微细电火花加工放电特性及蚀除机制的分子动力学仿真

发布时间：2017-08-01 03:26

  本文关键词：微细电火花加工放电特性及蚀除机制的分子动力学仿真

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【摘要】：电火花加工具有极其复杂的极间现象,并且其加工过程具有较大的随机性,材料蚀除过程发生在极短的时间和极小的空间内,使得实验观察其加工过程中各种现象的物理本质非常困难,所以电火花加工放电蚀除机理尚未被研究明确,严重限制着其发展空间。为从微观动力学角度分析电火花加工过程及其材料蚀除机理,本课题利用分子动力学方法,通过改进原有的能量输入方式与热源施加模型,对单脉冲微细电火花加工过程中工件材料的蚀除机制,放电凹坑形貌的形成过程进行了分子动力学仿真研究。研究表明,放电开始后,电极表面材料就发生了蚀除,并且电极材料的蚀除主要发生在放电持续时间内。且放电开始后,放电凹坑深度迅速增加,之后又逐渐变浅,直到放电结束后,其深度逐渐趋于稳定。造成这种现象的原因有三个:首先是因为有部分进入极间的已蚀除原子与其它在运动中的原子发生碰撞又重新回落到凹坑底部;其次是由于部分熔融区原子重新流回到凹坑底部;三是放电结束后,凹坑表面形成了晶格无序的熔融再凝固层,使得该区域内材料密度有所降低。同时,在对工件内熔融区压力的分析中发现,电火花加工放电期间,电极内部静水压力值明显高于电极表面静水压力,放电期间沿熔融区深度方向上形成的由电极内部指向电极表面的静水压力梯度分布是电火花加工过程中熔融区内电极材料去除的主要动力。本课题还对工件表面变质层特性进行了研究,发现在放电初期,表面变质层沿深度方向扩张剧烈,随后随放电通道的膨胀沿径向方向扩张明显,但在放电结束后,由于电极内部残余的热量仍然在进行热传导,使得工件的表面变质层持续扩张。且电极表面熔融区域范围在放电结束时刻左右达到最大,大部分熔融材料残留在凹坑表面从而形成了熔融再凝固层。同时发现,放电结束后热影响层仍然在扩张,但最终熔融再凝固层范围要远大于热影响层范围。此外,极微小能量下电火花加工的仿真结果表明,若放电功率选取合适,在微细电火花加工中可以使得材料熔化但不发生蚀除。同时,为更贴合实际电火花加工,本课题还对多晶材料的电火花加工过程进行了仿真研究,研究表明,与单晶材料的蚀除过程相似,放电开始电极材料即发生了蚀除,同时由于晶界的存在,多晶材料多以体积较大的原子团簇形式被蚀除。放电结束后,由于热源残余热量的热传导作用,使得电极内部材料的金相组织继续发生变化,其表面形成较为明显的热影响区。
【关键词】：微细电火花加工 分子动力学 放电凹坑 静水压力 表面变质层
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG661
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-10
• 第1章 绪论10-20
• 1.1 课题背景及研究的目的和意义10-12
• 1.2 国内外相关领域的研究现状12-19
• 1.2.1 电火花加工机理的研究现状12-16
• 1.2.2 分子动力学仿真的研究现状16-19
• 1.3 课题主要研究内容19-20
• 第2章 微细电火花加工的分子动力学建模20-34
• 2.1 分子动力学的基本理论及方法20-27
• 2.1.1 分子动力学基本原理20-21
• 2.1.2 分子动力学模型的初始化21
• 2.1.3 分子动力学的势函数与力场的截断21-24
• 2.1.4 分子动力学中的边界条件24-25
• 2.1.5 分子动力学系统系综及其控制25-27
• 2.1.6 分子动力学模拟软件27
• 2.2 微细电火花加工的分子动力学模型27-33
• 2.2.1 模型的初始化27-29
• 2.2.2 势函数的表示29-30
• 2.2.3 热源模型和能量的输入30-32
• 2.2.4 高斯热源的实现32-33
• 2.3 本章小结33-34
• 第3章 单晶铜微细电火花加工放电蚀除机理分析34-50
• 3.1 放电凹坑形成过程34-37
• 3.2 熔融再凝固层及热影响层分析37-40
• 3.2.1 电极材料表面变质层分析38-39
• 3.2.2 熔融再凝固层和热影响层分析39-40
• 3.3 微细电火花加工电极材料蚀除特点40-46
• 3.3.1 静水压力计算40-41
• 3.3.2 熔融区静水压力分析41-42
• 3.3.3 熔融区材料的速度与加速度矢量分布42-45
• 3.3.4 材料蚀除时间45-46
• 3.4 放电凹坑的实验结果分析46-48
• 3.5 本章小结48-50
• 第4章 极微小能量的单晶铜电火花加工及多晶铜电火花加工模拟分析50-59
• 4.1 极微小能量的单晶铜电火花加工过程模拟分析50-55
• 4.1.1 极微小能量的单晶铜电火花加工仿真结果分析50-53
• 4.1.2 极微小能量的电火花加工电极材料径向分布函数分析53-55
• 4.2 多晶铜微细电火花加工蚀除过程模拟分析55-58
• 4.2.1 多晶铜微细电火花加工模型建立55-56
• 4.2.2 多晶铜微细电火花加工放电蚀除特性56-58
• 4.3 本章小结58-59
• 结论59-61
• 参考文献61-66
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文66-68
• 致谢68

【参考文献】

中国硕士学位论文全文数据库 前2条

1 高振兴;聚合物/微孔混合体系粘度的分子动力学计算[D];郑州大学;2010年

2 周凤龙;微小能量下电火花加工过程的分子动力学模拟[D];哈尔滨工业大学;2011年

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本文编号：602346