基于ABAQUS的電火花表面強化溫度場研究

曹雪姣

基于ABAQUS的電火花表面強化溫度場研究

曹雪姣

（天津冶金職業(yè)技術(shù)學院，天津300400）

運用Abaqus有限元軟件，建立電火花表面強化熱傳導模型，對TC4鈦合金工件表面強化進行有限元模擬仿真，探究單脈沖電火花放電對工件表面溫度場影響。采用有限元法研究電火花表面強化過程，既節(jié)約了成本，又為進一步研究電火花表面強化過程提供指導作用。

電火花表面強化；熱傳導；溫度場

通常，機械機構(gòu)中某一零部件失效就會導致整機停止工作，故需對某些零件進行電火花表面強化，使其耐腐蝕性、耐磨性、硬度等性能得到改善，確保其能夠在溫度較高、速度較大或者壓力較高的惡劣條件下正常運行。電火花表面強化的基本原理：工作電源供電產(chǎn)生脈沖電波，脈沖電源使工件材料和電極間隙中形成電場，陰極表面電子在電場強度達到一定級別后開始溢出，帶電粒子穿過工件和電極間隙放電通道，帶電粒子在電場力作用下，高速通過放電通道轟擊工件表面，高密度的帶電粒子轟炸工件表面，帶電粒子動能轉(zhuǎn)化為熱能，致使工件表面材料液化甚至汽化，使得工件表面材料在熱應(yīng)力、電磁力、爆炸力作用下發(fā)生物理化學冶金過程，從而改變零件表面組織結(jié)構(gòu)，在工件表面放電點之間相互融合和重疊，工件表面強化層由此而形成，達到表面強化目的[1]。鈦合金TC4在一些新興行業(yè)應(yīng)用較多，如航天航空、骨科牙科、高端汽車及運動器材等[2]，因而TC4鈦合金的表面強化處理尤為重視。隨著電火花加工技術(shù)研究不斷深入，涌現(xiàn)了一些新的電火花加工工藝，使得電火花加工的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴寬，如電火花銑削加工、電火花沉積陶瓷層、電火花表面著色等。國內(nèi)外研究學者采用試驗的方法研究電火花加工過程，如可以利用光學金相，掃描電子顯微鏡和X射線衍射觀察加工后的工件表面質(zhì)量等。

本文以材料TC4鈦合金為對象，利用軟件ABAQUS建立單脈沖電火花放電表面強化有限元模型，模擬強化過程中工件表面溫度場，探究工藝參數(shù)對電火花表面強化過程中工件表面溫度場的影響。

1 分析熱傳導的基本假設(shè)

為減少計算量、降低計算難度，利用有限元軟件模擬電火花表面強化過程需做幾點假設(shè)[3]：

1）模擬材料為各項同性材料，電脈沖放電強化區(qū)域中心對稱；

2）忽略熱流對強化區(qū)域影響；

3）模擬過程僅考慮熱對流和熱傳導，忽略輻射熱影響；

4）有限元仿真熱源假設(shè)為高斯熱源，忽略脈沖間相互影響；

5）忽略工件內(nèi)各種熱源的影響因素；

6）模擬仿真的假設(shè)室溫25℃.

2 熱傳導數(shù)學模型

熱傳導數(shù)學模型按照能量守恒定律（熱力學第一定律），如：

式中：Q為熱量；W為做功；△U為系統(tǒng)內(nèi)能；

電火花表面強化過程并未涉及到做功問題，即W＝0，Q＝△U電火花表面強化過程中溫度場是隨空間域、時間域變化的函數(shù)，為分析瞬態(tài)熱傳導有限元模擬，即熱流速率q等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化[4]。

熱傳導過程需考慮比熱容、熱傳導和密度等熱物性材料影響，需考慮熱物性材料性能隨溫度變化，故電火花表面強化過程屬于材料非線性分析[5]，矩陣形式熱平衡方程如下：

式中：C（T）為比熱容；K（T）為熱傳導；T為溫度節(jié)點向量；T˙為時間導數(shù)；Q（T）為熱流率向量。

3 溫度場分析

由于電火花強化過程熱影響區(qū)域極小，考慮到計算成本，本文選用半徑、長度分別為l=200 um，r =200 um的軸對稱模型進行分析，如圖1所示，假設(shè)強化層深度與工件材料熔融深度相同，通過模擬電火花脈沖放電熱傳導過程來計算工件材料熔融深度（還是沒有畫出需要的東西）。利用Abaqus/Standard模塊求解電火花熱傳導過程。假設(shè)初始工件溫度為室溫25℃，各個方向的溫度梯度為0.

