高效放电加工技术研究现状

电火花加工技术经过多年的发展,已经成为一门成熟且不可或缺的加工方法,新工艺、新方法和新装备层出不穷,如何提高加工效率一直是人们所关注的焦点。电火花加工过程中,为防止对工件产生损伤,要避免电弧放电,通过各种工艺手段提高加工效率的效果不明显。通过有效控制电弧通断,利用电弧弧柱极高的能量去除材料,可以极大地提高放电加工效率,是近年来研究高效放电加工的一个新方向。另外,放电烧蚀加工利用电火花放电作为诱导能量,控制金属基体与通入的氧气燃烧产生化学能用于蚀除工件,该能量远远大于脉冲电源的能量,是高效放电加工的另外一个新方向。放电烧蚀加工辅以其他方法形成复合加工,对已烧蚀表面进行优化处理,可以实现高加工效率的同时获得良好的表面质量。综述了电火花加工、电弧加工和放电烧蚀加工技术在高效加工方面的研究现状。     

电火花加工放电状态特性试验研究

电火花加工间隙放电状态对加工质量有重要影响,为了避免电弧等不正常放电,放电状态检测系统需要根据不同的放电特性对放电状态进行鉴别.针对此问题,采用单脉冲放电法进行试验,探究火花放电和电弧放电的不同特性.在不同试验条件下,分别对两种放电电压波形进行快速傅里叶变换,发现在较低频段内,火花放电的频率幅值与电弧放电存在明显差异,...     

电火花线切割加工中放电间隙电压变化特性

电火花线切割加工时工具(电极丝)和工件之间的放电电压是对放电加工过程进行实时检测的重要参数.本文在理论分析的基础上,采用正交试验设计,应用极差分析法和方差分析法定量研究了高速走丝电火花线切割加工中放电间隙电压量的变化特性与加工中峰值电流、工件厚度及切割方向之间的关系.研究的结果为准确检测高速走丝电火花线切割加工状态提供了依据.     

SiCp/Al二维超声复合电解/放电加工的表面生成机理及试验研究

针对复合材料高质量的加工要求,结合各加工技术的优点,本文提出二维超声复合电解/放电加工技术(2UECM/EDM),并对其表面生成机理进行深入研究。利用二维超声辅助磨削加工时单磨粒的运动轨迹对加工表面沟槽的加宽作用和电解/放电加工的整平作用,通过研磨面积比(δ_s)来分析复合材料表面形貌和表面粗糙度(Ra)的变化规律,并进行了复合材料SiC_p/Al维超声复合电解/放电加工的表面生成机理对比试验。结果表明,单周进给距离、电压和二维超声振幅等参数影响加工表面质量。其中,表面粗糙度与磨粒单周进给距离的变化趋势一致;较高电压时电解/放电加工效应显著,导致增强颗粒裸露进而增加了Ra;轴向和切向二维振动共同作用下显著增大δ_s值,而其值在1.8附近时Ra出现明显的转折变化趋势。因此,当δ_s大于1.8时的工具和工件振幅以及较低电压参数,加工时对增强颗粒的拖曳和碾压可以显著降低表面不平度、较大幅度提高工件表面质量。     

局部电弧丝状放电控制激波/边界层干扰的数值研究

采用数值模拟的方法研究局部电弧丝状放电激励对激波/边界层干扰引起的气流分离的控制效果和机理。研究发现在干扰区上游和干扰区内进行电弧放电能够有效控制边界层的分离,且控制效果随着能量输入增大而增强,最大可使分离区减小40.6%,而在干扰区下游作用时对激波/边界层干扰基本没有影响。结合热阻塞效应,可得出电弧放电的作用机理是其产生的焦耳热在流场中造成局部流场阻塞,形成等离子体虚拟型面,在流场中诱导出微弱的斜激波和旋向相反的漩涡,增大了边界层内流体的动量,使其抵抗分离的能力增强,从而抑制了气流的分离。     

