电火花加工材料蚀除机理及表面变质层形成研究

发布时间：2020-08-25 20:38

【摘要】：尽管电火花加工技术已经发展了七十余年,但是电火花加工过程中熔融材料是如何被蚀除掉的至今尚未被揭示。因此电火花加工中存在的两大瓶颈难题至今无法从本质上被解决:即较低的加工速度和较差的加工表面质量。为了解决上述难题,本文采用了先进的仿真技术和实验装置来研究放电过程中材料的蚀除过程及机理。揭示这一微观物理过程将有助于掌握电火花加工的基本规律,进而对脉冲电源、伺服控制系统、机床设备等提出更合理的设计来提高电火花加工速度和表面质量。通过分子动力学模拟单脉冲放电过程发现放电过程中熔池内部部分材料被汽化,导致熔池内压力升高,熔融材料向外膨胀形成鼓包,当熔池内外压力差大于熔池的表面张力后,鼓包爆裂而熔融材料被蚀除(熔池内压力蚀除机理);并且放电过程中极间金属蒸汽喷流相互作用导致在熔池与金属蒸汽喷流相接触的界面上产生径向剪切力,该径向剪切力导致熔融材料被蚀除(极间金属蒸汽喷流径向剪切力蚀除机理)。通过仿真还发现了放电凹坑周围环状凸起的三种形成机理,第一个形成机理为熔池内外压力差导致熔融材料沿着凹坑边缘流动;第二个形成机理为极间金属蒸汽喷流在熔池表面上所产生的径向剪切力使得熔融材料沿着凹坑的径向方向向四周剪切流动;第三个形成机理为蚀除材料回落至电极表面及对面电极的飞溅材料构成了环状凸起的一部分。构建了单晶铜和多晶铜分子动力学仿真模型来研究放电过程中表面变质层内材料微观组织结构的演变。当放电发生在(100)和(110)晶面上时,变质层内堆垛层错缺陷结构以三菱锥结构为主,当放电发生在(111)晶面上时,变质层内堆垛层错缺陷结构以层状结构为主。在多晶铜电极上放电时,放电凹坑及环状凸起下方形成了大量层状的堆垛层错缺陷结构,并且多晶铜电极表面变质层内堆垛层错及位错缺陷数量远高于单晶铜电极,说明电火花加工单晶铜电极时更容易获得较好的加工表面质量。基于周期性边界条件构建了二维大尺度电极模型,并结合双温模型理论实现了分子动力学仿真过程中自由电子热传导,最终获得了亚微米尺度的放电凹坑。二维大尺度电极的放电模拟结果表明单晶铜电极上放电所形成的表面变质层最小,而多晶铜电极随着晶粒尺寸的减小,放电凹坑下方的表面变质层区域变大。通过电极丝振动测量实验证实了由极间金属蒸汽喷流(jets)相互作用所导致的放电反力存在,进而证明了极间金属蒸汽喷流相互作用理论的正确性,即放电过程中工具电极和工件电极均向极间喷射金属蒸汽,极间金属蒸汽喷流相互作用导致放电反力的产生,并且越容易被汽化的电极材料产生的放电反力越大。该放电反力会直接作用于熔池表面上,对熔池表面产生压力,并对放电凹坑的形貌产生重要影响。在电极丝振动实验测量基础上,通过逆向求解法定量计算出作用于电极丝上的放电反力,计算结果表明由极间金属蒸汽喷流相互作用所导致的放电反力远小于由气泡所导致的放电反力。通过单脉冲放电实验验证了分子动力学仿真所提出的熔池内压力蚀除机理和极间金属蒸汽喷流径向剪切力蚀除机理。通过高速摄像机实现了对放电过程中熔池内熔融材料的运动及蚀除过程的直接观测,揭示了极间金属蒸汽喷流相互作用所导致的流场分布对材料蚀除的影响,即放电过程中熔融材料沿着电极表面切向方向被蚀除;发现了放电过程中熔池的运动规律和原因,即熔池的运动与等离子体通道的移动密切相关;揭示了凸起状和凹坑状放电凹坑的形成原因,即放电凹坑形貌是熔池内外压力共同作用的结果;发现了放电间隙对材料蚀除过程的影响机理,即放电间隙是通过影响作用于熔池表面上的径向剪切力来影响熔融材料的蚀除。在此基础上提出了采用易汽化材料作为工具电极来提高工件电极上单个放电凹坑的材料蚀除量。实验结果表明在合适的加工条件下,该方法不但可以显著地提高电火花加工速度,还可以降低工具电极损耗。通过高速摄像机观测CFRPs材料的放电过程发现,在等离子体通道高温作用下,CFRPs材料放电点处会形成大量气状喷流(gaseous jets)以极高的速度喷入极间,产生喷流喷射力。当放电发生在CFRPs平行面上时,该高速喷流在喷入极间过程中不断冲击放电点处的碳纤维束,使之断裂进而被抛入极间形成碳纤维蚀除屑;而当放电发生在CFRPs垂直面上时,该高速喷流对碳纤维的蚀除影响较小。
【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
【图文】：

