颗粒型复合材料电火花加工材料蚀除过程研究

发布时间：2020-04-29 20:27

【摘要】：颗粒型复合材料因其在金属基体材料内加入硬质颗粒,使得其力学性质得到有效的强化。因此,具有良好机械性能的颗粒型复合材料被广泛应用于航空航天、加工制造等领域。由于颗粒型复合材料具有高强度、高硬度等特点,传统的机械加工方法进行加工比较困难,而且加工效率低。电火花加工技术避开了接触加工而产生的一些弊端,被认为是加工颗粒型复合材料的有效手段。但目前对于其材料蚀除机理的研究甚少,影响了其在各个领域的应用。因此,本文从材料的热蚀及抛出机理进行讨论与分析,并对不同电加工参数和电极材质等方面对颗粒型复合材料电火花加工材料热蚀及抛出、颗粒夹带的运动过程以及放电凹坑形成的影响进行了研究。(1)对电火花加工单脉冲放电能量、热源以及抛出作用机理进行分析,建立单脉冲电火花加工热源的数学模型。基于自由射流的原理、气体流动理论以及津格尔蔓的激波压力公式进行整理和推导,最终得出关于电火花加工金属蒸汽炬力的数学表达式,作为电火花加工材料抛出过程的仿真基础。考虑颗粒型复合材料的多相特性,建立颗粒型复合材料电火花加工材料蚀除过程的仿真模型。(2)对颗粒型复合材料单脉冲放电材料热蚀过程进行仿真,分析了随着脉冲时间的进行工件温度场分布以及熔池在半径和深度方向尺寸的变化情况,并研究峰值电压、脉冲宽度以及电极材质对工件材料表面产生熔池尺寸的影响。通过仿真结果的对比分析得出相应的规律。(3)基于材料热蚀仿真结果所产生的熔池,考虑熔池内颗粒和熔融金属基体材料的固流耦合环境,进行单脉冲放电材料抛出过程分析。得到当金属蒸汽炬冲击熔池时,其产生冲击波的速度场分布以及颗粒与金属基体的整个运动过程。并研究了峰值电压、脉冲宽度与电极材质产生的蒸汽炬力对材料去除的影响,得到随着峰值电压、脉冲宽度的增大以及电极材质不同,放电凹坑半径和深度的变化规律。对仿真结果进行试验验证,结果表明仿真模型在半径方向误差小于10%,模型能够相对较准确的预测放电凹坑尺寸及形貌。
【图文】：

硬质颗粒,加工效率,加工方法,加工精度

又具有很高的耐磨和耐热性能，采用颗粒型复合材料制成的航空零部件其使逡逑用寿命是传统金属或合金材料的几到几十倍，因此逐渐成为材料研发和制造领域的研宄逡逑热点，如图１所示。典型的颗粒型复合材料有ＳｉＣｐ／Ａｌ，Ａ１２０３／Ａ１，ＳｉＣＰ／Ｍｇ，邋Ｂ４ＣＰ／Ｍｇ，逡逑ＴｉＣ／Ｔｉ，ＷＣ／Ｎｉ等，其颗粒的尺寸一般在ｌｐｍ？ｌ0ｎｍ［１—３］。逡逑灥．．＇二逡逑（ａ）颗粒型复合材料刹车片逦（ｂ）颗粒型复合材料飞机发动机壳体逡逑图１．１颗粒型复合材料的应用逡逑Ｆｉｇ．邋１．１邋Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｐａｒｔｉｃｌｅ邋Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｄ邋Ｍｅｔａｌ邋Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ邋Ｍａｔｅｒｉａｌ逡逑虽然颗粒型复合材料有如此多的优点，但是由于其内部的硬质颗粒使得加工带来巨逡逑大的困难，采用常规机械加工方法除了会在切削过程中产生高温和高应力外，还会引起逡逑剧烈的刀具磨损，导致加工条件恶化，刀具寿命短，加工效率低等问题，加工精度和表逡逑面质量难以保证。尤其当硬质颗粒含量较高时，加工精度和表面质量难以保证，严重影逡逑响其加工效率，甚至无法对其进行加工［４］。并且当考虑制造十分复杂的腔型结构的零件逡逑时，传统的加工方法也无法满足加工需求。除了考虑刀具参数，在加工工艺方面，由于逡逑颗粒型复合材料零件主要通过烧结成型的制备方法

过程图,蒸汽,复合材料,过程

汽炬力的数学模型逡逑电火花加工过程中金属蒸汽产生的研宄相对较少，查阅大量文献得到关高温的汽化过程。金属蒸汽产生的主要机理可简单叙述如下，产生金属周期内的变化可分为４个阶段：即材料蒸发阶段、金属蒸汽激增阶段、离阶段、分离后的金属蒸汽团逐渐消散阶段。这里可以把蒸汽炬力作用为：在一次火花放电加工过程中，由于放电通道内部高温可使得电极端汽化，如此快的蒸发速度足以产生大量蒸汽和能量以及非常大的冲击压）。汽化金属材料克服电极的金属表面张力作用，射出电极端面并对相生强大的冲击效果，熔融态的金属基体材料和颗粒材料被冲击离开熔池的去除。逡逑电火花加工中蒸汽炬力的大小如何确定，，国内外学者在此方面做的研究［３２＞４４］可以了解到，当激光束照射作用在铝材料表面时，由于金属的汽化瞬间膨胀并喷离铝靶表面。产生的金属蒸汽的运动状态类似于从小孔喷态。如图２．４所示，为激光与铝靶相互作用产生点源辐射并在靶上烧出
【学位授予单位】：大连交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661;TB33

【参考文献】