CN111079328A - 一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，该方法包括：根据工况建立有限元仿真计算的几何模型；根据得到的几何模型通过COMSOL仿真软件选择物理场及求解方式；利用模型开发器创建几何模型；在模型开发器中设置材料属性；在模型开发器中设置边界条件；在流体流动颗粒跟踪接口添加粒子；在模型开发器中划分网格；在模型开发器中完成求解器设置和求解；求解结果后处理。本发明可以为分析电蚀产物的运动及分布规律提供解决方案，为之后研究电蚀产物对加工的影响提供依据。

Description

一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法

技术领域

本发明涉及材料加工技术领域，尤其涉及一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法。

背景技术

慢走丝电火花线切割是一种用于加工难加工材料的方法，属于非接触式加工，无宏观切削力且加工残余应力小，同时具有加工精度高、加工质量好等优点，随着航天航空及生物医药等领域对慢走丝电火花线切割加工要求不断提高，对影响加工的各种因素的研究更加细致。在加工大厚度工件时，间隙流场有窄而细的特点，放电过程中易造成电蚀产物在某处聚集且不能及时冷却的问题，易造成放点集中、电弧放电、短路等非正常现象，导致加工效率低，严重的会引起断丝及表面烧伤。

电火花线切割加工是利用电极丝与工件两极间的脉冲放电时的电蚀现象对工件进行加工的，每次脉冲放点过程包括分为四个阶段，包括介质击穿和通道的行程、能量的转换和传递、电蚀产物的抛出和极间介质的消电离。在电极丝材料和工件材料由于放电爆炸力从基体蚀除抛出之后形成电蚀产物，其在极间分布状态及排除过程对加工的精度和稳定性有较大影响，若电蚀产物不能及时排除或在局部区域有集中现象会引起非正常放电现象。当加工的工件厚度超过20mm时，断丝、短路及表面烧伤的现象明显加重。

由于电火花加工脉冲放电时间短，且加工过程中电蚀产物的状态对于加工质量有明显影响，因此有必要对电蚀产物在极间流场中的分布状态及排除过程分析，极间电蚀产物的具体状态很难通过试验进行分析，故只能用有限元仿真的方式进行分析。加工过程中的电蚀产物是由多次单脉冲放电的作用形成的，以往的研究人员对电蚀产物仿真的初始状态为电蚀产物在极间均匀分布，没有很好地考虑多次脉冲放电之间的时间间隔对仿真结果准确性的影响；同时电蚀产物从基体抛出是放点爆炸力的结果，以往的研究人员没有很好地考虑放电爆炸力及其对电蚀产物初始速度的影响。因此对于蚀除产物的运动规律仿真并没有很准确的模型。

针对现有的不足，本专利提出一种仿真精度更高、更准确慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真分析方法。

发明内容

本发明旨在针对现有技术的不足，提供一种仿真精度更高、更准确的慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，该方法包括：

步骤1，根据工况建立有限元仿真计算的几何模型；

步骤2，根据得到的几何模型通过COMSOL仿真软件选择物理场及求解方式；

步骤3，利用模型开发器创建几何模型；

步骤4，在模型开发器中设置材料属性；

步骤5，在模型开发器中设置边界条件；

步骤6，在流体流动颗粒跟踪接口添加粒子；

步骤7，在模型开发器中划分网格；

步骤8，在模型开发器中完成求解器设置和求解；

步骤9，求解结果后处理。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤1中，有限元模型为30mm*0.05mm的长方形。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，在COMSOL仿真软件中，在“选择物理场”中选择“流体流动>单相流>湍流”，单击“添加”；

步骤2.2，选择“流体流动>粒子追踪>流体流动颗粒跟踪(fpt)”，求解方式为瞬态，选择“所选物理场接口的预设研究>瞬态”，单击“完成”。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤3的具体步骤为：

步骤3.1，在模型开发器中，右击“几何”，单击“矩形”；

步骤3.2，在“形状和大小”选项中设置矩形的宽度和高度分别为0.05mm、30mm，从而构建长宽为30mm*0.05mm的长方形。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤4中材料属性设置步骤具体包括如下步骤：

步骤4.1，在模型开发器中右击“材料”按钮，选择“从库中添加材料”；

步骤4.2，在“添加材料”选项中选择“液体和气体>Liquids>Water”，从而将区域材料设置为水。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤5中边界条件设置步骤的具体方法如下：