电场分布,电火花加工,基本原理,极间介质

图 1-1 电火花加工基本原理Fig. 1-1 Basic principle of electrical discharge machining电火花加工中每个放电过程均可被分为以下三个连续阶段：极间介质放电通道形成，电极材料蚀除和气泡形成，极间介质消电离和放电凹下面对上述三个过程进行简单地介绍。a）极间介质电击穿和放电通道形成当工具电极和工件电极之间施加一个脉冲电压时，两电极之间会形成强度与极间间隙成正比的电场。通常工具电极和工件电极的微观表面平的，并且工作液介质中不可避免地混有一些杂质如蚀除屑，因此两电场分布是不均匀的，当阴极电极表面某一点处的场强达到100V/μm阴极电极表面会向阳极发射场电子，在极高电场作用下，阴极发射的向阳极高速运动过程中会撞击工作液介质中的粒子，从而产生碰撞电程会将中性粒子电离成为带电粒子，从而导致带电粒子发生雪崩，即数量急剧增加，该过程如图 1-2a）所示。b）电极材料蚀除和气泡形成

示意图,放电过程,示意图,极间介质

- 4 -c）极间介质消电离和放电凹坑形成c）Recovery of dielectric and formation of discharge crater图 1-2 放电过程示意图[27]Fig. 1-2 Schematic diagram of discharge process[27]（脉冲间隔时间），使极间介质能够恢复到其放电前时的绝缘强度，并使电点处材料的温度得以降低，防止下一次放电发生在同一位置而产生拉弧。脉冲间隔时间还可以保证放电过程中蚀除屑及时地被工作液介质带离，防止工作液介质的绝缘强度降低。因此足够长的脉冲间隔时间可以保证过程能够顺利地进行下去。

气中放电,过程观

剪切力可将熔池中的熔融材料剪切蚀除。由上述分析可知，除 Eubank 等人提出的过热理论外，其余蚀除机理均电火花加工过程中熔融材料的蚀除与极间气泡密切相关。但是 Kitamura 等的观测结果表明，当放电发生在空气中时，也会有大量的熔融材料被蚀除图 1-3 所示，并且 Kitamura[36]在工作液中的放电观测实验还证实从放电开结束均有熔融材料被蚀除，而并非熔融材料的蚀除仅发生在放电结束时气力降低的时刻。并且 Yoshida 等人[37]的研究结果表明，当放电时间较长时论是气中放电还是工作液中放电，工件电极上放电凹坑的材料蚀除量并无差异。Kunieda 等人[38-41]还通过实验证实电火花加工可在空气中进行alder[42]也证实发生在真空中的放电也会有大量熔融材料被蚀除。上述实验放电过程中熔融金属材料的蚀除并不依赖于气泡，气泡并不是熔融材料被蚀除的根本原因，因此上述与气泡相关的蚀除理论并未从根本上揭示电火工中熔融金属材料的蚀除机理，而尽管 Eubank 等人提出的过热理论并不际的放电过程相违背，但是缺少相关的仿真和实验验证。综上所述，到目止，电火花加工中熔融金属材料的蚀除机理仍未被完全揭示。

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