不同工作液的电火花小孔间隙流场仿真及实验验证

赵鹏飞

（太原理工大学 机械学院，山西 太原 030024）

1 引言

电火花加工技术是利用工具电极和工件间产生的瞬间脉冲放电，依靠脉冲放电产生的高温对工件材料进行电蚀除加工，将工具电极形状复制到工件上。电火花小孔加工是电火花加工的重要主城部分，其机床数约占电火花机床总数的32%，目前在冲模、挤压模、粉末冶金模、各种异性孔及微孔等领域有广泛应用[1]。

现有电火花小孔加工存在工件材料去除率低，相对电极损耗大等问题，多数研究人员尝试从电火花小孔机床系统、工具电极、工作液等方面着手研究。国内外基于现有工作液进行改进进行研究，具有代表性的有：文献[2]尝试了在水中添加油和表面活性剂，电火花加工会在工件表面上产生大量微坑和重铸层，而改进后的加工使电火花加工和抛光同时进行，实验表明该方法可使被加工工件表面质量大幅度提高，在加工氧化铝时表面粗糙度可达到（0.08～0.06）μm；文献[3]研究发现在电火花加工工作液中添加铝粉、石墨粉等因为改变了工作液电导率，降低了单个脉冲放电的能量，从而改善了加工工件的表面质量；文献[4]研究表明电火花加工镍合金时，在工作液煤油中添加铝粉，比未添加粉末能获得更好的加工速度，且加工零件的表面质量也得以改善。使用分散剂HEDP作为电火花小孔加工工作液，从减小加工碎屑角度进行分析，使用FULENT对不同工作液的间隙流场进行仿真，并通过实验仿真结果进行了验证。

2 HEDP对加工碎屑作用分析

HEDP（羟基亚乙基二膦酸）是一种有机磷酸类分散剂，其能与铁、铜、等多种金属离子形成稳定的络合物，能溶解金属表面的氧化物，具有较好的阻垢效果，是工业上使用较广泛的一种有分散剂，结构式，如图1所示。参数，如表1所示。使用分散剂HEDP作为电火花小孔加工工作液，其对加工碎屑的作用可分为以下几点：

（1）在加工液中的微粒形成晶体的早期阶段，HEDP会吸附在晶体表面，填充到原有晶格的空隙中或者替代晶格中原有成分的原子位置，使得晶体发生点缺陷，晶体无法正常生长，晶粒变得更细小，阻止团聚；

（2）HEDP可在水溶液中电离出阴离子，其可与工作液中的金属离子形成溶于水的络合物，提高碎屑在工作液中的溶解度，使得加工间隙间工作液中的微粒减少；

（3）分散剂HEDP在水溶中可电离出阴离子，这些离子吸附在微粒表面上，使得这些微粒携带同性电荷，在同性排斥作用下这些微粒不能相互靠近，这使得工作液中的碎屑半径大幅度减小。

图1 HEDP结构图Fig.1 HEDP Structure Diagram

表1 HEDP参数Tab.1 HEDP Parameters

3 基于FULENT的间隙流场仿真

电火花小孔加工时间隙流场非常复杂，为方便建模，对其作出如下假设：加工时会产生瞬时高温，然而高温时间较短且工作液不断流动，故假设工作液粘度不变；加工过程中汽液相对加工影响较小，故仿真忽略气液相影响，采用固液相模型；为了方便计算，将三维对称的加工间隙流场几何体简化为二维几何图来分析。

不同电参数和电极情况下，使用直径为1.5mm的黄铜管状电极，根据经验假设加工时电极与工件侧面间隙为0.04mm，加工面间隙为0.02mm。工作液的雷诺数大于临界雷诺数4000，故其为紊流，在仿真中选用标准K-ε模型。

假设这些颗粒为球形，根据经验可知其直径多为4μm。在电火花小孔加工时加工碎屑和碳粒受到工作液冲力、爆炸力、重力等多种力的作用，运动状态较为复杂，设定其加入速度为5m/s。

