【摘要】：盡管電火花加工技術已經發(fā)展了七十余年,但是電火花加工過程中熔融材料是如何被蝕除掉的至今尚未被揭示。因此電火花加工中存在的兩大瓶頸難題至今無法從本質上被解決:即較低的加工速度和較差的加工表面質量。為了解決上述難題,本文采用了先進的仿真技術和實驗裝置來研究放電過程中材料的蝕除過程及機理。揭示這一微觀物理過程將有助于掌握電火花加工的基本規(guī)律,進而對脈沖電源、伺服控制系統(tǒng)、機床設備等提出更合理的設計來提高電火花加工速度和表面質量。通過分子動力學模擬單脈沖放電過程發(fā)現(xiàn)放電過程中熔池內部部分材料被汽化,導致熔池內壓力升高,熔融材料向外膨脹形成鼓包,當熔池內外壓力差大于熔池的表面張力后,鼓包爆裂而熔融材料被蝕除(熔池內壓力蝕除機理);并且放電過程中極間金屬蒸汽噴流相互作用導致在熔池與金屬蒸汽噴流相接觸的界面上產生徑向剪切力,該徑向剪切力導致熔融材料被蝕除(極間金屬蒸汽噴流徑向剪切力蝕除機理)。通過仿真還發(fā)現(xiàn)了放電凹坑周圍環(huán)狀凸起的三種形成機理,第一個形成機理為熔池內外壓力差導致熔融材料沿著凹坑邊緣流動;第二個形成機理為極間金屬蒸汽噴流在熔池表面上所產生的徑向剪切力使得熔融材料沿著凹坑的徑向方向向四周剪切流動;第三個形成機理為蝕除材料回落至電極表面及對面電極的飛濺材料構成了環(huán)狀凸起的一部分。構建了單晶銅和多晶銅分子動力學仿真模型來研究放電過程中表面變質層內材料微觀組織結構的演變。當放電發(fā)生在(100)和(110)晶面上時,變質層內堆垛層錯缺陷結構以三菱錐結構為主,當放電發(fā)生在(111)晶面上時,變質層內堆垛層錯缺陷結構以層狀結構為主。在多晶銅電極上放電時,放電凹坑及環(huán)狀凸起下方形成了大量層狀的堆垛層錯缺陷結構,并且多晶銅電極表面變質層內堆垛層錯及位錯缺陷數(shù)量遠高于單晶銅電極,說明電火花加工單晶銅電極時更容易獲得較好的加工表面質量。基于周期性邊界條件構建了二維大尺度電極模型,并結合雙溫模型理論實現(xiàn)了分子動力學仿真過程中自由電子熱傳導,最終獲得了亞微米尺度的放電凹坑。二維大尺度電極的放電模擬結果表明單晶銅電極上放電所形成的表面變質層最小,而多晶銅電極隨著晶粒尺寸的減小,放電凹坑下方的表面變質層區(qū)域變大。通過電極絲振動測量實驗證實了由極間金屬蒸汽噴流(jets)相互作用所導致的放電反力存在,進而證明了極間金屬蒸汽噴流相互作用理論的正確性,即放電過程中工具電極和工件電極均向極間噴射金屬蒸汽,極間金屬蒸汽噴流相互作用導致放電反力的產生,并且越容易被汽化的電極材料產生的放電反力越大。該放電反力會直接作用于熔池表面上,對熔池表面產生壓力,并對放電凹坑的形貌產生重要影響。在電極絲振動實驗測量基礎上,通過逆向求解法定量計算出作用于電極絲上的放電反力,計算結果表明由極間金屬蒸汽噴流相互作用所導致的放電反力遠小于由氣泡所導致的放電反力。通過單脈沖放電實驗驗證了分子動力學仿真所提出的熔池內壓力蝕除機理和極間金屬蒸汽噴流徑向剪切力蝕除機理。通過高速攝像機實現(xiàn)了對放電過程中熔池內熔融材料的運動及蝕除過程的直接觀測,揭示了極間金屬蒸汽噴流相互作用所導致的流場分布對材料蝕除的影響,即放電過程中熔融材料沿著電極表面切向方向被蝕除;發(fā)現(xiàn)了放電過程中熔池的運動規(guī)律和原因,即熔池的運動與等離子體通道的移動密切相關;揭示了凸起狀和凹坑狀放電凹坑的形成原因,即放電凹坑形貌是熔池內外壓力共同作用的結果;發(fā)現(xiàn)了放電間隙對材料蝕除過程的影響機理,即放電間隙是通過影響作用于熔池表面上的徑向剪切力來影響熔融材料的蝕除。在此基礎上提出了采用易汽化材料作為工具電極來提高工件電極上單個放電凹坑的材料蝕除量。實驗結果表明在合適的加工條件下,該方法不但可以顯著地提高電火花加工速度,還可以降低工具電極損耗。通過高速攝像機觀測CFRPs材料的放電過程發(fā)現(xiàn),在等離子體通道高溫作用下,CFRPs材料放電點處會形成大量氣狀噴流(gaseous jets)以極高的速度噴入極間,產生噴流噴射力。當放電發(fā)生在CFRPs平行面上時,該高速噴流在噴入極間過程中不斷沖擊放電點處的碳纖維束,使之斷裂進而被拋入極間形成碳纖維蝕除屑;而當放電發(fā)生在CFRPs垂直面上時,該高速噴流對碳纖維的蝕除影響較小。
【學位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG661
【圖文】：