微细电火花加工放电状态特性及其识别方法

微细电火花加工放电状态的准确识别是高精度、高效率加工的重要保证,但是微细电火花加工脉冲能量小、放电频率高、随机性强的特点严重影响了放电状态的识别精度。针对此问题,对微细电火花加工放电状态特性进行了研究,分析各放电状态产生的原因,同时根据各放电状态特性的不同对放电状态进行识别,通过设置间隙电压阈值、间隙电流阈值和频谱阈值的方法,实现了开路状态、火花放电状态、稳定电弧状态、短路状态以及脉冲间隔的准确有效识别,从而为高精度加工提供依据。     

电弧放电等离子体激励控制超声速压气机叶栅激波/边界层干扰仿真研究

为研究电弧放电等离子体激励对超声速压气机叶栅激波/边界层干扰的控制作用,建立了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,进一步以ARL-SL19超声速叶栅为对象,通过数值仿真研究了电弧放电等离子体与叶栅通道内部流动的相互作用及其对叶栅流动损失的影响。结果表明:等离子体唯象学模型能够较好模拟电弧放电等离子体诱导产生冲击波的气动特性。电弧放电等离子体激励对叶栅通道内部流动主要具有三种作用效果:在放电区,注入的热量会产生阻塞效应,增加近壁面气流的流动损失;在激波/边界层相互作用区,能够改变激波系结构,减小激波损失;在尾迹区,冲击波会诱导产生脱落涡。     

等离子体激励抑制喷管分离流动数值模拟

为研究等离子体激励器对喷管分离流动的抑制作用,运用了模拟等离子体激励作用效果的唯象学模型,数值模拟研究了交流介质阻挡放电等离子体和电弧放电等离子体对喷管分离流动的抑制效果,并探究了电弧放电等离子体不同放电热功率密度、不同放电位置对抑制效果的影响。结果表明：电弧放电等离子体在抑制喷管分离流动方面有更好的效果。当电弧放电等离子体激励器作用于激波与边界层相互作用区的上游时,对分离流动的抑制效果最好;当电弧放电热功率密度较小时,其产生的诱导射流速度很小且不易对分离区的流线产生影响;当电弧放电热功率密度为8×10¹⁰ W/m³时,喷管的分离回流区完全消失。     

高速铣削SiC_p/Al复合材料PCD刀具磨损研究

通过3种不同几何结构的PCD刀具高速铣削65%体积分数的Si C_p/Al(Al/Si C/65p)复合材料的对比试验,建立了磨损曲线,并对PCD刀具的磨损形貌、磨损类型及原因进行了研究和分析。研究结果表明,刀片之间留有间隙能有效减少磨损,提高刀具使用寿命,小螺旋角的存在会加速磨损;PCD刀具主要磨损形式是机械磨损(磨粒磨损)。     

电弧放电加工——航空难切削材料的高效加工技术

随着越来越多的新型材料在航空航天产品上得到应用,这些材料的特殊成分及组织也给现有的加工技术带来了新的挑战.通过充分发挥电弧的高温和高能量密度优势,结合有效的断弧手段,可以实现难切削材料的高效蚀除,为后续精加工去掉绝大多数的余量.介绍了电弧放电加工的主要原理,分析了现有的电弧加工方法尤其是可用于航空航天产品加工的电弧铣削及电弧成形加工的工艺特点、加工对工件表面质量的影响等,介绍了这一新型工艺方法在航空航天产品,尤其是发动机热端难加工部件制造上的潜在优势.     

直流放电控制高速带斜坡锥体气动力的有效性研究

基于直流放电激波重构气动力控制原理，开展了带斜坡锥体模型的高速（Ma=6）气动力控制风洞试验，采用光纤天平技术，考察了模型在两种放电功率（284 W和517 W）下的气动力/力矩变化情况，并采用纹影成像研究了放电对流动拓扑的影响。纹影图像揭示了由于放电热阻塞和马赫数降低引起的波系重构现象，表现为放电诱导压缩波和再附激波弱化、角度减小。天平信号验证了放电使得模型的轴向力、法向力和俯仰力矩减小，放电功率较大时控制效果明显。通过求解带功率密度源项的Navier-Stokes方程模拟放电的加热效应，数值研究了模型气动力随功率密度的变化规律及加热位置对控制能力的影响。研究表明：模型气动力变化率与功率密度呈正相关；当以激励器的上游位置为参考点时，俯仰力矩变化显著；当加热位置靠近斜坡时，控制能力降低。     

