国内外很多研究机构和学者都对有限元法在电火花加工中的应用进行了大量的研究，在温度场、应力场、放电通道形状、材料相变、电蚀坑形状等方面的研究取得了显著进展。

Yadava Vinod等[6]用基于数学模型的有限元法来模拟电火花磨削加工中的温度分布。由于磨削加工和电火花加工的热源不同，磨削热源采用移动矩形热源模型来确定，电火花加工热源用高斯分布热源模型来模拟，采用两者叠加的原理，应用有限元计算，得到电火花磨削加工中工件的温度分布。计算结果显示在火花放电点温度急剧上升，预测结果可以用来计算热应力。

广东工业大学郭钟宁等[7]利用有限元法模拟了放电加工的电热过程，模型抽象为均匀圆柱体热源和定半径表面热源的有限开放系统模型，并对放电后电极与工件的温度场进行了分析。基本上反映了单脉冲电火花加工的实际温度场分布情况。

山东大学的张建华[8]等人对单脉冲放电加工温度场进行了研究，理论推导了单脉冲放电温度的计算公式。实验研究了单个脉冲火花放电蚀除工件材料的凹坑。研究结果表明，凹坑的大小随着放电电压、放电电流和脉冲宽度的增大而增大。对单脉冲放电加工温度场进行了模拟，分析了放电凹坑形状的影响因素，为实际加工中加工参数的优化提供了理论依据。