经过迭代求解可得，当电火花小孔加工以水为工作液时，间隙流体的静态压强云，如图2所示。流速云图，如图3所示。由间隙流体的静态压强图和速度云图可见，在电火花小孔加工时，工件与电极放电端面处的工作液压力最大，且压力由电极中心向外递减。然而并不是工作液压力大的位置工作液速度一定大，比如在电极的中心出口位置，此处工作液压力达到最大，由于电极出口工作液体直接喷到工件表面造成了工作液缓冲，能量损失，因此此处的工作液速度并不大。工作液从电极中心向外二次延伸时速度逐渐增大，在与工件侧壁碰撞后能量损失，工作液速度减小。通过颗粒轨迹图，可以观测间隙流场中固体颗粒的在不同位置的停留时长，颗粒不同位置停留时长图，如图4所示。颗粒停留时间与路径的关系，如图5所示。

图2 静态压强云图Fig.2 Static Pressure Cloud

图3 速度云图Fig.3 Velocity Image

图4 颗粒停留时长图Fig.4 Particle Length Diagram

图5 工作液水时颗粒停留时长与路径的关系图Fig.5 The Relationship Between the Length of the Particles and the Path of the Working Fluid

电火花小孔加工产生的加工碎屑在工作液作用下排出，运动规律与间隙工作液的运动相似。加工碎屑在工作液的作用下通过加工间隙排出，在间隙底端，加工碎屑的动能较大停留时间较短，随着加工碎屑不断与电极和工件碰撞越靠近工作液出口其速度越小；此外加工碎屑的排出是一个向上的运动，其动能要转换为重力势能，也会损失一部分能量，使得碎屑排出速度减小。使用一定浓度的分散剂HEDP作为电火花小孔加工工作液时，加工间隙中的加工碎屑不易团聚，直径有所减小。其随着工作液排出时，能量损耗较小，碎屑颗粒在电极与工件间的停留时间减小，这都有利于加工碎屑的排出。

分析分散剂HEDP在电火花小孔加工中的作用机理，可知在分散剂PAAS作用下，工作液中的碎屑颗粒直径会变小，且不易团聚。以分散剂HEDP作为电火花小孔加工工作液，其浓度很小，因此新的工作液与水相比粘度影响忽落不计，其他情况不变，工作液中碎屑直径减小为之前的50%，此时加工间隙中颗粒停留时长与路径之间的关系，如图6所示。

图6 使用HEDP工作液颗粒停留时间与路径的关系图Fig.6 The Relationship Between the Retention Time and the Path of the Working Fluid Particles Using HEDP

对比图5和图6可见，使用一定浓度的分散剂HEDP作为电火花小孔加工工作液与原有水工作液相比，加工间隙中颗粒在不同位置处的停留时长变短。这是因为颗粒直径的减小，使得工作液对其的冲击和粘带作用容易使得颗粒获得较大运动速度。

4 实验验证

在高速电火花小孔机床D703F上，用1.5mm的黄铜管状电极对5mm不锈钢版进行电火花小孔加工实验，冲液压力为2MPa，电极转速为120r/min，加工电流脉冲宽度选用35μs，电流强度选用9A；分别以不同浓度的HEDP溶液作为电火花小孔加工工作液。加工速度和相对电极损耗随HEDP浓度的变化，如表2所示。

表2 材料去除率和相对电极损耗随HEDP浓度变化的实验数据Tab.2 The Experimental Data of Changes in the Material Removal Rate and Relative Electrode Wear with the Working Fluid Concentration

有实验数据可见，当使用水作为电火花小孔加工工作液时，加工速度为1.42 mm/min，随着工作液HEDP浓度的增加材料蚀除速度逐渐增大；当工作液HEDP浓度为4‰时，加工速速最大为2.29 mm/min，相对于原有水工作液提高了61.27%。电极相对损的数据与加工速度速度曲线呈对应关系，工作液HEDP浓度为（0-4）‰区间时，工况逐渐变好，所以相对电极损耗逐渐下降；当工作液HEDP浓度为4‰时，电极损耗最小为12.20%，与原有水工作液相比减小了48.26%。这是因为在HEDP浓度为（0～4）‰间，HEDP对加工碎屑发挥良好的分散作用，有利于加工碎屑的排出，加工较为稳定。而HEDP浓度大于4‰后，其不能发挥良好的分散作用，反而会对工作碎屑进行絮凝，阻碍了正常的加工。

5 结论

（1）通过对仿真结果的分析，从而研究了间隙流场运动和间隙工作液中加工碎屑颗粒运动。在使用一定浓度的分散剂HEDP作为电火花小孔加工工作液，加工碎屑在间隙停留时长变短，分布更加均匀。

（2）通过加工实验验证了使用分散剂HEDP有利于电火花小孔加工，可使加工速度有效提高，电极相对损耗有效降低。

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