短电弧铣削过程中温度场与应力场的数值模拟研究

发布时间：2020-03-21 15:32

【摘要】：短电弧铣削加工是特种加工技术范畴的一种方式,是一种非接触式电加工方法,针对特殊性能合金材料行而有效。新型合金材料和新结构广泛应用到航空、航天及船舶等领域,对于现代工业装备的可生产性和可加工性提出更高的要求,采用常规机械加工难以胜任。对于加工高性能的合金材料,短电弧加工技术具有不受材料硬度限制等一些优势特点。近几年来,对于短电弧铣削加工理论的研究,停留在基础层面上,这是由于短电弧铣削过程复杂性导致的。对于短电弧铣削加工蚀除过程的研究,更多的是在实验层面分析。计算机仿真技术广泛应用到放电加工研究中,其中以有限元法为代表计算机数值仿真软件是研究其复杂过程较为有效的工具,短电弧铣削加工工件过程中进行温度场与应力场仿真研究,并且通过实际铣削加工实验的结果对仿真模型的正确性进行验证,并对比分析。本文应用ANSYS分析软件,对短电弧铣削加工镍基高温合金进行数值模拟研究,得到温度场与应力场的仿真结果。通过对加工效率(材料蚀除量)与加工表面质量等进行分析研究,确定脉冲电压和进给速度为影响铣削过程的主要参数。结合短电弧实际铣削过程,为非线性瞬态热分析过程。选择适合短电弧铣削加工的热源模型,建立模型并划分网格,设定边界条件,采用APDL语言编程实现了移动热流密度的加载等一系列仿真过程,对温度场进行求解分析。仿真结果表明:脉冲电压增大,热源移动到模型中点的最高温度呈现线性增加;进给速度增加,热源移动到模型中点的最高温度也随之减少。通过对工件材料的熔点温度设定,从而从仿真云图中得出放电凹槽宽度、深度方向的尺寸变化规律大小。通过温度场分析后,继而对应力场进行顺序求解。将求得的单元节点的温度作为体载荷施加到结构应力分析中去,从而得到短电弧铣削加工镍基高温合金数值仿真的残余应力的分布情况。利用短电弧数控机床进行铣削实验,与ANSYS软件得到的温度场仿真结果进行对比分析,结果表明:短电弧铣削加工脉冲电压越大,放电凹槽宽度和深度呈现一定规律的增大;随着进给速度的增大,放电凹槽的宽度和深度会有下降趋势;其仿真材料蚀除量与实验得到材料蚀除量结果相近。从而证明了模型有着很好的预测精度,进而为短电弧铣削加工提供一定的理论基础。
【图文】：

示意图,短电弧,铣削,原理

第二章短电弧铣削加工机理及数值模拟方法2.1 短电弧铣削加工基本机理2.1.1 短电弧放电通道的形成短电弧铣削加工是通过基于两极间瞬时放电时的产生大量热量应来蚀除金属材料，从而满足对预定工件的加工要求，如工件尺寸与形状。短电弧铣削加工的主要原理是工具电极和工件电极之间的放电通道内在极短的时间内产生高温使待加工工件表层局部熔化，甚至气化，再通过一定压力水气混合工作介质去除，，短电弧弧铣削实际加工过程，放电通道的形成过程是很不稳定的，容易受到外界的干扰[43]。图 2.1 为短电弧铣削原理示意图。

分布图,放电通道,内能,分布图

图 2.2 放电通道内能量分布图2.1.3 材料抛出过程分析当短电弧铣削加工时，两电极极间的介质击穿后，放电通道中的高温电弧等离子体将会以高速冲击阳极和阴极，使工件材料的温度会在极其短的时间内加热到熔点，从而工件表面材料被熔化甚至被气化，一定压力的气液混合的工作液也被气化。在此过程中，两电极间的电弧等离子体会出现振荡效应，少数工件材料也将会被排出放电通道。这就造成短电弧铣削放电的电蚀产物的抛出机理与电火花放大相径庭。通过短电弧铣削实验研究发现，采用高压气液混合介质通入到短电弧铣削通道得到放电凹坑的大小要比普通气液混合的要大，材料蚀除的效率也相应较大，而且在放电凹坑会顺着气液吹除方向有一定程度的延伸，以上这些都证明了高压
【学位授予单位】：新疆大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661

【参考文献】