【摘要】：盡管電火花加工技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了七十余年,但是電火花加工過(guò)程中熔融材料是如何被蝕除掉的至今尚未被揭示。因此電火花加工中存在的兩大瓶頸難題至今無(wú)法從本質(zhì)上被解決:即較低的加工速度和較差的加工表面質(zhì)量。為了解決上述難題,本文采用了先進(jìn)的仿真技術(shù)和實(shí)驗(yàn)裝置來(lái)研究放電過(guò)程中材料的蝕除過(guò)程及機(jī)理。揭示這一微觀(guān)物理過(guò)程將有助于掌握電火花加工的基本規(guī)律,進(jìn)而對(duì)脈沖電源、伺服控制系統(tǒng)、機(jī)床設(shè)備等提出更合理的設(shè)計(jì)來(lái)提高電火花加工速度和表面質(zhì)量。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬單脈沖放電過(guò)程發(fā)現(xiàn)放電過(guò)程中熔池內(nèi)部部分材料被汽化,導(dǎo)致熔池內(nèi)壓力升高,熔融材料向外膨脹形成鼓包,當(dāng)熔池內(nèi)外壓力差大于熔池的表面張力后,鼓包爆裂而熔融材料被蝕除(熔池內(nèi)壓力蝕除機(jī)理);并且放電過(guò)程中極間金屬蒸汽噴流相互作用導(dǎo)致在熔池與金屬蒸汽噴流相接觸的界面上產(chǎn)生徑向剪切力,該徑向剪切力導(dǎo)致熔融材料被蝕除(極間金屬蒸汽噴流徑向剪切力蝕除機(jī)理)。通過(guò)仿真還發(fā)現(xiàn)了放電凹坑周?chē)h(huán)狀凸起的三種形成機(jī)理,第一個(gè)形成機(jī)理為熔池內(nèi)外壓力差導(dǎo)致熔融材料沿著凹坑邊緣流動(dòng);第二個(gè)形成機(jī)理為極間金屬蒸汽噴流在熔池表面上所產(chǎn)生的徑向剪切力使得熔融材料沿著凹坑的徑向方向向四周剪切流動(dòng);第三個(gè)形成機(jī)理為蝕除材料回落至電極表面及對(duì)面電極的飛濺材料構(gòu)成了環(huán)狀凸起的一部分。構(gòu)建了單晶銅和多晶銅分子動(dòng)力學(xué)仿真模型來(lái)研究放電過(guò)程中表面變質(zhì)層內(nèi)材料微觀(guān)組織結(jié)構(gòu)的演變。當(dāng)放電發(fā)生在(100)和(110)晶面上時(shí),變質(zhì)層內(nèi)堆垛層錯(cuò)缺陷結(jié)構(gòu)以三菱錐結(jié)構(gòu)為主,當(dāng)放電發(fā)生在(111)晶面上時(shí),變質(zhì)層內(nèi)堆垛層錯(cuò)缺陷結(jié)構(gòu)以層狀結(jié)構(gòu)為主。在多晶銅電極上放電時(shí),放電凹坑及環(huán)狀凸起下方形成了大量層狀的堆垛層錯(cuò)缺陷結(jié)構(gòu),并且多晶銅電極表面變質(zhì)層內(nèi)堆垛層錯(cuò)及位錯(cuò)缺陷數(shù)量遠(yuǎn)高于單晶銅電極,說(shuō)明電火花加工單晶銅電極時(shí)更容易獲得較好的加工表面質(zhì)量�；谥芷谛赃吔鐥l件構(gòu)建了二維大尺度電極模型,并結(jié)合雙溫模型理論實(shí)現(xiàn)了分子動(dòng)力學(xué)仿真過(guò)程中自由電子熱傳導(dǎo),最終獲得了亞微米尺度的放電凹坑。二維大尺度電極的放電模擬結(jié)果表明單晶銅電極上放電所形成的表面變質(zhì)層最小,而多晶銅電極隨著晶粒尺寸的減小,放電凹坑下方的表面變質(zhì)層區(qū)域變大。通過(guò)電極絲振動(dòng)測(cè)量實(shí)驗(yàn)證實(shí)了由極間金屬蒸汽噴流(jets)相互作用所導(dǎo)致的放電反力存在,進(jìn)而證明了極間金屬蒸汽噴流相互作用理論的正確性,即放電過(guò)程中工具電極和工件電極均向極間噴射金屬蒸汽,極間金屬蒸汽噴流相互作用導(dǎo)致放電反力的產(chǎn)生,并且越容易被汽化的電極材料產(chǎn)生的放電反力越大。