基于热-流耦合分析的电火花加工材料蚀除及表面质量研究

发布时间：2020-06-07 03:43

【摘要】：作为一种非接触加工方法,电火花加工利用电极与工件间火花放电产生的瞬时高温进行材料蚀除。由于宏观加工力小且不受加工材料硬度、强度等方面的限制,电火花加工已成为一种不可或缺的材料加工技术。电火花加工放电过程中,被加工材料受热会发生熔化或汽化,而熔化或汽化后的材料不可避免地涉及到流体动力学问题。然而,电火花加工中火花放电发生在极小的空间和极短的时间里,通过实验手段直接进行材料蚀除过程的研究难度很大,因此目前对电火花加工材料蚀除过程中的热、流问题仍没有统一认识。近年来,快速发展的计算机仿真技术为该问题的突破提供了一个很好的思路和途径。基于以上分析,本文利用有限元多物理场耦合方法对电火花加工材料蚀除过程及相关理论进行研究,从热-流耦合的角度探索电火花放电过程中材料蚀除机制及其相关物理现象,同时通过单脉冲以及连续脉冲实验对仿真结果进行了验证。本文研究工作对优化电火花加工过程能够起到一定的理论支持,同时对丰富电火花加工基础理论也具有积极的意义。首先对放电过程中能量转换与传输、熔融材料表面跳变现象进行了系统分析。在综合考虑材料传热、相变、流体流动、界面运动等物理问题的基础上,创新性地建立了电火花放电过程中材料蚀除热-流耦合模型。采用水平集方法对固体材料/流体材料与气体材料之间的自由界面进行追踪,实现了电火花放电过程中放电凹坑形貌演变和放电屑运动的可视化。研究了单脉冲放电过程中材料蚀除方式和蚀除特点。结果表明,在放电初始阶段材料以汽化形式蚀除,之后主要是通过熔融飞溅的方式进行蚀除,而且熔融飞溅蚀除强度远大于汽化蚀除强度。受热区域温度分布显示,凹坑形成过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层。在本文研究条件下,熔融材料的蚀除率仅为7.63%左右。放电结束时刻,放电凹坑直径和深度达到最大值,放电结束后熔融材料的回流会使放电凹坑尺寸略有减少。单脉冲放电实验结果显示,仿真得到的凹坑与实验产生的凹坑在形貌和尺寸方面具有较好的一致性,验证了所提出模型的正确性以及热-流耦合机制在解释电火花加工中材料蚀除过程方面的可行性。通过分析熔融材料和汽化材料的压强分布及速度场分布,从流体动力学角度揭示了熔融材料飞溅蚀除的内在动力和凹坑形貌的影响因素。研究发现,随着材料热相变的发生,熔融区内部压强发生变化,在深度方向和径向方向形成压强梯度,而熔融材料飞溅蚀除的驱动力主要来自于其内部与表面存在的巨大压强差。放电过程中受熔融材料剪切流动的影响,放电凹坑轮廓发生变化且其周围翻边凸起由尖锐逐渐趋于平滑。双极仿真结果表明,放电过程中电极与工件产生的放电屑在极间发生碰撞,同时,高速运动的放电屑能够对对方熔融材料的蚀除起到抑制或促进作用。将残余应力方程和金相相变方程与电火花加工热-流耦合模型相融合,对单脉冲放电过程中放电凹坑表面产生的热致相变层进行了研究,分析了热致相变层的厚度、金相组织、残余应力分布以及峰值电流和脉冲宽度对它们的影响。对于单个放电凹坑,熔融再凝固层和热影响层厚度在放电凹坑中心最小,随着靠近凹坑的边缘两者均逐渐增加。同时,熔融再凝固层经历了完全马氏体转变,是导致表面硬度提高的一个重要原因。从放电凹坑表面,Von Mises应力沿深度方向先增大后减小,在熔融再凝固层和热影响层界面附近达到峰值。相对于放电时间,峰值电流对熔融再凝固层厚度影响更为显著,而放电时间对最大残余应力及其深度位置影响更大。建立了包括放电位置随机和放电持续时间随机的连续脉冲放电计算模型,实现了材料的时变、动态蚀除过程模拟。采用仿真与实验相结合的方法,对凹坑叠加以及加工表面形貌特点和变化规律进行了分析,同时对连续脉冲放电过程中温度场分布、熔融再凝固层厚度分布等进行了详细研究。实验结果表明,所建连续脉冲放电模型对电火花加工表面粗糙度及熔融再凝固层厚度能够起到一定的预测效果。
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热源模型,电火花加工过程,理论模型

图 1-7 能量分配比例与放电持续时间关系[29].1-7 Relation between energy distribution ratio and discharge duratio点等效热源模型研究现状工中，高温等离子体通道对电极和工件材料的等效热表面热源两种研究方法[15]。一般认为表面热源相对于体程中产生的热效应更为接近，因此研究材料蚀除的过程的方式施加到电极和工件表面。to 等人[31]提出了阴极点热源模型，，并将其应用于电火花研究中。点热源模型在简化边界条件方面显示了极大的的等离子体通道模型，只将恒定功率作为边界条件输入础上，Patel[32]等人提出阳极表面扩大的热源模型，与极界面处的边界条件仍然是输入功率作为热源，并且热8 所示为其建立的电火花加工过程热源理论模型。

白层,母材

图 1-11 不同加工极性放电凹坑形貌[36]ig.1-11 Morphology of crater with different discharge polarity in EDM新家一朗等人[37]还对母材和白层上的放电凹坑形貌进行了图 1-12 所示。结果表明，在白层上加工得到的放电凹坑形的放电凹坑形貌表现出不同的光滑程度，白层上的放电凹，白层上放电去除体积明显小于母材放电去除体积。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661

【参考文献】