李雪芝, 周建平, 王恪典,2, 許燕, 吳天博

(1.新疆大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 830047, 烏魯木齊; 2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院, 710049, 西安; 3.新疆電力科學(xué)研究院, 830011, 烏魯木齊)

鎳基合金在中、高溫度范圍內(nèi)具有良好的綜合性能,如高強(qiáng)度、抗氧化、抗腐蝕,廣泛用于航空、熱動(dòng)、船舶等領(lǐng)域[1-2]。由于鎳基合金的熱導(dǎo)率和比熱容較低,內(nèi)部加入了大量強(qiáng)化元素(Cr、W、Mo等),故在冷加工過程中存在切削溫度高、加工硬化嚴(yán)重、易形成積屑瘤等現(xiàn)象,選用的主要加工方法有高速機(jī)械加工、電火花加工、電解加工、激光束加工、超高壓射流等[3-5],但此類方法的加工效率需要進(jìn)一步提高。

短電弧加工是一種新的材料去除技術(shù),在銑削放電加工過程中,工具、工件兩極之間的放電通道內(nèi)具有明顯的電弧作用,等離子體具有能量密度集中、溫度高、材料去除率高的特點(diǎn),尤其在水霧射流壓縮作用下產(chǎn)生更強(qiáng)的熱壓縮效應(yīng),使工件表面迅速被熔化、剝離母體,材料去除率極高,可達(dá)1.92×105mm3/min。因此,短電弧銑削加工技術(shù)能夠?yàn)槌裁婧辖鸩牧系募庸ぬ峁┮环N高效可行的手段[6-8]。汪兵兵等研究了短電弧銑削工具電極材料的放電性能,低電壓加工時(shí)紫銅電極的損耗率是石墨電極損耗率的7倍[9-10];朱晨光等研究脈沖電弧加工鎳基高溫合金表面微觀形貌,得出頻率和占空比較高時(shí)更容易產(chǎn)生裂紋,較低的頻率和占空比會(huì)使熔化凝固層的厚度提高[11];王博等研究了短電弧加工過程中進(jìn)給速度與加工質(zhì)量、加工效率之間的關(guān)系,在保證加工效率的前提下使電極損耗降到最低[12]。然而,目前研究多集中在實(shí)驗(yàn)方面,關(guān)于鎳基合金短電弧銑削過程數(shù)值模擬方面的研究較少。

在電加工的數(shù)值模擬方面,國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究,并且取得諸多成果[13-18]。Marafona等提出了液態(tài)介質(zhì)中脈沖放電的熱電模型。該模型可計(jì)算出表面粗糙度、材料去除率、工具電極損耗以及放電通道最高溫度等[19-20]。Das等提出了單脈沖放電過程有限元模型[21],該模型不僅能夠預(yù)測放電凹坑形狀,而且能夠預(yù)測單脈沖放電瞬時(shí)溫度分布、固-液相轉(zhuǎn)變以及殘余應(yīng)力等。Shankar等對(duì)火花放電通道形狀進(jìn)行有限元分析,得到了火花放電區(qū)域的電勢和溫度場,同時(shí)還計(jì)算了陰極、陽極、工作液的熱吸收率[22]。王振龍等利用離子模擬方法來研究等離子體放電通道的波動(dòng)振蕩,發(fā)現(xiàn)平衡狀態(tài)下的放電通道的負(fù)極呈喇叭口形,中部呈腰鼓形[23]。

為驗(yàn)證短電弧放電加工所涉及的基本物理過程,借助數(shù)值模擬的方法從微觀上揭示物理過程。本文建立了GH4169鎳基合金短電弧熔池溫度場的數(shù)學(xué)模型,以Ansys有限元分析軟件為平臺(tái),從短電弧銑削有限元模型的建立、網(wǎng)格劃分、熱源處理、熱邊界施加等方面,著重研究了移動(dòng)電弧對(duì)熔池形成及溫度場分布規(guī)律,為鎳基合金短電弧高效去除及工藝優(yōu)化實(shí)踐提供理論支持。

1 短電弧銑削加工物理模型

短電弧放電過程中,在工件、工具兩極間施加電壓(擊穿電壓低于火花放電),工作介質(zhì)被擊穿形成一個(gè)圓錐形的放電通道,陰、陽極斑點(diǎn)大小不同,電流密度也不相同,陽極電流密度約為2 800 A/cm2,陰極電流密度為300 A/cm2。電弧在氣體或液體的流動(dòng)作用下,迅速移動(dòng)、伸長或彎曲,電流幾乎都從弧柱內(nèi)部流過,而火花放電為鼓形,陽極與陰極斑點(diǎn)大小相等,放電位置相對(duì)固定。短電弧放電通道內(nèi)帶電電子、粒子高速運(yùn)動(dòng)發(fā)生碰撞,將電能轉(zhuǎn)化為熱能等形式,并在工具、工件電極表面上形成高溫?zé)嵩?迅速加熱工件表面放電區(qū)域,使工件材料熔融、氣化,拋離電極表面。短電弧脈沖放電物理模型如圖1所示。