該放電反力會(huì)直接作用于熔池表面上,對(duì)熔池表面產(chǎn)生壓力,并對(duì)放電凹坑的形貌產(chǎn)生重要影響。在電極絲振動(dòng)實(shí)驗(yàn)測(cè)量基礎(chǔ)上,通過(guò)逆向求解法定量計(jì)算出作用于電極絲上的放電反力,計(jì)算結(jié)果表明由極間金屬蒸汽噴流相互作用所導(dǎo)致的放電反力遠(yuǎn)小于由氣泡所導(dǎo)致的放電反力。通過(guò)單脈沖放電實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分子動(dòng)力學(xué)仿真所提出的熔池內(nèi)壓力蝕除機(jī)理和極間金屬蒸汽噴流徑向剪切力蝕除機(jī)理。通過(guò)高速攝像機(jī)實(shí)現(xiàn)了對(duì)放電過(guò)程中熔池內(nèi)熔融材料的運(yùn)動(dòng)及蝕除過(guò)程的直接觀(guān)測(cè),揭示了極間金屬蒸汽噴流相互作用所導(dǎo)致的流場(chǎng)分布對(duì)材料蝕除的影響,即放電過(guò)程中熔融材料沿著電極表面切向方向被蝕除;發(fā)現(xiàn)了放電過(guò)程中熔池的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和原因,即熔池的運(yùn)動(dòng)與等離子體通道的移動(dòng)密切相關(guān);揭示了凸起狀和凹坑狀放電凹坑的形成原因,即放電凹坑形貌是熔池內(nèi)外壓力共同作用的結(jié)果;發(fā)現(xiàn)了放電間隙對(duì)材料蝕除過(guò)程的影響機(jī)理,即放電間隙是通過(guò)影響作用于熔池表面上的徑向剪切力來(lái)影響熔融材料的蝕除。在此基礎(chǔ)上提出了采用易汽化材料作為工具電極來(lái)提高工件電極上單個(gè)放電凹坑的材料蝕除量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在合適的加工條件下,該方法不但可以顯著地提高電火花加工速度,還可以降低工具電極損耗。通過(guò)高速攝像機(jī)觀(guān)測(cè)CFRPs材料的放電過(guò)程發(fā)現(xiàn),在等離子體通道高溫作用下,CFRPs材料放電點(diǎn)處會(huì)形成大量氣狀噴流(gaseous jets)以極高的速度噴入極間,產(chǎn)生噴流噴射力。當(dāng)放電發(fā)生在CFRPs平行面上時(shí),該高速?lài)娏髟趪娙霕O間過(guò)程中不斷沖擊放電點(diǎn)處的碳纖維束,使之?dāng)嗔堰M(jìn)而被拋入極間形成碳纖維蝕除屑;而當(dāng)放電發(fā)生在CFRPs垂直面上時(shí),該高速?lài)娏鲗?duì)碳纖維的蝕除影響較小。
【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(lèi)號(hào)】：TG661
【圖文】：

圖 1-1 電火花加工基本原理Fig. 1-1 Basic principle of electrical discharge machining電火花加工中每個(gè)放電過(guò)程均可被分為以下三個(gè)連續(xù)階段：極間介質(zhì)放電通道形成，電極材料蝕除和氣泡形成，極間介質(zhì)消電離和放電凹下面對(duì)上述三個(gè)過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單地介紹。a）極間介質(zhì)電擊穿和放電通道形成當(dāng)工具電極和工件電極之間施加一個(gè)脈沖電壓時(shí)，兩電極之間會(huì)形成強(qiáng)度與極間間隙成正比的電場(chǎng)。