微小能量下电火花加工过程的分子动力学模拟

论文摘要

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。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题来源及研究的目的和意义
• 1.2 国内外相关领域的研究现状
• 1.2.1 电火花加工机理研究现状
• 1.2.2 分子动力学在机械工程中的应用
• 1.3 课题主要研究内容
• 第2章 放电加工过程的分子动力学建模
• 2.1 分子动力学基本原理
• 2.1.1 分子动力学基本方程
• 2.1.2 分子动力学积分算法
• 2.1.3 原子间作用势模型
• 2.1.4 边界条件
• 2.1.5 系统控制方法
• 2.1.6 分子动力学加速算法
• 2.2 建立仿真模型
• 2.2.1 自变量与因变量的定义
• 2.2.2 状态方程选择
• 2.2.3 演化方程的选择
• 2.2.4 各种参数
• 2.2.5 初始条件设定
• 2.2.6 边界条件
• 2.2.7 热源模型
• 2.2.8 高斯热源实现以及能量密度控制
• 2.2.9 两极能量分配
• 2.2.10 热传导
• 2.3 本章小结
• 第3章 微细电火花加工材料蚀除过程研究
• 3.1 材料蚀除过程
• 3.2 熔融区
• 3.3 能量密度的影响
• 3.3.1 能量密度对熔融区形状的影响
• 3.3.2 能量密度对放电凹坑形状的影响
• 3.4 放电通道膨胀情形两极温度分布研究
• 3.4.1 电极温度变化与潜热现象
• 3.4.2 熔融原子数量变化
• 3.4.3 晶向与热传导
• 3.5 蚀除材料的极间分布特性分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 微细电火花加工热应力与残余应力研究
• 4.1 微细电火花加工的热影响区
• 4.2 熔融区压强研究
• 4.2.1 熔融区压强张量的变化规律
• 4.2.2 熔融区压强随时间的变化规律
• 4.3 应力对放电凹坑形貌的作用机制
• 4.3.1 应力分析
• 4.3.2 中心对称参数法分析
• 4.4 微细电火花加工的残余应力
• 4.4.1 残余应力在电极表面的变化
• 4.4.2 电极不同区域的残余应力分布
• 4.5 能量密度的影响
• 4.5.1 能量密度对熔融区压强的影响
• 4.5.2 能量密度对残余应力的影响
• 4.6 本章小结
• 第5章 微细电火花加工表面缺陷研究
• 5.1 径向分布函数分析
• 5.1.1 电火花加工过程中熔融原子的径向分布函数分析
• 5.1.2 能量密度对径向分布函数的影响
• 5.1.3 晶向对径向分布函数的影响
• 5.2 中心对称参数分析
• 5.2.1 微细电火花加工过程中缺陷的变化过程
• 5.2.2 位错的演变
• 5.2.3 微细电火花加工表面变质层结构分析
• 5.3 缺陷对微细电火花加工过程的影响
• 5.3.1 空穴对微细电火花加工的影响
• 5.3.2 位错成核原因分析
• 5.4 能量密度对缺陷的影响
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