圖1 短電弧脈沖放電物理模型

2 短電弧銑削加工溫度場數(shù)學(xué)模型

2.1 熱源模型的選取

短電弧放電加工熱源模型如圖2所示。脈沖電源傳遞給電極之間的能量,以熱能形式分配在兩極表面上,形成一個(gè)高溫?zé)嵩?分為表面熱源和體積熱源。表面熱源由放電通道帶電粒子相互碰撞所釋放的,在短電弧放電間隙中占主導(dǎo)位置;體積熱源依賴于電流的集膚效應(yīng),只發(fā)生在放電加工的初級(jí)階段。

圖2 短電弧放電加工熱源模型

(1)表面熱源。帶電粒子在通道中心處密度最高、邊緣處最低,符合高斯分布,如圖3所示。在短電弧放電區(qū)域中,與脈沖放電中心區(qū)域相距為r處的熱流密度為

式中:rc為放電通道半徑,mm;U為放電電壓,V;I為峰值電流,A;η為能量分配系數(shù),取0.3[24]。

圖3 放電通道中熱流密度分布情況

(2)體積熱源。如圖4所示,短電弧放電電壓為25 V,峰值電流為600 A,放電電流較大,必然產(chǎn)生焦耳熱,但在電弧放電蝕除材料過程中,作用極小。根據(jù)焦耳定律,焦耳熱可通過下式計(jì)算

Q=I2Rt

(2)

式中:R為電阻,Ω;t為時(shí)間,s。

圖4 短電弧加工波形

2.2 熱源半徑的計(jì)算

短電弧放電間隙、放電時(shí)間都是10-6級(jí),很難用物理方法檢測,半經(jīng)驗(yàn)計(jì)算方法是目前比較主流的,即放電半徑rc(t)的經(jīng)驗(yàn)公式為[24]

rc(t)=0.002 04I0.43τon0.44

(3)

式中:τon為脈寬,μs。

根據(jù)式(3),短電弧銑削加工的電規(guī)準(zhǔn)見表1。

表1 短電弧銑削加工放電參數(shù)

2.3 熱邊界條件及熱源加載

熱邊界條件如圖5所示,在B1平面區(qū)域內(nèi),熱流密度q(r)施加在放電通道r≤rc的區(qū)域;工件與工作介質(zhì)的熱對(duì)流hc(T-T0)施加在r>rc的區(qū)域。平面B2、B3、B4的邊界條件均是室溫溫度

式中:hc為對(duì)流換熱系數(shù);T0為室溫293 K。

圖5 本文模型的熱邊界分布情況

蝕除區(qū)溫度達(dá)到材料熔點(diǎn)以上,工件被去除,熱源加載隨著短電弧的蝕除位置而不斷變化。為模擬這一過程,利用Ansys Apdl語言編寫熱源移動(dòng)程序,借助“生死單元”模擬短電弧加工溫度場的變化過程,思路為:設(shè)定高于熔點(diǎn)以上的單元被殺死,熔點(diǎn)以下的單元繼續(xù)下一步的加載循環(huán)。

2.4 潛熱分析

由于短電弧瞬時(shí)輸入能量大,工件迅速達(dá)到熔點(diǎn)熔化,由固態(tài)變成液態(tài),又受到工作液介質(zhì)的冷卻作用,熔融部分又由液態(tài)變成固態(tài),材料發(fā)生相變現(xiàn)象?；诘刃П葻崛萁鉀Q潛熱問題,且只考慮熔化部分引起的潛熱,等效比熱容的計(jì)算公式如下

式中:c為比熱容;LH為潛熱;ΔT為熔點(diǎn)與室溫溫度之差。

3 短電弧銑削溫度場仿真

3.1 前處理

工件GH4169的熱物理性能見表2,工具材料為石墨。熱源主要有工件表面上的面熱源和工具旋轉(zhuǎn)方向的體熱源,采用非均勻網(wǎng)格對(duì)模型進(jìn)行劃分,并在溫度梯度較大處進(jìn)行局部細(xì)化,如圖6所示。定義單元時(shí),選用單元SOLID70進(jìn)行熱-結(jié)構(gòu)計(jì)算,選用表面效應(yīng)單元SURF152施加熱流密度。

