微細(xì)電火花加工放電特性的分子動力學(xué)仿真軟件開發(fā)研究.pdf

1、電火花加工是一種熱加工,其加工過程的實質(zhì)是通過脈沖放電在工具電極和工件電極之間施加劇烈的熱作用,瞬間改變工件電極內(nèi)溫度場分布,從而實現(xiàn)材料的蝕除。電火花加工過程中涉及流體力場、磁場以及熱傳導(dǎo)等多種復(fù)雜體系的共同作用,造成了其加工過程特有的復(fù)雜和隨機的特性,同時由于其極小的加工時間尺度和空間尺度的限制,無論是實驗觀測還是理論研究都很難明確電火花加工過程中各種現(xiàn)象的物理本質(zhì),因此直到目前為止仍然未建立一個完整統(tǒng)一、具有普遍意義的理論體系來揭

2、示電火花加工的機理,導(dǎo)致電火花加工的實際應(yīng)用和進(jìn)一步發(fā)展受到了較大的限制。
　　分子動力學(xué)(MolecularDynamics,MD)是近年來迅速發(fā)展的用于描述原子微觀動力學(xué)行為的有效工具。隨著高性能計算機以及并行算法的發(fā)展,分子動力學(xué)模擬的規(guī)模日益增大,同時納米級放電能量的微細(xì)電火花加工也有了實現(xiàn)的可能,這使得分子動力學(xué)的模擬尺度可與微細(xì)電火花實際加工尺度相比擬,因此本文建立了微細(xì)電火花加工的分子動力學(xué)仿真模型,開發(fā)了基于MPI

3、消息傳遞模型的分子動力學(xué)并行仿真軟件,進(jìn)而對微細(xì)電火花加工過程和蝕除機理進(jìn)行了仿真研究。
　　本文對微細(xì)電火花加工單脈沖放電時放電凹坑的形成過程以及期間伴隨的物理現(xiàn)象,如電極內(nèi)的溫度場和材料晶體結(jié)構(gòu)變化情況等進(jìn)行了分子動力學(xué)模擬研究。研究發(fā)現(xiàn),放電開始后電極材料就開始被蝕除,且蝕除量大部分發(fā)生在放電期間,而非發(fā)生在放電結(jié)束之后。此外,對熔融原子數(shù)和蝕除原子數(shù)的統(tǒng)計表明,熔融的電極材料并未全部蝕除,其余的熔融原子最終形成熔融再凝固層

4、,一部分滯留在凹坑底部表面,另一部分發(fā)生塑性流動形成放電凹坑周圍的凸起。同時溫度場的改變也導(dǎo)致了電極受熱表面材料晶體結(jié)構(gòu)的變化。
　　電火花加工作為一種熱加工方法,放電過程中產(chǎn)生的大量熱量使得電極表面溫度急劇升高并在電極內(nèi)部產(chǎn)生了溫度梯度,溫度梯度將導(dǎo)致熱應(yīng)力的產(chǎn)生。放電過程中的熱應(yīng)力將對蝕除過程以及凹坑形貌等有直接的影響,此外,加工結(jié)束后電極內(nèi)形成的殘余應(yīng)力是工件表面層裂紋產(chǎn)生的根源。本文首先對加工過程中熔融區(qū)內(nèi)的靜水壓力進(jìn)行了

5、研究,研究發(fā)現(xiàn),放電過程中熔融區(qū)內(nèi)深處的靜水壓力高于熔融區(qū)表面,因此沿電極深度方向的靜水壓力梯度是材料蝕除的主要原因之一。此外,本文還對微細(xì)電火花加工過程中電極內(nèi)熱應(yīng)力與殘余應(yīng)力分布特點進(jìn)行了研究,并分析了其對電火花加工蝕除過程與放電凹坑形成的作用機制。可以發(fā)現(xiàn),放電過程中電極表面各正應(yīng)力分量為壓應(yīng)力,而最終電極放電凹坑表面的殘余應(yīng)力以拉應(yīng)力為主,放電凹坑內(nèi)部的殘余應(yīng)力以壓應(yīng)力為主,這是導(dǎo)致加工表面出現(xiàn)微裂紋的主要原因。此外剪切應(yīng)力造成