【摘要】：作為一種非接觸加工方法,電火花加工利用電極與工件間火花放電產(chǎn)生的瞬時(shí)高溫進(jìn)行材料蝕除。由于宏觀加工力小且不受加工材料硬度、強(qiáng)度等方面的限制,電火花加工已成為一種不可或缺的材料加工技術(shù)。電火花加工放電過(guò)程中,被加工材料受熱會(huì)發(fā)生熔化或汽化,而熔化或汽化后的材料不可避免地涉及到流體動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。然而,電火花加工中火花放電發(fā)生在極小的空間和極短的時(shí)間里,通過(guò)實(shí)驗(yàn)手段直接進(jìn)行材料蝕除過(guò)程的研究難度很大,因此目前對(duì)電火花加工材料蝕除過(guò)程中的熱、流問(wèn)題仍沒(méi)有統(tǒng)一認(rèn)識(shí)。近年來(lái),快速發(fā)展的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)為該問(wèn)題的突破提供了一個(gè)很好的思路和途徑。基于以上分析,本文利用有限元多物理場(chǎng)耦合方法對(duì)電火花加工材料蝕除過(guò)程及相關(guān)理論進(jìn)行研究,從熱-流耦合的角度探索電火花放電過(guò)程中材料蝕除機(jī)制及其相關(guān)物理現(xiàn)象,同時(shí)通過(guò)單脈沖以及連續(xù)脈沖實(shí)驗(yàn)對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證。本文研究工作對(duì)優(yōu)化電火花加工過(guò)程能夠起到一定的理論支持,同時(shí)對(duì)豐富電火花加工基礎(chǔ)理論也具有積極的意義。首先對(duì)放電過(guò)程中能量轉(zhuǎn)換與傳輸、熔融材料表面跳變現(xiàn)象進(jìn)行了系統(tǒng)分析。在綜合考慮材料傳熱、相變、流體流動(dòng)、界面運(yùn)動(dòng)等物理問(wèn)題的基礎(chǔ)上,創(chuàng)新性地建立了電火花放電過(guò)程中材料蝕除熱-流耦合模型。采用水平集方法對(duì)固體材料/流體材料與氣體材料之間的自由界面進(jìn)行追蹤,實(shí)現(xiàn)了電火花放電過(guò)程中放電凹坑形貌演變和放電屑運(yùn)動(dòng)的可視化。研究了單脈沖放電過(guò)程中材料蝕除方式和蝕除特點(diǎn)。結(jié)果表明,在放電初始階段材料以汽化形式蝕除,之后主要是通過(guò)熔融飛濺的方式進(jìn)行蝕除,而且熔融飛濺蝕除強(qiáng)度遠(yuǎn)大于汽化蝕除強(qiáng)度。受熱區(qū)域溫度分布顯示,凹坑形成過(guò)程中大部分熔融材料在凹坑表面重新凝固形成熔融再凝固層。在本文研究條件下,熔融材料的蝕除率僅為7.63%左右。放電結(jié)束時(shí)刻,放電凹坑直徑和深度達(dá)到最大值,放電結(jié)束后熔融材料的回流會(huì)使放電凹坑尺寸略有減少。單脈沖放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,仿真得到的凹坑與實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的凹坑在形貌和尺寸方面具有較好的一致性,驗(yàn)證了所提出模型的正確性以及熱-流耦合機(jī)制在解釋電火花加工中材料蝕除過(guò)程方面的可行性。通過(guò)分析熔融材料和汽化材料的壓強(qiáng)分布及速度場(chǎng)分布,從流體動(dòng)力學(xué)角度揭示了熔融材料飛濺蝕除的內(nèi)在動(dòng)力和凹坑形貌的影響因素。研究發(fā)現(xiàn),隨著材料熱相變的發(fā)生,熔融區(qū)內(nèi)部壓強(qiáng)發(fā)生變化,在深度方向和徑向方向形成壓強(qiáng)梯度,而熔融材料飛濺蝕除的驅(qū)動(dòng)力主要來(lái)自于其內(nèi)部與表面存在的巨大壓強(qiáng)差。放電過(guò)程中受熔融材料剪切流動(dòng)的影響,放電凹坑輪廓發(fā)生變化且其周圍翻邊凸起由尖銳逐漸趨于平滑。雙極仿真結(jié)果表明,放電過(guò)程中電極與工件產(chǎn)生的放電屑在極間發(fā)生碰撞,同時(shí),高速運(yùn)動(dòng)的放電屑能夠?qū)?duì)方熔融材料的蝕除起到抑制或促進(jìn)作用。將殘余應(yīng)力方程和金相相變方程與電火花加工熱-流耦合模型相融合,對(duì)單脈沖放電過(guò)程中放電凹坑表面產(chǎn)生的熱致相變層進(jìn)行了研究,分析了熱致相變層的厚度、金相組織、殘余應(yīng)力分布以及峰值電流和脈沖寬度對(duì)它們的影響。對(duì)于單個(gè)放電凹坑,熔融再凝固層和熱影響層厚度在放電凹坑中心最小,隨著靠近凹坑的邊緣兩者均逐漸增加。同時(shí),熔融再凝固層經(jīng)歷了完全馬氏體轉(zhuǎn)變,是導(dǎo)致表面硬度提高的一個(gè)重要原因。從放電凹坑表面,Von Mises應(yīng)力沿深度方向先增大后減小,在熔融再凝固層和熱影響層界面附近達(dá)到峰值。相對(duì)于放電時(shí)間,峰值電流對(duì)熔融再凝固層厚度影響更為顯著,而放電時(shí)間對(duì)最大殘余應(yīng)力及其深度位置影響更大。建立了包括放電位置隨機(jī)和放電持續(xù)時(shí)間隨機(jī)的連續(xù)脈沖放電計(jì)算模型,實(shí)現(xiàn)了材料的時(shí)變、動(dòng)態(tài)蝕除過(guò)程模擬。采用仿真與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法,對(duì)凹坑疊加以及加工表面形貌特點(diǎn)和變化規(guī)律進(jìn)行了分析,同時(shí)對(duì)連續(xù)脈沖放電過(guò)程中溫度場(chǎng)分布、熔融再凝固層厚度分布等進(jìn)行了詳細(xì)研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,所建連續(xù)脈沖放電模型對(duì)電火花加工表面粗糙度及熔融再凝固層厚度能夠起到一定的預(yù)測(cè)效果。
【圖文】：