步骤5.1，在模拟开发器窗口中“湍流，k-ε”选项下，将几何模型的上下边界分别设置为入口和出口，并设置入口的流入压力为1.2MPa，将出口压力设置为一个标准大气压，几何模型的左右边界设置为“壁”。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤6中粒子释放条件设置的步骤的具体方法如下：

步骤6.1，慢走丝电火花线切割加工TiNi-01形状记忆合金工况下电蚀产物颗粒的尺寸和形状约为直径5um的球体，在“粒子属性”选项中输入粒子密度为4850kg/m^3，输入粒子直径为5um，在“壁”选项中设置比条件为“反弹”；

步骤6.2，在模型开发器中，右击“几何”，单击“点”，由此步骤依次输入100个点的坐标，同时通过右击“流体流动颗粒跟踪(fpt)”，单击“从点释放”，设置对应点处粒子的释放时间，在“初始速度”选项中选择“定速，半球”，在“速度”和“速度空间粒子数”输入释放粒子的初速度及粒子数量。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤7中划分网格步骤的具体方法为：

步骤7.1，在模型开发器中，点击“网格”，从“单元大小”列表中选择“细化”。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤8中求解器设置和求解的步骤的具体方法为：

步骤8.1，在“模型开发器”中的“研究1”节点下，单击“步骤1：稳态”，在“研究设置”列表中设置时间单位和时间步，在“物理场和变量选择”列表中选择取消勾选“流体流动颗粒跟踪(fpt)”，单击“计算”；

步骤8.2，在“研究”工具栏中，单击“添加研究”，在“研究”工具栏中双击“瞬态”，在模型开发器窗口的“研究2”节点下，单击“步骤1：瞬态”，在瞬态的设置窗口中，在“因变量值”列表下，定位到“不求解的变量值”选项中，在“设置”列表下选择“用户定义”，在“方法”列表下选择“解”，在“研究”列表下选择“研究1，瞬态”，在“时间”列表下选择“全部”，定位到“在输出中存储物理场”选项中，在“设置”列表下选择“全部”，单击“计算”。

本发明提供的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法的步骤9中求解结果后处理的具体方法如下：

步骤9.1，展开“结果”列表，可以得到工作液“压力”、“流速”分布云图以及极间电蚀产物各时刻的数量、位置和速度图。

与现有技术相比，本发明的优点为：

(1)从放电蚀除机理出发，材料去除是由于脉冲放电在工件局部产生瞬时高温，从而产生放电爆炸力将材料蚀除，被蚀除的材料到工作液形成电蚀产物，本发明将此物理过程转化为理论模型考虑到仿真过程中，同时考虑了不同脉冲放电之间的时间差，提出精确的慢走丝电火花线切割加工电蚀产物的仿真方法，为分析电蚀产物的运动及分布规律提供解决方案，为之后研究电蚀产物对加工的影响提供依据。

(2)本发明基于仿真软件COMSOL提出一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真分析方法，利用软件自带的耦合模块，调用“流体流动”及“流体流动粒子追踪”模块耦合分析得到准确的电蚀产物的运动规律。

附图说明

图1为本发明实施例中一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法流程图。

图2为本发明实施例中加工区域简图。

图3为本发明实施例中电蚀凹坑面简图。

图4为本发明实施例中某时刻放电局部区域电蚀产物状态图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。

如图1，一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法包括根据工况建立仿真模型的步骤；选择物理场及求解方式的步骤；创建几何模型的步骤；设置材料属性的步骤；设置边界条件的步骤；设置粒子释放条件的步骤；划分网格的步骤；求解器设置和求解的步骤；求解结果后处理的步骤。

下面对本发明进行详细描述：

慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其包括如下步骤：

步骤一：根据实际工况，建立有限元仿真计算的几何模型，具体方法为：

表1慢走丝电火花线切割加工参数

表1为慢走丝电火花线切割加工参数，加工过程中瞬时高温对电极丝和工件材料及工作液的汽化作用，会产生一定量的气泡，故放电加工时极间流场为气、液、固三相流动，但由于气泡压力相对于极间流体对电蚀产物的带动作用影响极小，可以忽略不计，因此在对电蚀产物的运动分析时可将极间流场近似看成液固两相流。

加工区域具有高度的对称性，故将三维的空间模型转化为二维模型如图2所示(该图示出了工件1、工作液2、电极丝3)，进行仿真分析，减小模型的计算量从而简化仿真过程，由于电蚀产物颗粒从基体抛出后只存在于极间流场，故仿真的几何模型为极间流场的尺寸。

