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气中电火花单脉冲加工温度场及应力场的有限元仿真研究

作　者: 白军军
导　师: 李立青
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 航空宇航制造工程
关键词: 气中电火花加工单脉冲温度场仿真热应力
分类号: TG661
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

气中电火花加工有望成为二十一世纪的绿色加工方法,因为该方法在加工过程中不产生有害气体,不产生难分解的物质,是环境友好型的加工方法;并具有良好的加工特性(很低的电极损耗率)。但目前气中电火花加工也存在加工效率低的问题。了解单个脉冲电火花加工特性,有助于气中电火花加工机理的研究,提高气中电火花加工性能。为此,本文利用有限元仿真方法研究气中电火花单个脉冲加工热传导模型及相应的温度场和应力场的特点。首先,通过对单脉冲电源的几种方案的对比、调试与分析,研制了试验所需的以单片机为核心、具有检测环节、独立式电火花加工单脉冲电源。该电源实现了气中与油中单脉冲加工试验,成功加工出单个放电凹坑,放电波形良好。发现在一定试验条件下单脉冲维持电压为12V。其次,基于火花放电蚀除材料以热作用为主的原理,以高斯热源为模型,综合考虑放电通道扩展的时变半径以及边界条件等,建立气中电火花加工单脉冲放电的传热模型,推导了气中和煤油中的热流密度公式。再次,根据上述模型对气中单个脉冲放电加工的温度场进行仿真。仿真气中与油中火花放电加工的温度变化曲线以及温度分布情况,对比分析两种介质下的不同仿真结果。单脉冲试验结果验证了仿真模型的有效性。最后,以温度场模型为基础,对气中电火花单脉冲加工热应力场进行仿真分析。发现最大拉应力超过材料的屈服极限。对比气中与油中加工的应力应变状况,发现在保证有效排屑的条件下气中加工拥有更小的应力和应变,因而有较小的表面裂纹,工件的使用寿命更长。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-8
第1章绪论  8-14
  1.1 课题来源及研究的目的和意义  8-9
  1.2 电火花加工技术研究现状及发展趋势  9-10
    1.2.1 加工高速高效化  9
    1.2.2 加工微细化  9-10
    1.2.3 加工绿色化  10
  1.3 气中电火花加工技术的研究现状  10-12
    1.3.1 国外气中电火花加工研究现状  10-11
    1.3.2 国内气中电火花加工研究现状  11-12
  1.4 有限元方法在电火花加工中的应用  12-13
  1.5 主要研究内容  13-14
第2章单脉冲电火花加工电源研制  14-23
  2.1 单脉冲电源方案设计  14-17
    2.1.1 单片机型号的选择  15
    2.1.2 单脉冲RC电源和单脉冲晶体管电源  15-17
  2.2 闭环单脉冲电源  17-20
    2.2.1 设计原理  17-18
    2.2.2 电路设计  18-20
  2.3 电路中的抗干扰措施  20-21
  2.4 单脉冲电源放电试验  21-22
  2.5 本章小结  22-23
第3章气中电火花加工单脉冲放电传热模型建立  23-32
  3.1 热分析理论基础  23-24
  3.2 电火花加工单个脉冲放电的温度场模型的建立  24-31
    3.2.1 热传导模型  24-25
    3.2.2 热源模型分析  25-27
    3.2.3 放电通道半径估算  27-28
    3.2.4 热边界和初始条件  28-29
    3.2.5 极间放电能量的分配  29-30
    3.2.6 相变处理  30-31
  3.3 本章小结  31-32
第4章气中电火花加工单脉冲放电温度场仿真  32-45
  4.1 设置材料物性参数  32-33
  4.2 建立几何模型与划分网格  33-34
  4.3 加载  34-35
  4.4 求解参数设置  35
  4.5 仿真结果分析与讨论  35-44
    4.5.1 实例分析计算结果  35-36
    4.5.2 气中单脉冲放电传热过程的演变规律  36-38
    4.5.3 气中单脉冲放电凹坑与有限元计算结果的对比分析  38-40
    4.5.4 放电电流对电蚀凹坑几何尺寸的影响  40-41
    4.5.5 脉宽对电蚀凹坑几何尺寸的影响  41
    4.5.6 气中与油中加工温度场的对比分析  41-44
  4.6 本章小结  44-45
第5章气中电火花加工单脉冲放电应力场模拟  45-51
  5.1 应力场模拟的步骤  45-46
  5.2 前处理  46-47
  5.3 施加约束  47-48
  5.4 热应力场计算结果分析  48-50
  5.5 本章小结  50-51
结论  51-52
参考文献  52-57
附录  57-59
致谢  59

气中电火花单脉冲加工温度场及应力场的有限元仿真研究

内容摘要

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