【摘要】：薄壁類零件具有重量輕、比強(qiáng)度高、節(jié)約材料等特點(diǎn),在航天、精密機(jī)床等領(lǐng)域中得到了大量的應(yīng)用,如飛機(jī)中的薄壁框體、可傾瓦軸承等。該類零件在傳統(tǒng)機(jī)械方式加工過程中會(huì)受到切削力、振動(dòng)等因素的作用,發(fā)生較大的變形。電火花加工是一種重要的特種加工工藝,在加工過程中對(duì)工件沒有宏觀作用力,因此是加工薄壁類零件的理想工藝。但是由于薄壁類零件自身剛性較差,所以容易受熱應(yīng)力影響產(chǎn)生較大的熱彈塑性變形,而且電加工蝕除過程改變了薄壁類零件的壁厚與發(fā)生熱變形的材料體積,對(duì)于熱變形產(chǎn)生了重要而且復(fù)雜的影響,這導(dǎo)致薄壁類零件的熱變形難以控制,制約了電火花線切割工藝在薄壁類零件加工領(lǐng)域的應(yīng)用。因此,本文針對(duì)電火花線切割加工熱變形行為機(jī)理,主要從蝕除過程及其對(duì)熱變形的影響以及線切割熱源模型兩方面開展研究,最終實(shí)現(xiàn)抑制熱變形的目的,主要研究?jī)?nèi)容如下:針對(duì)不同電加工蝕除方式對(duì)等效蝕除溫度的影響難以定量描述的問題,建立了分子動(dòng)力學(xué)仿真平臺(tái),通過模擬不同能量下原子在加工過程中的動(dòng)力學(xué)行為,計(jì)算出不同蝕除方式下的等效蝕除溫度,研究工件的蝕除方式對(duì)等效蝕除溫度的影響。通過模擬結(jié)果發(fā)現(xiàn),在低能量條件下,材料主要以單個(gè)原子或者小原子團(tuán)的形式蝕除,這種蝕除方式下的等效蝕除溫度較高;而在高能量下,材料主要會(huì)以分解為較大的顆粒的形式蝕除,這種蝕除方式下的等效蝕除溫度較低。本章的研究將難以觀測(cè)的電加工蝕除方式實(shí)現(xiàn)可視化,在微觀尺度上研究了輸入能量對(duì)蝕除量的影響。針對(duì)分子動(dòng)力學(xué)模型模擬時(shí)間過短與模擬尺寸過小的問題,基于比放電能理論,提出了一種可以在實(shí)際加工尺度與時(shí)間上對(duì)薄壁類零件蝕除量預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)等效蝕除溫度模型。本文首先完善了比放電能的概念,提出了一種基于比放電能的數(shù)值預(yù)測(cè)方法,該方法通過對(duì)鋁、Inconel 718和SUS 304這三種成分差異較大的材料的計(jì)算與實(shí)驗(yàn)得到了驗(yàn)證,實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)比放電能相近的材料,如SUS 304與Inconel 718,他們?cè)谙嗤庸l件下的蝕除率與表面形貌也相近。針對(duì)該模型只能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)熔化蝕除方式的問題,結(jié)合能量與比放電能之間的關(guān)系,將該模型進(jìn)一步推廣應(yīng)用到以汽化為主的蝕除方式,并最終提出動(dòng)態(tài)等效蝕除溫度模型。本章建立了不同加工條件下不同蝕除方式的動(dòng)態(tài)等效蝕除溫度模型,實(shí)現(xiàn)了薄壁類零件電加工蝕除量計(jì)算。針對(duì)電極絲振動(dòng)對(duì)薄壁類零件表面熱應(yīng)力分布的復(fù)雜影響,建立了線切割加工的振動(dòng)-高斯連續(xù)脈沖熱源模型。本文首先對(duì)電極絲的振動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究,并分別在不同方向上研究了電極絲振動(dòng)對(duì)放電點(diǎn)分布的影響,之后將電極絲的振動(dòng)對(duì)放電點(diǎn)分布的影響引入到單脈沖熱源模型中,提出了電火花線切割連續(xù)脈沖熱源模型,并利用并行計(jì)算的方式求解出不同振動(dòng)條件下的熱源分布;在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化模型,得到了簡(jiǎn)化的振動(dòng)-高斯熱源模型,顯著地提高了計(jì)算效率。該模型的有效性通過與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較再鑄層厚度得到了驗(yàn)證。在蝕除對(duì)于熱變形影響的研究與線切割振動(dòng)-高斯熱源模型的基礎(chǔ)上,建立了蝕除過程中的電火花線切割加工的熱彈塑性有限元模型,模擬工件在加工中的蝕除-變形過程。該模型采用Python-Fortran混合編程的方式在計(jì)算過程中實(shí)現(xiàn)電加工熱源移動(dòng)、融化的單元自動(dòng)識(shí)別與自動(dòng)刪除等功能,這樣避免了被蝕除的單元參與到彈塑性變形的計(jì)算中。該模型證明了本文提出的電火花線切割的熱變形量會(huì)隨著蝕除量的增大而減小的理論,解釋了在輸入能量較大的條件下熱變形會(huì)隨著輸入能量變大而變小的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。針對(duì)薄壁類零件熱變形難以控制的問題,提出了一種基于鏡像補(bǔ)償與響應(yīng)曲面設(shè)計(jì)的電火花線切割加工軌跡補(bǔ)償方法,有效地抑制了薄壁梁的熱變形,直線度誤差降低了95%以上,該方法進(jìn)一步推廣到其他形狀的薄壁類零件的電火花線切割加工上,通過對(duì)邊長(zhǎng)5cm的正方形薄壁框加工進(jìn)行驗(yàn)證,加工累積誤差低于20μm。該補(bǔ)償方法應(yīng)用在壁厚僅有0.1mm的超薄電極陣列的加工上,薄壁的直線度誤差被控制在1μm以內(nèi)。除了熱變形的抑制研究外,本文還利用熱變形現(xiàn)象,通過BPNN-MEA算法對(duì)熱變形的預(yù)測(cè),實(shí)現(xiàn)了曲面薄壁類零件的加工,最后通過不同曲率、不同厚度的工件得到驗(yàn)證。
【圖文】：