表2 GH4169的熱物理性能

注:GH4169的密度為8 240 kg/m3;彈性模量為1.999 GPa;泊松比為0.3;熔點(diǎn)為1 260～1 320 ℃。表中λ為導(dǎo)熱系數(shù);α為線膨脹系數(shù)。

(a)面熱源網(wǎng)格 (b)體熱源網(wǎng)格圖6 網(wǎng)格劃分系統(tǒng)

3.2 短電弧溫度場模型求解

如圖7所示,工具直徑為Φ18 mm,工件尺寸為100 mm×50 mm×20 mm,工具電極沿X方向以恒定速度移動(dòng),與電弧移動(dòng)速度相同。圖8為電壓U=25 V、電流I=600 A、熱源移動(dòng)速度v=10 mm/s的短電弧銑削過程中,試件GH4169不同時(shí)刻的溫度場分布和熔池形成過程。

圖7 短電弧加工過程示意圖

(a)t=0.2 s

(b)t=1 s

(c)t=5 s

(d)t=8 s

(e)體熱源溫度分布圖8 短電弧熔池溫度場分布規(guī)律

在0.2 s時(shí),蝕除位置由于受到電弧的持續(xù)熱作用,迅速受熱熔化,在工件表面形成一個(gè)近似橢圓形的熔池。在1 s時(shí),隨著電弧的移動(dòng),熔池也向前移動(dòng),此時(shí)的熔深、熔寬、熔池長度也不斷增加。在5 s時(shí),熔池繼續(xù)加熱,瞬時(shí)的高溫使放電通道內(nèi)壓力急速增加,積累的熱量把待蝕除區(qū)的金屬融化,使得熔池長度繼續(xù)增加,但熔寬和熔深已基本達(dá)到穩(wěn)定,不再變化。在8 s時(shí),由于工件、工具兩極之間產(chǎn)生的電磁場具有箍縮效應(yīng),使放電通道的擴(kuò)張受到阻力達(dá)到平衡,形成電弧的維持階段,熔池長度不再增加、形狀不再變化,熔池進(jìn)入準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)狀態(tài)。

體熱源的等溫線如圖8e所示,放電中心熱流密度隨放電半徑的增加而降低,工件蝕除區(qū)面積逐漸增大,但蝕除區(qū)溫度始終要比同時(shí)刻的面熱源下的要高很多。

如圖9所示,當(dāng)脈沖放電結(jié)束后,短電弧面熱源的熔寬為11.76 μm,熔深為3.72 μm,而體熱源下的熔寬和熔深基本一致,近似為6.52 μm。這說明短電弧采用大電流加工,在寬度、深度方向材料蝕除率較快,整個(gè)加工效率也大大提高,同時(shí)大的凹坑增大了工件的表面粗糙度。

短電弧放電通道和工件基體材料之間形成3個(gè)區(qū)域,即氣化區(qū)、熔融凝固區(qū)和熱影響區(qū),如圖10所示。氣化區(qū)是工件由固態(tài)變成氣體的區(qū)域,溫度高于工件沸點(diǎn),該區(qū)域的材料完全剝離母體。熔融凝固區(qū)是工件由固態(tài)變成液態(tài)的區(qū)域,溫度高于工件熔點(diǎn),該區(qū)域的材料由于受到工作介質(zhì)的冷卻作用,不能完全被剝離,在工件表面重新凝固產(chǎn)生再鑄層。熱影響區(qū)溫度高于700 K,但低于熔點(diǎn)溫度,此時(shí)工件材料處于固態(tài),但材料的金相組織和力學(xué)性能仍被改變。

(a)面熱源 (b)體熱源 圖9 脈沖放電結(jié)束后的熔池狀態(tài)

圖10 氣化區(qū)、熔融凝固區(qū)和熱影響區(qū)的溫度分布

4 實(shí) 驗(yàn)

4.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

短電弧銑削加工裝置如圖11所示。利用紅外熱像儀監(jiān)測整個(gè)短電弧銑削過程。采用線切割將工件切割成與5 mm×5 mm×2.5 mm的試樣,經(jīng)過磨光、拋光、腐蝕(50 mL HCl,10 mL HNO3,5 mL HF,38 mL蒸餾水,浸入240～270 s)利用,SUPRATM55VP掃描電鏡進(jìn)行金相觀測。