圖1 有限元幾何模型

本求解分兩個分析步進行加載：第一分析步對工件施加高斯熱源熱流密度載荷，選用TC4材料參數(shù)；第二分析步施加熱流密度載荷為零，基體選用TC4鈦合金材料參數(shù)，有限元模擬過程，選用線性軸對稱熱傳導單元DCAX3、DCAX4，劃分7439個有限元單元數(shù)目、7498個節(jié)點數(shù)目。工件左上角坐標為（0，0），如圖2所示。

圖2 工件網(wǎng)格劃分示意圖

在電火花表面強化過程中，選取工作電壓21.3 V、工作電流3.7 A、放電脈寬20 μs.電火花表面強化電脈沖放電結(jié)束時，工件表面強化層碳含量由0.02%變成12.0%.如圖3所示：（a）電火花放電開始時刻工件表面溫度場云圖；b）最高溫度達到最大值時刻工件表面溫度云圖；（c）為脈沖放電結(jié)束時刻的云圖；（d）為冷卻過程中某時刻的云圖。

圖3 不同時刻工件溫度云圖

通過對不同時刻工件溫度云圖分析，在不同時刻，工件溫度變化明顯，具體影響變化如下所述：

1）當放電開始時t=0 us時，工件表面溫度為室溫25℃，工件上溫度云圖如圖4.3a所示，均為25℃；

2）當時間為t=0.31 us時，云圖如圖4.3b所示，此時刻工件表面形成極小的熱影響區(qū)域，工件中心區(qū)域達到12190.0℃的極高溫度，此時刻是電火花表面強化過程工件表面溫度最高值達到最大值；

3）當時間為t=20 us時，云圖如圖4.3c所示。放電結(jié)束，放電通道關(guān)閉，與工件表面溫度最大值相比較具有如下特點：放電通道半徑變大，工件表面熱影響區(qū)最高溫度驟降到1372.0℃，溫度傳導深度方向速度明顯小于經(jīng)向，證明電火花表面強化對工件基體影響較小；

4）當t=348.3 s時，工件表面溫度云圖如圖4.3d所示，工件上最高溫度驟降為94.0℃.

電脈沖火花表面強化過程中，模型表面不同位置的溫度隨著時間變化而各不相同，如圖4.2所示，取原點周圍的溫度進行比較，工件左上角坐標為（0，0），向右為X正，向下為Y正。（a）（b）取0.31526e-6s、1.002e-6s、4.9835e-6s、10.603e-6s、20e-6s放電時刻的溫度變化；（c）（d）取0s、2.5918e-5s、3.4832e-4s、1.4244e-3s放電時刻的溫度變化。

（續(xù)下圖）

（續(xù)上圖）

圖2 溫度隨時間變化曲線

由圖4a可知，脈沖放電過程中，工件表面溫度場分布與高斯熱源放電模型相似。通過對比圖4b與4a可知，工件上熱量傳播速度深度方向明顯小于經(jīng)向。

由此可知，電火花強化過程中對工件表面深度方向的影響明顯低于經(jīng)向，從而減少對工件基體影響。

4 結(jié)論

通過ABAQUS有限元分析軟件，以TC4鈦合金工件為研究對象，分析了溫度場對電火花表面強化過程的影響，得出以下結(jié)論：

1）通過模擬仿真驗證了電火花強化技術(shù)可提高工件表面質(zhì)量，且對工件表面深度方向的影響明顯低于經(jīng)向，從而減少對工件基體影響。

2）利用有限元軟件可模擬不同工況下，單脈沖電火花放電對工件表面影響，從而可為企業(yè)探尋最優(yōu)的工況參數(shù)，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

[1]胡寶林，張勤河.基于單元生死的氣中火花放電的有限元熱分析[J].電加工與模具，2009（3）：31-35.

[2]GAO Hongming，BAI Yan，Tian Dong.Double-sided gas tungsten arc welding process on TC4 titanium alloy[J].Trans actions of Nonferrous Metals Society of china，2005，15（5）：1081-1084.

[3]張明，韓榮娟.基于ANSYS的氣體介質(zhì)電火花表面強化溫度場分析[J].山東：青島科技大學學報，2010，31（1）：76-79.

[4]Yadav Vinod.Temperature distribution during electro-dis charge abrasive grinding[J].Machining Science and Technolo gy，2002，6：97-127.

[5]黃志剛，郭鐘寧.單脈沖電火花加工溫度場的有限元分析[J].廣東工業(yè)大學學報，2002，19：38-43.

Research on temperature field of EDM surface strengthening based on ABAQUS

CAO Xue-jiao
（Tianjin Metallurgical Vocation-Technology Institute，Tianjin 300400，China）

In this paper，Abaqus finite element software was used to establish the surface conduction heat conduction model of EDM，and the finite element simulation of surface strengthening of TC4 titanium alloy was carried out.The effect of single pulse EDM on the surface temperature field was investigated.The finite element method is used to study the surface strengthening process of EDM，which not only saves the cost，but also provides guidance for further study of EDM surface strengthening process.

EDM surface strengthening；heat conduction；temperature field

TG661

A

1672-545X（2017）07-0245-03

2017-04-15

曹雪姣（1988－），女，天津人，碩士，助教，天津冶金職業(yè)技術(shù)學院教師，工業(yè)機器人技術(shù)。