微细电火花加工间隙流场及其数值模拟研究

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1、微细电火花加工间隙流场及其数值模拟研究第1章绪论1.1课题研究背景及意义制造业是一个国家生产力发展水平的体现，是区分发展中国家和发达国家的重要指标，是实体经济的重要组成部分；制造技术是制造业发展的主体技术，是制造业发展的必要前提，决定了制造业的发展方向和发展趋势。从20世纪90年代以来，世界各国对制造业的重视程度逐年提高，并把其作为国家关键技术优先进行发展。随着工业4.0的提出，加工制造业越来越向着智能化、集成化、微细化、精确化的方向发展，同时工业竞争也成为国与国之间竞争的主要着力点。随着制造产品日益小型化和精密化，对加工技术的要求也更加苛刻，

2、在寻求固有制造技术加工极限的过程中，微细加工技术的产生和发展是加工技术自身发展的必然。其中，微细电火花加工作为微细加工的重要组成部分也受到了日益广泛的重视。由于电火花加工是将电能转化为热能，进而去除材料的一种加工方法，加工电极无切削应力作用于工件表面，宏观加工力小，在加工微小工件上有绝对的优势，另外电火花加工可以得到传统切削加工所无法达到的复杂的型腔或轮廓，对于传统加工方法难以加工的材料，如梯度材料、钛合金、工具钢、碳钢和硬质合金等，放电加工时仍可保有良好的公差精度。基于这些优势，电火花在工业生产中有着广泛的应用。电火花加工是在导电的工具电极和

3、工件之间施加上周期性快速变化的电压脉冲，当电压持续时间内两极间施加的电压足够高时，加工间隙中便发生电离进而击穿放电，通过放电产生的高温使电极与工件表面局部金属熔化、气化，从而腐蚀金属达到加工的目的。由于电加工本身的瞬时性、复杂性、随机性，致使对电火花加工原理的探究自其发现之日起就没有停止过，但仍然没有一套理论能完整的解释其放电加工过程。在粗加工领域，目前的理论已足够达到其精度及要求，但在微细加工领域，对加参数的把握，对加工条件的要求，对加工过程的控制等等微小的变化都时刻影响加工质量，这些都使对微细电火花放电机理的深入研究显得尤其重要。.....

4、...1.2国内外研究现状电火花放电因其瞬时性、随机性、复杂性，一直吸引着大家深入探究其加工原理，目前主流认可的电火花放电过程主要包括四个部分：介质击穿、熔化蚀除、抛出废物、消电离。如图1-1所示，初始状态下，在加工电极与加工导电体两端加上脉冲电压，当两极间施加的电压足够高时，致使有场致电子从负极发射进入加工间隙中，在极间电压作用下，电子获得足够的速度，开始碰撞电离，在间隙中形成负电子与正离子混合的等离子体，当空间中等离子体达到稳定密度后，放电间隙中形成稳定的放电电流，此时，有大量的热电子流入正电极，也有大量离子撞击向负极，对两极及极间加热，当

5、达到一定温度足够时间后使两极金属熔化或气化，金属材料的热膨胀产生很高的瞬时压力，在通道中形成气泡向两侧碰撞，只是金属碎屑脱离金属表面进入放电间隙，最后在脉冲电压为低电压时，使间隙中的金属碎屑排出，以防其留在通道内产生电弧，影响火花放电质量，为下次放电做准备。对于电火花放电的计算机模拟仿真，主要从宏观及微观两个方面入手。微观上，主要从电磁特性方面考虑，对放电通道内各种粒子进行追踪计算，从而得到放电通道中的一些特性及对两电极的影响；宏观上，主要从放电通道的温度分布、压力分布等方面进行建模计算，从而直接得到电极与电极，电极与通道间的作用关系。....

6、.......第2章放电间隙模拟方法电火花的微细加工主要是指加工小于0.3mm的轴孔、沟槽，电极间放电距离较小，加上火花放电的放电通道的不连续性，存在于放电间隙中的等离子体的不均匀性，导致整个放电并不稳定，且微细加工的放电维持时间一般为10-8s~10-6s，这些都使其难于直接观测其加工过程。目前应用于电火花放电仿真的方法很多，但大多从宏观角度进行仿真建模，不能从根本上仿真得到放电通道形成过程。电火花放电的本质是在两极加上电压后，因极间距离的减小形成高强电场，当电场强度高于106V/cm时，阴极上有场致电子发射，随着发射到间隙中电子被电场加速与

7、空间内介质产生碰撞，导致空间内形成带正电的离子、负电的电子与电中性原子的混合体，随着极间电场对其中带电粒子的加热，在空间内形成高温高压区域，区域内的等离子体与正负两极相进行热交换、碰撞等作用使两极上的物质抛入介质空间中，从而达到对工件进行蚀除的目的。本文采用粒子模拟的方法（PIC,ParticleinCells）对放电间隙中的带电粒子进行追踪计算，结合空间电磁条件，分析计算粒子的运动特性，得到通道从形成到稳定的变化过程，本章对模拟所用到的主要理论算法进行了介绍。2.1电磁粒子模拟基本理论国内外对于等离子体的数值模拟都有较深入的研究，在材料科学与

8、物理学中应用较多[28-30]，其中Hockney与Eastethod）是一种随机抽样的概率方法，上世纪四十年代由冯诺伊曼提出，提出伊始是为了适应曼哈