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短电弧铣削加工单脉冲温度场仿真与实验分析

短电弧铣削加工单脉冲温度场仿真与实验分析

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作者：段熠朋新疆大学

学位级别：硕士

短电弧加工技术不仅解决了超硬面合金机械加工性能差的难题,同时相较于同类型的放电加工技术具有电流大、加工效率高等优势。为揭示短电弧铣削加工机理,温度场是重要的研究内容之一。在短电弧铣削加工中,以往所建立的短电弧铣削加工温... 详细信息

短电弧加工技术不仅解决了超硬面合金机械加工性能差的难题,同时相较于同类型的放电加工技术具有电流大、加工效率高等优势。为揭示短电弧铣削加工机理,温度场是重要的研究内容之一。在短电弧铣削加工中,以往所建立的短电弧铣削加工温度场模型将连续、多次的随机电弧放电假设为连续不间断的电弧放电,取得了一定的研究成果,但未能揭示短电弧铣削加工中电压、电流、占空比对材料的料蚀除作用及对表面质量的影响。因此本研究从单个电弧放电的角度建立温度场模型,分析电压、电流、占空比对温度场分布及材料的蚀除的影响。首先,为从连续的放电波形中区分单个电弧并且确定其放电时长,本研究通过建立机械运动断弧模型,计算不同电极转速下单个电弧放电通道最大的理论持续时间,并通过放电通道扩张理论分析了短电弧从击穿到消电离阶段的电压、电流波形。实验采集的放电波形表明:在单个电弧放电通道最大理论持续时间内皆存在单个电弧从击穿到消电离阶段的电压、电流波形,验证了计算结果及波形分析的正确性;且单个电弧实际放电时间皆对应单个脉冲周期,改变电极转速未影响到电弧放电,因此不同电极转速下加工实验进一步验证了所得结论的正确性。其次,本研究根据单个电弧放电通道的持续时间及电流大小计算了热源的半径,结合对工件上热传导分析、热对流分析及材料蚀除分析,暂将能量分配系数以未知数带入热源函数中,建立温度场模型;并通过热成像仪拍摄电弧在工件上形成的热源形态,验证了所建温度场模型采用高斯面热源的正确性。为确定能量分配系数,本研究通过所建温度场模型获取多组电参数在不同能量分配系数下的再铸层厚度仿真结果;并通过金相制备、显微观测得到对应电参数下的再铸层厚度;最终通过分析不同能量分配系数下的再铸层厚度与实验结果之间的相对误差得出:能量分配系数为0.3能更好的体现放电能量在工件上的分配比例。最后,将所得能量分配系数带入温度场模型,通过控制变量的方法,仿真分析了电压、电流、占空比对工件温度场分布规律的影响以及对材料蚀除深度和蚀除半径的影响。并通过材料的蚀除仿真,预测了实际加工中材料蚀除率及表面质量随电压、占空比的变化趋势。对应电参数下的实验结果表明:实验蚀除率与仿真蚀除率吻合度较高,工件表面的粗糙度变化趋势与仿真预测结果一致,验证了所建立温度场模型的正确性,并通过实验验证了采用降低电压增大占空比提高加工质量的可行性,为短电弧铣削加工奠定了一定的理论基础。

关键词：短电弧铣削单脉冲电弧温度场模型能量分配系数放电离子通道

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