等离子体炬电弧放电热膨胀不稳定性分析

针对层流电弧中的不稳定性以及电弧脉动的起因,利用简化的一维放电模型,分析了稳态放电非转移弧层流等离子体射流的放电热膨胀不稳定性表现为射流周期性震荡的宏观性质,提出电弧放电室进气流初始定向流速增加能够抑制等离子体炬射流放电不稳定性的发展。放电热膨胀不稳定性发生的主要机制是:由于放电气体密度的随机涨落与电场加热气体功率的反相关变化,导致电弧放电通道内温度高的区域随着加热功率的增加而正反馈增加,由此导致电弧放电热膨胀不稳定;放电气体的定向流速度为射流增加的一项动压与密度变化成正比,导致放电热膨胀不稳定性的发展具有阈值限制;增加定向流速度能够抑制放电热膨胀不稳定性。     

三元流叶轮的电弧铣削与机械铣削组合加工

首先介绍了一种实现电弧与铣削组合的加工方法及装备。其次,为验证电弧加工在航空部件生产方面的能力及其对后续精加工工艺的友好性,利用自研的高速电弧放电与机械铣削组合加工专用机床,以具有复杂曲面特征的三元流叶轮样件为例进行五轴电弧铣削与机械铣削组合加工试验研究。结果表明,合理安排电弧加工工序,可以在实现材料高效去除的同时,取得较优的表面质量,电弧铣削中最大材料去除率达14500mm^3/min,小能量电弧加工完成后的样件表面粗糙度R_a为12.5μm,硬度为69.4HRB,较基体硬度未有明显变化,可以很好地适应切削加工要求。后续机械铣削加工过程中,刀具磨损小、加工状态稳定,最终获得粗糙度R_a1.2μm的加工表面,且由于切削余量小,有效抑制了加工变形,样件加工结果达到设计要求,充分展现了该组合加工工艺应用于具有复杂形貌特征的航空发动机零部件制造方面的可行性。     

消融控制电弧等离子体发生器放电特性的实验研究

通过衬套材料消融补充等离子体从而控制电弧生长的技术具有很好的应用前景。利用一个总贮能８００ｋＪ的模块化电容基脉冲功率源系统为消融控制电弧等离子体发生器强流放电提供电能输入，在一定的参数变化范围内，实验研究了脉冲功率源初始放电参数、等离子体发生器几何参数以及消融材料对消融控制电弧放电特性的影响规律。借助于理论分析，也可定性获得消融控制电弧等离子体压力和温度对上述影响参量变化的依赖关系。     

磁场辅助电火花加工平台开发及SiCp/Al加工试验研究

结合微细电火花加工的技术特点,对微细电火花加工控制系统进行模块化设计,完成了磁场辅助电火花加工系统试验平台搭建,基于LabWindows/CVI环境开发了人机交互操作界面,进行了磁场辅助电火花微孔加工试验,验证了该微细电火花加工机床的稳定性。单脉冲试验结果表明,放电持续时间随着磁感应强度的增大而变长,磁感应强度的增大使放电凹坑直径增加、深度减小,材料去除体积增大。微孔加工试验结果表明,适当的外部磁场对电火花加工性能有显著的提升作用。施加0.3 T的外部磁场时,材料去除率得到提高,表面粗糙度有所降低。体积分数越大的SiC_p/Al复合材料去除率提高越明显,体积分数为65%的SiC_p/Al复合材料在施加外部磁场后,材料去除率提升高达96.85%。     