圖 1.1 應(yīng)用在高速重載機(jī)床上的可傾瓦軸承，壁厚為軸徑的 2‰[2]課題研究目的及意義項(xiàng)目以控制電火花線切割工藝加工薄壁類零件的熱變形為目標(biāo)，通過建立電境下的電加工分子動(dòng)力學(xué)模型、連續(xù)脈沖條件下的電火花線切割熱源模型、場(chǎng)作用下電極絲振動(dòng)模型等手段，研究電加工的蝕除過程、線切割過程中的位置分布，，進(jìn)而預(yù)測(cè)加工過程中工件表面的溫度分布，實(shí)現(xiàn)不同加工條件下類零件熱變形的預(yù)測(cè)，并將此研究成果集成到數(shù)控系統(tǒng)中，對(duì)不同材料不同線切割加工的熱變形進(jìn)行控制，降低形位誤差，最終實(shí)現(xiàn)薄壁類零件電火花工藝的精密加工。

華 中 科 技 大 學(xué) 博 士 學(xué) 位 論 文熔覆加工是一種快速無模加工方式，這種工藝使用激光將粉末狀的熔覆熔覆材料冷凝后與基材融為一體，這樣通過熔覆材料的層層堆積，達(dá)到零尺寸，通過一定的后處理后完成零件的加工，加工原理如圖 1.2 所示，這式具有周期短、成本低的優(yōu)點(diǎn)[7]。
【學(xué)位授予單位】：華中科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TG484

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2639362