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微小能量下电火花加工过程的分子动力学模拟

周凤龙  
【摘要】:自前苏联学者Lazarenko夫妇于1943年发明电火花加工方法以来,电火花加工技术取得了长足的发展,其应用范围也取得了极大的扩展。然而电火花加工机理至今仍未能被明确的解释,这限制了电火花加工技术的进一步发展。电火花加工发生在非常小的空间和时间尺度下,很难通过实验手段研究其材料蚀除过程。而随着高速铣削等技术的快速发展,对电火花加工技术带来了很大的冲击,如何提高电火花加工的效率与质量成为电火花加工研究人员亟待解决的问题。因此本文应用分子动力学方法对微细电火花加工的材料蚀除过程、熔融材料蚀除机制;微细电火花加工残余应力以及放电凹坑凸起的形成;微细电火花加工中产生的位错缺陷等进行了仿真研究。 本文对放电通道膨胀热源模型下微细电火花加工放电蚀除过程和熔融区的形成及形状进行了模拟研究,并与放电通道恒定情况下的模拟结果进行了对比,证明了放电通道膨胀的热源模型更符合实际情况。本文还分析了放电过程中电极温度及蚀除原子数的变化,阐明了微细电火花加工的材料二次蚀除现象的发生原因以及“潜热”现象的影响。同时对进入极间原子的速度矢量、加速度矢量空间分布特点及规律进行了研究。 电火花加工表面的主要特点之一是存在残余应力,它的存在影响到加工表面的质量及使用性能,对其形成机制和影响因素的研究具有非常重要的意义。本文对电火花加工表面残余应力的产生机制、分布特点等进行了仿真研究。通过对放电凹坑形成过程中熔融区电极材料内部压强的生成及变化过程分析,发现在放电进行过程中,在电极材料熔融区内部形成很大的压强梯度,但其并不是一直升高,而是存在小幅的上下波动;在放电结束后的瞬间,放电通道突然消失熔融区压强急速下降;这一方面可以推测在放电进行过程中就存在少量的放电蚀除,另一方面说明放电结束之后,熔融区压强的突然下降引起的材料沸腾是材料蚀除的重要原因。研究还发现熔融区的剪切应力场导致电极材料的弹塑性流动,它是形成放电凹坑中凸起部分的重要原因。仿真结果表明放电结束后在放电加工表面存在拉应力,而在电极内部存在压应力,容易萌生显微裂纹。 本文对微小能量下电火花加工过程中缺陷的产生机制与演变过程进行了研究。对熔融再凝固原子的径向分布函数分析明确了微细电火花加工材料蚀除过程当中的相变过程;指出了在真空或者气中放电条件下不可能获得表面组织性能良好的非晶体组织。同时对材料蚀除过程进行了中心对称参数法分析,明确了缺陷的产生机制与变化过程,指出了缺陷对电火花加工过程及工件表面质量的影响,并对其影响因素进行了分析。


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