通常工具電極和工件電極的微觀(guān)表面平的，并且工作液介質(zhì)中不可避免地混有一些雜質(zhì)如蝕除屑，因此兩電場(chǎng)分布是不均勻的，當(dāng)陰極電極表面某一點(diǎn)處的場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到100V/μm陰極電極表面會(huì)向陽(yáng)極發(fā)射場(chǎng)電子，在極高電場(chǎng)作用下，陰極發(fā)射的向陽(yáng)極高速運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)撞擊工作液介質(zhì)中的粒子，從而產(chǎn)生碰撞電程會(huì)將中性粒子電離成為帶電粒子，從而導(dǎo)致帶電粒子發(fā)生雪崩，即數(shù)量急劇增加，該過(guò)程如圖 1-2a）所示。b）電極材料蝕除和氣泡形成

- 4 -c）極間介質(zhì)消電離和放電凹坑形成c）Recovery of dielectric and formation of discharge crater圖 1-2 放電過(guò)程示意圖[27]Fig. 1-2 Schematic diagram of discharge process[27]（脈沖間隔時(shí)間），使極間介質(zhì)能夠恢復(fù)到其放電前時(shí)的絕緣強(qiáng)度，并使電點(diǎn)處材料的溫度得以降低，防止下一次放電發(fā)生在同一位置而產(chǎn)生拉弧。脈沖間隔時(shí)間還可以保證放電過(guò)程中蝕除屑及時(shí)地被工作液介質(zhì)帶離，防止工作液介質(zhì)的絕緣強(qiáng)度降低。因此足夠長(zhǎng)的脈沖間隔時(shí)間可以保證過(guò)程能夠順利地進(jìn)行下去。

剪切力可將熔池中的熔融材料剪切蝕除。由上述分析可知，除 Eubank 等人提出的過(guò)熱理論外，其余蝕除機(jī)理均電火花加工過(guò)程中熔融材料的蝕除與極間氣泡密切相關(guān)。但是 Kitamura 等的觀(guān)測(cè)結(jié)果表明，當(dāng)放電發(fā)生在空氣中時(shí)，也會(huì)有大量的熔融材料被蝕除圖 1-3 所示，并且 Kitamura[36]在工作液中的放電觀(guān)測(cè)實(shí)驗(yàn)還證實(shí)從放電開(kāi)結(jié)束均有熔融材料被蝕除，而并非熔融材料的蝕除僅發(fā)生在放電結(jié)束時(shí)氣力降低的時(shí)刻。并且 Yoshida 等人[37]的研究結(jié)果表明，當(dāng)放電時(shí)間較長(zhǎng)時(shí)論是氣中放電還是工作液中放電，工件電極上放電凹坑的材料蝕除量并無(wú)差異。Kunieda 等人[38-41]還通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)電火花加工可在空氣中進(jìn)行alder[42]也證實(shí)發(fā)生在真空中的放電也會(huì)有大量熔融材料被蝕除。上述實(shí)驗(yàn)放電過(guò)程中熔融金屬材料的蝕除并不依賴(lài)于氣泡，氣泡并不是熔融材料被蝕除的根本原因，因此上述與氣泡相關(guān)的蝕除理論并未從根本上揭示電火工中熔融金屬材料的蝕除機(jī)理，而盡管 Eubank 等人提出的過(guò)熱理論并不際的放電過(guò)程相違背，但是缺少相關(guān)的仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。綜上所述，到目止，電火花加工中熔融金屬材料的蝕除機(jī)理仍未被完全揭示。

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本文編號(hào)：2804169