电火花线切割Inconel 718温度场分析与加工建模

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2025.20230278

摘要/Abstract

摘要：

针对Inconel 718材料的高加工硬化率和切削温度变化大等特点，以电火花线切割（WEDM）加工Inconel 718的放电加工过程为研究对象，对其加工机理和建模进行深入研究.采用有限差分法和有限元仿真对单脉冲放电温度场进行分析，得到了给定参数下的理论、仿真温度分布结果，并进一步探究了脉冲宽度对电蚀坑尺寸与形状的影响规律.在考虑重铸层对电蚀坑尺寸影响的基础上，预测了加工的表面粗糙度和材料去除率，并与实验数据进行对比.结果表明：随着脉冲宽度的变化，理论与仿真的电蚀坑尺寸变化趋势一致，所建立工艺目标预测模型的理论和仿真数据与实验结果的最大误差为9.88%.

关键词: 电火花线切割, Inconel 718, 有限差分法, 有限元法, 温度场分析, 重铸层

Abstract:

Aiming at the characteristics of Inconel 718 material such as high work hardening rate and large cutting temperature variation， the machining mechanism and modeling of Inconel 718 were deeply studied by taking the discharge machining process of wire electrical discharge machining as the research object. The temperature field of single-pulse discharge is analyzed by the finite difference method and finite element simulation， and the theoretical and simulation temperature distribution results under given parameters are obtained. Furthermore， the law of the influence of pulse width on the size and shape of the corrosion pit is further explored. On the basis of considering the influence of the recast layer on the size of the pit， the surface roughness and material removal rate of machining are predicted and compared with the experimental data. The results show that with the change of pulse width， the variation trend of the theoretical and simulated electric pit dimensions is consistent. The maximum error between theoretical and simulation data and experimental results is 9.88%.

Key words: wire electrical discharge machining, Inconel 718, finite difference method, finite element method, temperature field analysis, recast layer

中图分类号:

TG 66

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图/表 26

图1 单脉冲电火花放电物理模型

Fig.1 Physical model of single-pulse spark discharge

图2 边界条件模型图

Fig.2 Diagram of the boundary condition model

图3 内节点示意图

Fig.3 Diagram of the inner nodes

图4 边界上的节点示意图

Fig.4 Diagram of the nodes on the boundary

表1 Inconel 718的物理参数

Table 1 Physical parameters of Inconel 718

ρ/(kg·m^-3)	c/[J·(kg·℃)^-1]	λ/[W·(m·℃)^-1]	θ_r /℃
8 240	520	20	1 320

图5 整体温度分布云图

Fig.5 Cloud image of overall temperature distribution

图6 沿坐标轴温度分布（a）—r轴；（b）—z轴.

Fig.6 Temperature distribution along axes

图7 电蚀坑尺寸

Fig.7 Dimension of the corrosion pit

图8 电蚀坑尺寸随脉冲宽度的变化

Fig.8 Size variation of the corrosion pit with pulse width

图9 几何模型划分与载荷施加

Fig.9 Geometric model division and load application

图10 温度场分布云图

Fig.10 Cloud image of temperature field distribution

图11 脉冲宽度对电蚀坑尺寸的影响

Fig.11 Effect of pulse width on the corrosion pit size

图12 脉冲宽度为8 μs时材料蚀除结果

Fig.12 Material erosion result at pulse width of 8 μs

图13 电蚀坑简化模型

Fig.13 Simplified model of corrosion pit

图14 电蚀坑叠加表面

Fig.14 Superimposed surface of the corrosion pits

图15 两电蚀坑叠加坐标图

Fig.15 Two corrosion pits’ superimposed coordinates

表2 工艺目标理论值与仿真值对比

Table 2 Theoretical and simulation values comparison of process targets

脉冲宽度/μs	粗糙度/μm		材料去除率/(mm³·min^-1)
脉冲宽度/μs	理论值	仿真值	理论值	仿真值
4	2.114	2.174	4.058	4.380
6	2.584	2.625	6.543	7.139
8	2.850	2.923	9.214	9.889
10	3.114	3.163	10.209	11.201
12	3.292	3.495	11.190	1.260

图16 线切割系统原理图

Fig.16 Schematic diagram of the wire cutting system

图17 电火花线切割实验图

Fig.17 Experimental diagram of WEDM

表3 实验加工条件

Table 3 Processing conditions of experimet

空载电压/V	峰值电流/A	脉冲间隔/μs	走丝速度/(m·min^-1)	电极丝张力/N	工作液
100	20	35	10	16	去离子水

图18 实验加工后的工件

Fig. 18 Diagram of workpiece after experimental processing

图19 切缝选点测量图

Fig.19 Diagram of slot measurement by selected points

图20 表面粗糙度选点测量图

Fig.20 Diagram of surface roughness measurement by selection points

表4 脉冲宽度单因素实验结果 (experiment)

Table 4 Results of the single factor pulse width

序号	脉冲宽度/μs	去除率/(mm³·min^-1)	粗糙度/μm
1	4	4.192	2.325
2	6	7.205	2.482
3	8	9.346	2.763
4	10	10.816	3.045
5	12	1.417	3.351

图21 脉冲宽度对Inconel 718不同工艺目标的影响

Fig.21 Influence of pulse width on various processing objectives for Inconel 718

图22 不同工艺目标下各数据结果对比（a）—材料去除率；（b）—表面粗糙度.

Fig.22 Comparison of data results under various processing objectives

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