根据工况该有限元模型为30mm*0.05mm的长方形。

步骤二：选择物理场及求解方式：根据雷诺数的计算公式可知，极间流场的状态为湍流，在“选择物理场”选项中选择“流体流动>单相流>湍流”，单击“添加”，同时电蚀产物的分析需要在粒子追踪模块下进行，选择“流体流动>粒子追踪>流体流动颗粒跟踪(fpt)”，求解方式为瞬态，选择“所选物理场接口的预设研究>瞬态”，单击“完成”。

步骤三：创建几何模型：在模型开发器中，右击“几何”，单击“矩形”，在“形状和大小”选项中设置矩形的宽度和高度分别为0.05mm、30mm，从而构建长宽为30mm*0.05mm的长方形。

步骤四：设置材料属性：根据实际加工工况，工作液的材料为去离子水；在“模型开发器”中右击“材料”按钮，选择“从库中添加材料”，在“添加材料”选项中选择“液体和气体>Liquids>Water”，从而将区域材料设置为水。

步骤五：边界条件的设置：在“模型开发器”窗口中“湍流，k-ε”选项下，将几何模型的上下边界分别设置为入口和出口，并设置入口的流入压力为1.2MPa，将出口压力设置为一个标准大气压，几何模型的左右边界设置为“壁”。

步骤六：在“流体流动颗粒跟踪(fpt)”接口添加粒子，具体方法为：根据前人经验可知，慢走丝电火花线切割加工TiNi-01形状记忆合金工况下电蚀产物颗粒的尺寸和形状约为直径5um的球体，因此在“粒子属性”选项中输入粒子密度为4850kg/m^3，输入粒子直径为5um，在“壁”选项中设置比条件为“反弹”，单次脉冲放电产生的电蚀产物颗粒的数量可由其大小及单次脉冲放电产生的凹坑大小来估算：

式中V_c为单次脉冲放电产生的凹坑体积，V为单个电蚀产物颗粒的体积；

单脉冲形成的放电蚀坑面为旋转抛物面(如图3所示)；则单脉冲放电蚀坑的体积即蚀除材料的体积为：

其中H、r_c的经验公式为：

其中t_on为脉冲宽度的，I_P为峰值电流。

综上可以带入工况计算出慢走丝电火花线切割加工TiNi-01形状记忆合金单次脉冲放电产生的电蚀产物颗粒的数量n近似为2000个。

K.P.Rajurka等根据能量平衡研究发现，由于放电爆炸力引起电蚀产物的初速度大小可由如下公式计算；

式中r为蚀除颗粒半径；γ为液态金属与微粒气体接触时的表面张力，大小为1.835N/m；δ为蚀除颗粒面积的分布指数；E_T为单脉冲放电总能量；p为用于蚀除工件的能量占总能量的百分比，约为8％；K、α为常数，大小分别为5×10^-11、0.998；ρ为蚀除颗粒密度，大小为4850kg/m³；

将工况数据带入公式可计算出，慢走丝电火花线切割加工TiNi-01形状记忆合金工况下电蚀产物颗粒的初始速度约为50m/s，并且其释放方向是朝各个方向。

由于在电火花线切割加工中放电点位置有很高的随机性，因此在MATLAB软件中生成100个随机数对应仿真模型中放电点位置坐标，依次在这些坐标处释放粒子即可；由于脉冲宽度和脉冲间隔分别为10us、15us，故相邻两次放电时间差为25us。

具体操作为在“模型开发器”中，右击“几何”，单击“点”，由此步骤依次输入100个点的坐标，同时通过右击“流体流动颗粒跟踪(fpt)”，单击“从点释放”，设置对应点处粒子的释放时间，在“初始速度”选项中选择“定速，半球”，在“速度”和“速度空间粒子数”输入释放粒子的初速度及粒子数量。

步骤七：划分网格：在“模型开发器”中，点击“网格”，从“单元大小”列表中选择“细化”。

步骤八：求解器设置和求解：在“模型开发器”中的“研究1”节点下，单击“步骤1：稳态”，在“研究设置”列表中设置时间单位和时间步，在“物理场和变量选择”列表中选择取消勾选“流体流动颗粒跟踪(fpt)”，单击“计算”。

在“研究”工具栏中，单击“添加研究”，在“研究”工具栏中双击“瞬态”。在“模型开发器”窗口的“研究2”节点下，单击“步骤1：瞬态”，在瞬态的设置窗口中，在“因变量值”列表下，定位到“不求解的变量值”选项中，在“设置”列表下选择“用户定义”，在“方法”列表下选择“解”，在“研究”列表下选择“研究1，瞬态”，在“时间”列表下选择“全部”，定位到“在输出中存储物理场”选项中，在“设置”列表下选择“全部”，单击“计算”。

