压电自适应脉冲式电火花加工机理仿真及实验研究

摘要

近年来随着科研工作者对电火花加工技术和加工机理研究的不断深入以及对其加工工艺和加工设备的不断改进和完善,电火花加工技术发展迅速。本课题组提出的压电自适应脉冲式电火花加工是一种新型电火花加工方法,采用低压直流电源作为能量输入源,把脉冲能量发生装置与间隙调节装置有机地集成在一起,实现了脉冲放电与间隙调节的自适应。其主要创新点为通过压电陶瓷的逆压电效应驱动工具电极伸缩,实现工具电极与工件之间脉冲放电间隙的自适应调节,有效提高脉冲放电频率和有效脉冲利用率,从而提高电火花加工效率。
　　本课题组前期主要对压电自适应脉冲式电火花加工装置进行了总体设计并对其加工系统、加工工艺等进行了研究,但对其加工机理的研究较少。因此,本文在已有的压电自适应脉冲式电火花加工系统和加工工艺基础上,通过仿真技术及相关试验对其加工机理进行深入研究。主要是对放电通道粒子流场、温度场和应力场进行有限元数值模拟研究,并通过单脉冲放电试验对电极表面热传导有限元模型的预测精度进行检测。具体研究内容如下:
　　放电通道中带电粒子的运动特性研究是电火花加工机理研究的重要组成部分。本文采用粒子模拟与蒙特卡罗相结合的方法,建立压电自适应脉冲式电火花加工放电电离过程模型,对放电通道的微观形成过程进行仿真,得到放电通道内电子和正离子的运动状态及空间分布。放电通道内任意横截面上带电粒子的密度和动能都近似呈现高斯分布。
　　通过对电火花放电时传递到电极表面的能量和放电通道半径的计算推导电极表面高斯热源模型的热流密度分布公式，对热源模型中一些关键问题的处理进行分析,推导出圆柱坐标系下的热传导方程。
　　利用有限元仿真软件ABAQUS对压电自适应脉冲式电火花单脉冲放电时电极表面的温度场和热应力场进行了三维数值模拟和分析,给出放电电压及可调电容的容值对压电自适应脉冲式电火花加工温度场分布的影响规律,得到工件表面及内部的应力场分布,最大应力发生在放电通道交界处。
　　基于本课题组搭建的压电自适应脉冲式电火花加工装置,在不同放电电压、可调电容条件下进行单脉冲放电试验,将试验得到的工件表面单脉冲放电凹坑形貌与仿真形貌进行对比,对有限元仿真模型的预测精度进行检测,检测结果表明有限元仿真模型的预测误差在15%以内,能满足工程实际需要。
　　本文从压电自适应脉冲式电火花加工机理的研究中得到的研究成果为压电自适应脉冲式电火花加工技术的进一步研究和发展提供了理论基础,有利于该技术的推广和应用。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 引言

1.2 电火花加工技术的现状与发展趋势

1.2.1 电火花加工技术介绍

1.2.2 电火花加工技术研究现状

1.2.3 电火花加工技术发展趋势

1.3 计算机仿真理论研究以及在电火花加工中的应用

1.3.1 电火花加工计算机仿真理论研究现状

1.3.2 粒子模拟在电火花放电通道研究中的应用

1.3.3 有限元方法在电火花加工温度场预测中的应用

1.3.4 有限元方法在电火花加工应力场分析中的应用

1.4 课题的研究目的和意义

1.5 课题来源及主要研究内容

第2章 压电自适应脉冲式电火花放电通道形成过程微观模拟

2.1 压电自适应脉冲式电火花加工方法

2.2 放电通道模拟方法

2.3 PIC/MCC理论及仿真流程

2.3.1 PIC/MCC理论研究

2.3.2 PIC/MCC仿真流程

2.4 放电通道物理模型的建立

2.5 放电通道模型初始化

2.6 放电通道形成过程模拟

2.7 本章小结

第3章 压电自适应脉冲式电火花加工单脉冲放电传热模型

3.1 热源模型

3.1.1 极间能量的转换与传递

3.1.2 电极能量计算

3.1.3 放电通道半径估算

3.1.4 电极表面热流密度分布

3.2 热传导模型

3.2.1 初始条件及边界条件的确定

3.2.2 相变处理

3.2.3 热传导模型求解

3.3 本章小结

第4章 压电自适应脉冲式电火花加工单脉冲放电有限元仿真

4.1 压电自适应脉冲式电火花加工单脉冲放电温度场仿真

4.1.1 建立几何模型与划分网格

4.1.2 材料物性参数设置

4.1.3 加载边界与载荷

4.1.4 温度场仿真结果与分析

4.2 压电自适应脉冲式电火花加工应力场仿真

4.2.1 应力场仿真分析方法

4.2.2 应力场仿真流程

4.2.3 应力场仿真结果与分析

4.3 本章小结

第5章 压电自适应脉冲式电火花加工单脉冲放电试验研究

5.1 压电自适应脉冲式电火花加工原理

5.2 单脉冲放电试验及结果

5.2.1 试验装置

5.2.2 试验参数

5.2.3 试验步骤

5.2.4 试验结果

5.3 单脉冲放电试验结果与仿真结果的对比

5.3.1 凹坑尺寸对比

5.3.2 误差原因分析

5.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间发表的学术论文

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