薄壁类零件电火花线切割加工的热变形行为机理与抑制方法

发布时间：2020-04-24 20:26

【摘要】：薄壁类零件具有重量轻、比强度高、节约材料等特点,在航天、精密机床等领域中得到了大量的应用,如飞机中的薄壁框体、可倾瓦轴承等。该类零件在传统机械方式加工过程中会受到切削力、振动等因素的作用,发生较大的变形。电火花加工是一种重要的特种加工工艺,在加工过程中对工件没有宏观作用力,因此是加工薄壁类零件的理想工艺。但是由于薄壁类零件自身刚性较差,所以容易受热应力影响产生较大的热弹塑性变形,而且电加工蚀除过程改变了薄壁类零件的壁厚与发生热变形的材料体积,对于热变形产生了重要而且复杂的影响,这导致薄壁类零件的热变形难以控制,制约了电火花线切割工艺在薄壁类零件加工领域的应用。因此,本文针对电火花线切割加工热变形行为机理,主要从蚀除过程及其对热变形的影响以及线切割热源模型两方面开展研究,最终实现抑制热变形的目的,主要研究内容如下:针对不同电加工蚀除方式对等效蚀除温度的影响难以定量描述的问题,建立了分子动力学仿真平台,通过模拟不同能量下原子在加工过程中的动力学行为,计算出不同蚀除方式下的等效蚀除温度,研究工件的蚀除方式对等效蚀除温度的影响。通过模拟结果发现,在低能量条件下,材料主要以单个原子或者小原子团的形式蚀除,这种蚀除方式下的等效蚀除温度较高;而在高能量下,材料主要会以分解为较大的颗粒的形式蚀除,这种蚀除方式下的等效蚀除温度较低。本章的研究将难以观测的电加工蚀除方式实现可视化,在微观尺度上研究了输入能量对蚀除量的影响。针对分子动力学模型模拟时间过短与模拟尺寸过小的问题,基于比放电能理论,提出了一种可以在实际加工尺度与时间上对薄壁类零件蚀除量预测的动态等效蚀除温度模型。本文首先完善了比放电能的概念,提出了一种基于比放电能的数值预测方法,该方法通过对铝、Inconel 718和SUS 304这三种成分差异较大的材料的计算与实验得到了验证,实验发现比放电能相近的材料,如SUS 304与Inconel 718,他们在相同加工条件下的蚀除率与表面形貌也相近。针对该模型只能准确预测熔化蚀除方式的问题,结合能量与比放电能之间的关系,将该模型进一步推广应用到以汽化为主的蚀除方式,并最终提出动态等效蚀除温度模型。本章建立了不同加工条件下不同蚀除方式的动态等效蚀除温度模型,实现了薄壁类零件电加工蚀除量计算。针对电极丝振动对薄壁类零件表面热应力分布的复杂影响,建立了线切割加工的振动-高斯连续脉冲热源模型。本文首先对电极丝的振动规律进行研究,并分别在不同方向上研究了电极丝振动对放电点分布的影响,之后将电极丝的振动对放电点分布的影响引入到单脉冲热源模型中,提出了电火花线切割连续脉冲热源模型,并利用并行计算的方式求解出不同振动条件下的热源分布;在此基础上进一步优化模型,得到了简化的振动-高斯热源模型,显著地提高了计算效率。该模型的有效性通过与实验结果比较再铸层厚度得到了验证。在蚀除对于热变形影响的研究与线切割振动-高斯热源模型的基础上,建立了蚀除过程中的电火花线切割加工的热弹塑性有限元模型,模拟工件在加工中的蚀除-变形过程。该模型采用Python-Fortran混合编程的方式在计算过程中实现电加工热源移动、融化的单元自动识别与自动删除等功能,这样避免了被蚀除的单元参与到弹塑性变形的计算中。该模型证明了本文提出的电火花线切割的热变形量会随着蚀除量的增大而减小的理论,解释了在输入能量较大的条件下热变形会随着输入能量变大而变小的实验现象。针对薄壁类零件热变形难以控制的问题,提出了一种基于镜像补偿与响应曲面设计的电火花线切割加工轨迹补偿方法,有效地抑制了薄壁梁的热变形,直线度误差降低了95%以上,该方法进一步推广到其他形状的薄壁类零件的电火花线切割加工上,通过对边长5cm的正方形薄壁框加工进行验证,加工累积误差低于20μm。该补偿方法应用在壁厚仅有0.1mm的超薄电极阵列的加工上,薄壁的直线度误差被控制在1μm以内。除了热变形的抑制研究外,本文还利用热变形现象,通过BPNN-MEA算法对热变形的预测,实现了曲面薄壁类零件的加工,最后通过不同曲率、不同厚度的工件得到验证。
【图文】：

高速重载,可倾瓦轴承,轴径,机床

图 1.1 应用在高速重载机床上的可倾瓦轴承，壁厚为轴径的 2‰[2]课题研究目的及意义项目以控制电火花线切割工艺加工薄壁类零件的热变形为目标，通过建立电境下的电加工分子动力学模型、连续脉冲条件下的电火花线切割热源模型、场作用下电极丝振动模型等手段，研究电加工的蚀除过程、线切割过程中的位置分布，，进而预测加工过程中工件表面的温度分布，实现不同加工条件下类零件热变形的预测，并将此研究成果集成到数控系统中，对不同材料不同线切割加工的热变形进行控制，降低形位误差，最终实现薄壁类零件电火花工艺的精密加工。

示意图,激光熔覆,熔覆,原理

华中科技大学博士学位论文熔覆加工是一种快速无模加工方式，这种工艺使用激光将粉末状的熔覆熔覆材料冷凝后与基材融为一体，这样通过熔覆材料的层层堆积，达到零尺寸，通过一定的后处理后完成零件的加工，加工原理如图 1.2 所示，这式具有周期短、成本低的优点[7]。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG484

【参考文献】