步骤九：求解结果后处理：展开“结果”列表，可以得到工作液“压力”、“流速”分布云图以及极间电蚀产物各时刻的数量、位置和速度图，如图4所示。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，该方法包括：

步骤1，根据工况建立有限元仿真计算的几何模型；

步骤2，根据得到的几何模型通过COMSOL仿真软件选择物理场及求解方式；

步骤3，利用模型开发器创建几何模型；

步骤4，在模型开发器中设置材料属性；

步骤5，在模型开发器中设置边界条件；

步骤6，在流体流动颗粒跟踪接口添加粒子；

步骤7，在模型开发器中划分网格；

步骤8，在模型开发器中完成求解器设置和求解；

步骤9，求解结果后处理。

2.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤1中，有限元模型为30mm*0.05mm的长方形。

3.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤2的具体步骤为：

步骤2.1，在COMSOL仿真软件中，在“选择物理场”中选择“流体流动>单相流>湍流”，单击“添加”；

步骤2.2，选择“流体流动>粒子追踪>流体流动颗粒跟踪(fpt)”，求解方式为瞬态，选择“所选物理场接口的预设研究>瞬态”，单击“完成”。

4.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤3的具体步骤为：

步骤3.1，在模型开发器中，右击“几何”，单击“矩形”；

步骤3.2，在“形状和大小”选项中设置矩形的宽度和高度分别为0.05mm、30mm，从而构建长宽为30mm*0.05mm的长方形。

5.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤4中材料属性设置步骤具体包括如下步骤：

步骤4.1，在模型开发器中右击“材料”按钮，选择“从库中添加材料”；

步骤4.2，在“添加材料”选项中选择“液体和气体>Liquids>Water”，从而将区域材料设置为水。

6.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤5中边界条件设置步骤的具体方法如下：

步骤5.1，在模拟开发器窗口中“湍流，k-ε”选项下，将几何模型的上下边界分别设置为入口和出口，并设置入口的流入压力为1.2MPa，将出口压力设置为一个标准大气压，几何模型的左右边界设置为“壁”。

7.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤6中粒子释放条件设置的步骤的具体方法如下：

步骤6.1，慢走丝电火花线切割加工TiNi-01形状记忆合金工况下电蚀产物颗粒的尺寸和形状约为直径5um的球体，在“粒子属性”选项中输入粒子密度为4850kg/m^3，输入粒子直径为5um，在“壁”选项中设置比条件为“反弹”；

步骤6.2，在模型开发器中，右击“几何”，单击“点”，由此步骤依次输入100个点的坐标，同时通过右击“流体流动颗粒跟踪(fpt)”，单击“从点释放”，设置对应点处粒子的释放时间，在“初始速度”选项中选择“定速，半球”，在“速度”和“速度空间粒子数”输入释放粒子的初速度及粒子数量。

8.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤7中划分网格步骤的具体方法为：

步骤7.1，在模型开发器中，点击“网格”，从“单元大小”列表中选择“细化”。

9.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤8中求解器设置和求解的步骤的具体方法为：

步骤8.1，在“模型开发器”中的“研究1”节点下，单击“步骤1：稳态”，在“研究设置”列表中设置时间单位和时间步，在“物理场和变量选择”列表中选择取消勾选“流体流动颗粒跟踪(fpt)”，单击“计算”；

步骤8.2，在“研究”工具栏中，单击“添加研究”，在“研究”工具栏中双击“瞬态”，在模型开发器窗口的“研究2”节点下，单击“步骤1：瞬态”，在瞬态的设置窗口中，在“因变量值”列表下，定位到“不求解的变量值”选项中，在“设置”列表下选择“用户定义”，在“方法”列表下选择“解”，在“研究”列表下选择“研究1，瞬态”，在“时间”列表下选择“全部”，定位到“在输出中存储物理场”选项中，在“设置”列表下选择“全部”，单击“计算”。

10.根据权利要求1所述的一种慢走丝电火花线切割加工电蚀产物运动仿真方法，其特征在于，步骤9中求解结果后处理的具体方法如下：

步骤9.1，展开“结果”列表，可以得到工作液“压力”、“流速”分布云图以及极间电蚀产物各时刻的数量、位置和速度图。

Images