电火花加工材料蚀除机理及表面变质层形成研究.pdf

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1、博士学位论文电火花加工材料蚀除机理及表面变质层形成研究RESEARCHONMATERIALREMOVALMECHANISMANDFORMATIONOFSURFACEDENATUREDLAYERINELECTRICALDISCHARGEMACHINING岳晓明哈尔滨工业大学2018年6月国内图书分类号：TG661学校代码：10213国际图书分类号：621.9.048密级：公开工学博士学位论文电火花加工材料蚀除机理及表面变质层形成研究博士研究生：岳晓明导师：杨晓冬教授申请学位：工学博士学科：机械制造及其自动化所在单位：机电工程学院答辩日期：2018年6月授予学位单位：哈尔滨工业大学Classi

2、fiedIndex:TG661U.D.C:621.9.048DissertationfortheDoctoralDegreeinEngineeringRESEARCHONMATERIALREMOVALMECHANISMANDFORMATIONOFSURFACEDENATUREDLAYERINELECTRICALDISCHARGEMACHININGCandidate：YueXiaomingSupervisor：Prof.YangXiaodongAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofEngineeringSpeciality：MechanicalManufactur

3、ingandAutomationAffiliation：SchoolofMechatronicsEngineeringDateofDefence：June,2018Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要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

4、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

5、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

6、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-I-哈尔滨工业大学工学博士学位论文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

7、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