基于双温模型-分子动力学的精密电火花加工机理研究-机械电子工程专业论文.docx

独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含 任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献 的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容 编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本论文属于必威体育官网网址□，在年解密后适用本授权书。 不必威体育官网网址□。（请在以上方框内打“√”）学位论文作者签名：指导教师签名：日期：年月日日期：年月日摘要随着微纳技术对特种加工技术需求的不断提升，电火花加工技术也在向微纳 尺度方向发展，进而衍生出精密电火花加工技术（主要包括微细电火花加工技术 和纳米电火花加工技术）。精密电火花加工技术应用前景广阔，但当前其加工机 理还难以系统、整体地进行阐述，这严重阻碍了精密电火花加工技术的发展。本 文基于双温模型-分子动力学混合建模方法构建精密电火花加工过程仿真模型， 并以 Cu 和 W 两种材料电极为对象研究精密电火花加工中阴极、阳极在放电通道 不同作用机制下的材料蚀除机理。由于精密电火花加工过程的复杂性、随机性及观测困难，仅仅依靠实验方法 难以有效揭示其加工机理，因而仿真方法成为精密电火花加工机理研究的重要手 段。本文基于双温模型-分子动力学混合建模理论，采用分子动力学仿真技术、 交替方向有限差分方法以及 MPI 并行技术构建精密电火花加工过程的并行仿真 平台，并根据精密电火花加工中阴极和阳极特性构建多种放电通道作用模型。平 台有效解决了微观纳米尺度的金属热传导问题，并实时获得电极材料在加工过程 中的物理状态信息、动力学信息、晶体学信息等，进而为精密电火花加工机理研 究提供支撑。放电通道的热作用被认为是导致精密电火花加工中阴极材料蚀除的主要因 素。本文对热作用下阴极材料温度和应力分布的时间-空间演变过程以及熔化量 和蚀除量的时间演变过程进行分析，研究表明，在热作用下，热冲击作用及高温 蒸发是阴极材料蚀除的主要原因，且蚀除主要集中在放电过程中；对放电通道热 作用强度对阴极材料熔化速度和蚀除速度、能量利用效率、材料蚀除率等精密电 火花加工性能的影响进行研究，发现材料熔化速度和蚀除速度均随热作用强度的 增加而近似线性增加，而能量利用效率并不随热作用强度单调变化；对热作用下 放电凹坑及凹坑周围凸起的成因进行研究，研究表明，在热作用下，蚀除材料在 凹坑周围的堆积是凸起的主要成因。在超短脉冲的精密电火花加工中，电场引起的应力作用对阴极材料的蚀除起 主要作用。本文对阴极材料在电场作用下的蚀除过程进行研究，发现在特定电场 强度区间内阴极材料主要因应力导致的机械破碎而蚀除，而在其他电场强度区间 内阴极材料主要因电致蒸发而蚀除；对电场强度对阴极材料蚀除速度以及应力波 传播形式和强度的影响进行研究，发现材料蚀除速度随电场强度的增加而增加， 而应力波强度随电场强度的增加而降低；强拉应力导致阴极材料表层形成多晶结 构，本文对此多晶结构的晶界对应力分布、材料蚀除过程以及凹坑轮廓形状的影I响进行研究，发现强应力主要分布在多晶区域内，而多晶结构的存在造成材料蚀 除过程在空间上的不均匀，并引致凹坑内部尖峰的产生。在真实精密电火花加工中，阴极材料至少在放电通道的热和电场两种作用下 实现蚀除。在对纯热和纯电场作用下阴极材料蚀除机理研究的基础上，本文进一 步对阴极材料在热和电场综合作用下的蚀除机理进行研究，并对热和电场相对强度对阴极材料蚀除机制的影响进行研究，发现阴极材料的蚀除机制与相对强度高 的一方对应的纯作用下阴极材料的蚀除机制更相似，进而为真实精密电火花加工 中脉冲宽度对材料蚀除机制的影响提供解释。精密电火花加工中放电时间极短，阳极材料的热能主要来自高能电子轰击作用，材料的电子系统即成为接受放电通道能量的主体。本文通过分析热作用下阳 极材料的温度、应力、局部有序系数等的演变过程来对阳极材料的蚀除机制进行 研究，研究表明，阳极材料蚀除分为两个阶段，在放电过程中及放电后的一段时 间内材料因高温而蒸发蚀除，之后材料因惯性而破碎蚀除；对热作用强度对阳极 材料蚀除机制的影响进行研究，发现在低强度热作用下阳极材料仅熔化膨胀，在 中强度热作用下阳极材料主要发生破碎蚀除，而在高强度热作用下阳极材料经历 了蒸发蚀除和破碎蚀除两个阶段；对阳极材料的凝固过程及白层的形成机制和结 构进行研究，研究表明，材料凝固过程分为非均质凝固和均质凝固，而均质