【摘要】：薄壁類零件具有重量輕、比強(qiáng)度高、節(jié)約材料等特點(diǎn),在航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用,如飛機(jī)中的薄壁框體、可傾瓦軸承等。該類零件在傳統(tǒng)機(jī)械方式加工過程中會受到切削力、振動等因素的作用,發(fā)生較大的變形。電火花加工是一種重要的特種加工工藝,在加工過程中對工件沒有宏觀作用力,因此是加工薄壁類零件的理想工藝。但是由于薄壁類零件自身剛性較差,所以容易受熱應(yīng)力影響產(chǎn)生較大的熱彈塑性變形,而且電加工蝕除過程改變了薄壁類零件的壁厚與發(fā)生熱變形的材料體積,對于熱變形產(chǎn)生了重要而且復(fù)雜的影響,這導(dǎo)致薄壁類零件的熱變形難以控制,制約了電火花線切割工藝在薄壁類零件加工領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,本文針對電火花線切割加工熱變形行為機(jī)理,主要從蝕除過程及其對熱變形的影響以及線切割熱源模型兩方面開展研究,最終實現(xiàn)抑制熱變形的目的,主要研究內(nèi)容如下:針對不同電加工蝕除方式對等效蝕除溫度的影響難以定量描述的問題,建立了分子動力學(xué)仿真平臺,通過模擬不同能量下原子在加工過程中的動力學(xué)行為,計算出不同蝕除方式下的等效蝕除溫度,研究工件的蝕除方式對等效蝕除溫度的影響。通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在低能量條件下,材料主要以單個原子或者小原子團(tuán)的形式蝕除,這種蝕除方式下的等效蝕除溫度較高;而在高能量下,材料主要會以分解為較大的顆粒的形式蝕除,這種蝕除方式下的等效蝕除溫度較低。本章的研究將難以觀測的電加工蝕除方式實現(xiàn)可視化,在微觀尺度上研究了輸入能量對蝕除量的影響。針對分子動力學(xué)模型模擬時間過短與模擬尺寸過小的問題,基于比放電能理論,提出了一種可以在實際加工尺度與時間上對薄壁類零件蝕除量預(yù)測的動態(tài)等效蝕除溫度模型。本文首先完善了比放電能的概念,提出了一種基于比放電能的數(shù)值預(yù)測方法,該方法通過對鋁、Inconel 718和SUS 304這三種成分差異較大的材料的計算與實驗得到了驗證,實驗發(fā)現(xiàn)比放電能相近的材料,如SUS 304與Inconel 718,他們在相同加工條件下的蝕除率與表面形貌也相近。針對該模型只能準(zhǔn)確預(yù)測熔化蝕除方式的問題,結(jié)合能量與比放電能之間的關(guān)系,將該模型進(jìn)一步推廣應(yīng)用到以汽化為主的蝕除方式,并最終提出動態(tài)等效蝕除溫度模型。本章建立了不同加工條件下不同蝕除方式的動態(tài)等效蝕除溫度模型,實現(xiàn)了薄壁類零件電加工蝕除量計算。針對電極絲振動對薄壁類零件表面熱應(yīng)力分布的復(fù)雜影響,建立了線切割加工的振動-高斯連續(xù)脈沖熱源模型。本文首先對電極絲的振動規(guī)律進(jìn)行研究,并分別在不同方向上研究了電極絲振動對放電點(diǎn)分布的影響,之后將電極絲的振動對放電點(diǎn)分布的影響引入到單脈沖熱源模型中,提出了電火花線切割連續(xù)脈沖熱源模型,并利用并行計算的方式求解出不同振動條件下的熱源分布;在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化模型,得到了簡化的振動-高斯熱源模型,顯著地提高了計算效率。該模型的有效性通過與實驗結(jié)果比較再鑄層厚度得到了驗證。在蝕除對于熱變形影響的研究與線切割振動-高斯熱源模型的基礎(chǔ)上,建立了蝕除過程中的電火花線切割加工的熱彈塑性有限元模型,模擬工件在加工中的蝕除-變形過程。該模型采用Python-Fortran混合編程的方式在計算過程中實現(xiàn)電加工熱源移動、融化的單元自動識別與自動刪除等功能,這樣避免了被蝕除的單元參與到彈塑性變形的計算中。該模型證明了本文提出的電火花線切割的熱變形量會隨著蝕除量的增大而減小的理論,解釋了在輸入能量較大的條件下熱變形會隨著輸入能量變大而變小的實驗現(xiàn)象。針對薄壁類零件熱變形難以控制的問題,提出了一種基于鏡像補(bǔ)償與響應(yīng)曲面設(shè)計的電火花線切割加工軌跡補(bǔ)償方法,有效地抑制了薄壁梁的熱變形,直線度誤差降低了95%以上,該方法進(jìn)一步推廣到其他形狀的薄壁類零件的電火花線切割加工上,通過對邊長5cm的正方形薄壁框加工進(jìn)行驗證,加工累積誤差低于20μm。該補(bǔ)償方法應(yīng)用在壁厚僅有0.1mm的超薄電極陣列的加工上,薄壁的直線度誤差被控制在1μm以內(nèi)。除了熱變形的抑制研究外,本文還利用熱變形現(xiàn)象,通過BPNN-MEA算法對熱變形的預(yù)測,實現(xiàn)了曲面薄壁類零件的加工,最后通過不同曲率、不同厚度的工件得到驗證。
【圖文】：

圖 1.1 應(yīng)用在高速重載機(jī)床上的可傾瓦軸承，壁厚為軸徑的 2‰[2]課題研究目的及意義項目以控制電火花線切割工藝加工薄壁類零件的熱變形為目標(biāo)，通過建立電境下的電加工分子動力學(xué)模型、連續(xù)脈沖條件下的電火花線切割熱源模型、場作用下電極絲振動模型等手段，研究電加工的蝕除過程、線切割過程中的位置分布，，進(jìn)而預(yù)測加工過程中工件表面的溫度分布，實現(xiàn)不同加工條件下類零件熱變形的預(yù)測，并將此研究成果集成到數(shù)控系統(tǒng)中，對不同材料不同線切割加工的熱變形進(jìn)行控制，降低形位誤差，最終實現(xiàn)薄壁類零件電火花工藝的精密加工。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文熔覆加工是一種快速無模加工方式，這種工藝使用激光將粉末狀的熔覆熔覆材料冷凝后與基材融為一體，這樣通過熔覆材料的層層堆積，達(dá)到零尺寸，通過一定的后處理后完成零件的加工，加工原理如圖 1.2 所示，這式具有周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)[7]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG484

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2639362