金刚石涂层刀具钻削高比分SiC_p/Al复合材料试验研究

SiC_p/Al复合材料与传统的金属材料相比,具有优异的物理和热学性能。但在孔加工中,棱边加工缺陷成为影响其在高端产品中使用的主要问题之一。开展金刚石涂层刀具钻削SiC_p/Al复合材料的试验研究,对试验力学信号进行分析,对出入口棱边缺陷形成机理及形貌特征做出了解释。结果表明:使用金刚石涂层刀具钻削SiC_p/Al复合材料时,每步钻削深度、进给速度和主轴转速对轴向力的作用依次减弱;出口处质量明显优于入口处,入口缺陷形成机理主要是Al基体的断裂和SiC颗粒脱落;金刚石涂层钻头适合用于加工SiC_p/Al复合材料。对于SiC_p/Al复合材料的实际加工应用有一定的参考价值。     

基于有限元分析的激波管电晕放电单元设计及特性分析

为在激波管中研究等离子体对碳氢燃料点火延迟时间的影响,基于有限元分析方法,模拟了在激波管末端面使用同轴放电的方式对激波管壁进行放电,计算了放电过程中的电参数,相比圆柱形电极,带尖端的放电电极更容易在局部产生更高的电场强度。内径10cm的圆筒中,对于直径1cm的电极,附加100k V的电压周围最大电场强度为176k V/cm。对于顶端带尖端的电极,尖端处的最大电场强度达到了435k V/cm。而对于侧面带尖端的电极,尖端处的最大电场强度约为250k V/cm。依据仿真的结果,设计了激波管放电单元,并进行基于激波管的电晕放电实验。研究了不同内径金属圆筒中电晕放电与电弧放电的电压范围。当圆筒内径为40mm时,适合电晕放电的功率范围为3~16.7W。圆筒内径为100mm时,适合电晕放电的功率范围为1.6~50.5W。     

Zn-Al-Si钎料钎焊铜/铝接头显微组织及性能研究

采用Zn-14.1Al-0.9Si和Zn-21.5Al-1.5Si两种钎料钎焊获得铜/铝接头,研究了Cu/Zn-Al-Si/Al接头Cu母材/钎缝界面结构、钎缝中心区显微组织、接头抗剪切性能和断口形貌.研究发现,Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头和Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头界面结构均为Cu/扩散层/Al4.2Cu3.2Zn0.7,其中Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层厚度分别为1～2 μm和3～4μm.2种铜/铝接头钎缝中心区均由α-Al固溶体,η-Zn固溶体,Zn-Al共晶和Si单质组成,未发现脆性CuAl2化合物.由于具有较薄的界面化合物层,在剪切力作用下,Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头断裂一部分起源于Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层,另部分起源于界面扩散层,而Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头断裂均起源于较厚的Al4.2Cu3.2Zn0.7化合物层.因此,Cu/Zn-14.1Al-0.9Si/Al接头的抗剪切强度高于Cu/Zn-21.5Al-1.5Si/Al接头,分别为60.1MPa和55.6MPa.     

锆组元改性Cf / SiC 的制备及烧蚀性能

通过对Cf/Si C复合材料基体进行改性制备了碳纤维增韧的超高温陶瓷基复合材料,并研究了其结构形式及组分比例对高温抗氧化耐烧蚀性能的影响。电弧风洞的测试结果表明:经过超高温陶瓷改性的Cf/Si C复合材料的抗氧化耐烧蚀性能明显提高,其中陶瓷基体中Zr C含量约为40wt%时,高温抗氧化耐烧蚀性能提高尤为显著,其在600 s来流条件为2 400 K/Ma0.6/0.5 MPa的电弧风洞考核试验条件下,质量烧蚀率仅为7.37×10-5g/(cm2·s),有望满足超燃冲压发动机燃烧室的使用要求。     

表面介质阻挡放电等离子体体积力实验

采用粒子图像测速(PIV)技术,在2200,4800,7300,14600Pa空气压力条件下,测量了高频高压表面介质阻挡放电(surface dielectric barrier discharge,SDBD)等离子体诱导流场.根据速度场和N-S方程求解了等离子体体积力分布,分析了空气压力和激励器电压对等离子体体积力影响.实验结果表明:相同空气压力时,激励器电压越高体积力越大.相同激励器电压时,体积力随空气压力升高减小.在体积力分布区域,体积力方向一致,较大体积力区域分布于体积力方向线上游,流场高速流动区域紧挨较大体积力分布区域,位于体积力方向线下游.