圖11 短電弧銑削加工裝置

4.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

利用ThermoVision A40M型紅外熱成像儀進(jìn)行測試,幀頻為50/60 Hz。在12°×9°/1.2 m鏡頭上添加高溫濾光片擴(kuò)展測溫范圍,調(diào)整相機(jī)與計(jì)算機(jī)控制終端之間的連接,選擇最佳拍攝角度,使用THERMCAM控制軟件調(diào)整相機(jī)焦距,并選擇溫度范圍為800～2 300 K,準(zhǔn)備就緒后監(jiān)測短電弧加工。圖12a顯示了第9.6 s時(shí)的溫度分布。熔融凝固區(qū)溫度在1 500～1 700 K之間,熱影響區(qū)域的溫度范圍在900～1 500 K之間。當(dāng)電弧移動(dòng)到基體附近時(shí),溫度梯度逐漸平滑,邊界溫度由于與周圍的熱交換而保持恒定。由此可知,通過溫度成像云圖觀察到的氣化區(qū)、熔融凝固區(qū)、熱影響區(qū)的溫度范圍與仿真的溫度等值線基本吻合。

(a)溫度云圖 (b)3個(gè)節(jié)點(diǎn)區(qū)域的溫度

(c)模擬結(jié)果

(d)實(shí)測結(jié)果圖12 3個(gè)節(jié)點(diǎn)的溫度變化情況

通過FLIR R&D Software處理熱成像儀監(jiān)測結(jié)果,提取分別位于氣化區(qū)、熱影響區(qū)、基體的3個(gè)節(jié)點(diǎn)1、2、3(見圖12b)的溫度變化數(shù)據(jù),并與3節(jié)點(diǎn)的模擬值和實(shí)測值進(jìn)行比較,如圖12c、圖12d所示。圖中顯示模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果吻合較好,峰值溫度最大誤差為70 K,在允許的誤差范圍內(nèi)。實(shí)測的熱循環(huán)曲線存在一定的波動(dòng),主要是因?yàn)樵诙屉娀°娤鬟^程中,氣液混合工作介質(zhì)注入時(shí)量能不足,必然導(dǎo)致電弧的不穩(wěn)定,而在數(shù)值模擬過程中很難考慮這種影響。GH4169鎳基合金短電弧銑削過程的溫度場變化極為劇烈,在升溫階段,材料幾乎從室溫瞬間上升到峰值溫度;而在冷卻階段,冷卻速率同樣很快,工件的熱影響區(qū)也在瞬時(shí)幾秒內(nèi)形成。通過仿真預(yù)測工件熱影響區(qū)范圍,為今后優(yōu)化電參數(shù)提高工件表面質(zhì)量提供理論支持。

工件沿寬度、厚度方向的高溫區(qū)域很窄,溫度場變化也十分劇烈。分析認(rèn)為,在短電弧銑削過程中,采用大電流、大脈寬的模式,每個(gè)脈沖周期的放電過程皆可實(shí)現(xiàn)電弧放電,幾乎沒有空載、短路電壓,可達(dá)到瞬時(shí)輸入能量大、高效去除、放電持續(xù)平穩(wěn)的目的。因此,被蝕除工件瞬時(shí)達(dá)到熔點(diǎn),并以對(duì)流傳熱、導(dǎo)熱的方式對(duì)附近傳熱,隨后又由于連續(xù)注入工作液介質(zhì),溫度便急劇下降,產(chǎn)生了很強(qiáng)的溫度梯度。顯然,這對(duì)蝕除區(qū)的組織產(chǎn)生明顯的影響,如圖13所示,在U=25 V、I=600 A的電參數(shù)下,工件表面產(chǎn)生15.8 μm的再鑄層、半徑為16.3 μm的放電凹坑。

綜上所述,通過熱成像儀對(duì)短電弧加工過程溫度變化的監(jiān)測,獲取的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),得到工件GH4169不同時(shí)刻的溫度場變化曲線以及工件熱影響區(qū)分布,與之前仿真的短電弧瞬態(tài)溫度場、溫度等值線基本吻合,驗(yàn)證了所建立模型的正確性。該研究為短電弧銑削加工過程中去除特性、表面質(zhì)量、微觀形貌等基礎(chǔ)問題提供理論依據(jù),為短電弧加工技術(shù)工程應(yīng)用提供支撐。

(a)再鑄層 (b)凹坑 圖13 工件GH4169微觀形貌(U=25 V,I=600 A)

5 結(jié)束語

通過對(duì)GH4169鎳基合金短電弧銑削過程的溫度場進(jìn)行三維實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)模擬研究,綜合考慮多種因素,建立了三維瞬態(tài)短電弧熔池溫度場數(shù)學(xué)模型。利用Ansys模擬了在電弧熱源作用下短電弧熔池溫度場的動(dòng)態(tài)變化過程。分析3個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱循環(huán)曲線,模擬結(jié)果和實(shí)測結(jié)果吻合較好,且符合短電弧銑削過程溫度變化規(guī)律。試驗(yàn)驗(yàn)證了溫度場數(shù)值模擬的適用性與正確性,為鎳基合金短電弧高效去除及工藝優(yōu)化實(shí)踐提供理論支持。