圖 1-7 能量分配比例與放電持續(xù)時(shí)間關(guān)系[29].1-7 Relation between energy distribution ratio and discharge duratio點(diǎn)等效熱源模型研究現(xiàn)狀工中，高溫等離子體通道對(duì)電極和工件材料的等效熱表面熱源兩種研究方法[15]。一般認(rèn)為表面熱源相對(duì)于體程中產(chǎn)生的熱效應(yīng)更為接近，因此研究材料蝕除的過(guò)程的方式施加到電極和工件表面。to 等人[31]提出了陰極點(diǎn)熱源模型，，并將其應(yīng)用于電火花研究中。點(diǎn)熱源模型在簡(jiǎn)化邊界條件方面顯示了極大的的等離子體通道模型，只將恒定功率作為邊界條件輸入礎(chǔ)上，Patel[32]等人提出陽(yáng)極表面擴(kuò)大的熱源模型，與極界面處的邊界條件仍然是輸入功率作為熱源，并且熱8 所示為其建立的電火花加工過(guò)程熱源理論模型。

圖 1-11 不同加工極性放電凹坑形貌[36]ig.1-11 Morphology of crater with different discharge polarity in EDM新家一朗等人[37]還對(duì)母材和白層上的放電凹坑形貌進(jìn)行了圖 1-12 所示。結(jié)果表明，在白層上加工得到的放電凹坑形的放電凹坑形貌表現(xiàn)出不同的光滑程度，白層上的放電凹，白層上放電去除體積明顯小于母材放電去除體積。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG661

【參考文獻(xiàn)】

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1 崔景芝;微細(xì)電火花加工的基本規(guī)律及其仿真研究[D];哈爾濱工業(yè)大學(xué);2007年

本文編號(hào)：2700784