圖 1-1 電火花加工基本原理Fig. 1-1 Basic principle of electrical discharge machining電火花加工中每個放電過程均可被分為以下三個連續(xù)階段：極間介質放電通道形成，電極材料蝕除和氣泡形成，極間介質消電離和放電凹下面對上述三個過程進行簡單地介紹。a）極間介質電擊穿和放電通道形成當工具電極和工件電極之間施加一個脈沖電壓時，兩電極之間會形成強度與極間間隙成正比的電場。通常工具電極和工件電極的微觀表面平的，并且工作液介質中不可避免地混有一些雜質如蝕除屑，因此兩電場分布是不均勻的，當陰極電極表面某一點處的場強達到100V/μm陰極電極表面會向陽極發(fā)射場電子，在極高電場作用下，陰極發(fā)射的向陽極高速運動過程中會撞擊工作液介質中的粒子，從而產生碰撞電程會將中性粒子電離成為帶電粒子，從而導致帶電粒子發(fā)生雪崩，即數(shù)量急劇增加，該過程如圖 1-2a）所示。b）電極材料蝕除和氣泡形成

- 4 -c）極間介質消電離和放電凹坑形成c）Recovery of dielectric and formation of discharge crater圖 1-2 放電過程示意圖[27]Fig. 1-2 Schematic diagram of discharge process[27]（脈沖間隔時間），使極間介質能夠恢復到其放電前時的絕緣強度，并使電點處材料的溫度得以降低，防止下一次放電發(fā)生在同一位置而產生拉弧。脈沖間隔時間還可以保證放電過程中蝕除屑及時地被工作液介質帶離，防止工作液介質的絕緣強度降低。因此足夠長的脈沖間隔時間可以保證過程能夠順利地進行下去。

剪切力可將熔池中的熔融材料剪切蝕除。由上述分析可知，除 Eubank 等人提出的過熱理論外，其余蝕除機理均電火花加工過程中熔融材料的蝕除與極間氣泡密切相關。但是 Kitamura 等的觀測結果表明，當放電發(fā)生在空氣中時，也會有大量的熔融材料被蝕除圖 1-3 所示，并且 Kitamura[36]在工作液中的放電觀測實驗還證實從放電開結束均有熔融材料被蝕除，而并非熔融材料的蝕除僅發(fā)生在放電結束時氣力降低的時刻。并且 Yoshida 等人[37]的研究結果表明，當放電時間較長時論是氣中放電還是工作液中放電，工件電極上放電凹坑的材料蝕除量并無差異。Kunieda 等人[38-41]還通過實驗證實電火花加工可在空氣中進行alder[42]也證實發(fā)生在真空中的放電也會有大量熔融材料被蝕除。上述實驗放電過程中熔融金屬材料的蝕除并不依賴于氣泡，氣泡并不是熔融材料被蝕除的根本原因，因此上述與氣泡相關的蝕除理論并未從根本上揭示電火工中熔融金屬材料的蝕除機理，而盡管 Eubank 等人提出的過熱理論并不際的放電過程相違背，但是缺少相關的仿真和實驗驗證。綜上所述，到目止，電火花加工中熔融金屬材料的蝕除機理仍未被完全揭示。

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