电熔爆技术单脉冲电弧的仿真与分析

根据电熔爆单脉冲电弧的物理模型,结合磁流体动力学与麦克斯韦方程组,建立电熔爆电弧等离子体的二维数学模型;通过对模型控制方程组和边界条件的数值处理,基于FLUENT二次开发软件,对电熔爆单脉冲稳态电弧进行数值模拟;根据模拟结果分析电熔爆等离子体的温度场、速度场和压力场,并与相关文献结果进行对比,验证了模拟仿真的正确性,有助于电熔爆技术的持续深入研究。     

电源类型对短电弧-电化学复合加工放电凹坑影响研究

放电凹坑大小影响着加工表面形貌的一致性,放电凹坑的凸起高度及凹坑表面的重铸层对加工表面质量有重要影响。文章基于短电弧-电化学复合加工方法,在直流与脉冲两种常用电源类型下对钛合金TC4进行单次放电实验,分析两种电源类型下的短电弧-电化学复合加工单次放电凹坑尺寸及影响规律;结合单次放电凹坑实验所采集到的波形与电弧放电过程仿真模型对电弧放电过程的等离子体放电通道变化进行研究。研究结果发现,直流与脉冲放电凹坑的尺寸与影响规律差异与电弧的断弧方式有关,不同的断弧方式对等离子体放电通道产生影响,直流电弧倾向于通过流体介质运动和极间距离改变进行断弧,而脉冲电弧通过脉冲后沿电压变化和极间距离改变进行熄弧。这两种断弧方式不仅影响了凹坑的尺寸形貌,也影响了断弧后的电化学腐蚀效果。     

焊接电流影响GMAW双丝焊电弧等离子体的数值模拟研究

基于电磁学理论和流体力学理论,建立熔化极气体保护焊(Gas metal arc welding,GMAW)双丝焊焊接电弧等离子体三维数学模型,利用流体力学软件Fluent对其进行求解。重点研究焊接电流对GMAW双丝焊电弧等离子体行为的影响规律,获得了电弧温度、电流密度、热通量、磁场分布等结果。研究发现,随着焊接电流的变化,电弧等离子体形状变化显著。随着焊接电流的增大,电弧最高温度和电弧偏转角随之增大,电流密度和工件表面热通量由双峰分布转变为单峰分布,并且热通量峰值随焊接电流的增大而增大。此外,随着焊接电流的增大,磁感应强度和磁场力随之最大,磁场分布由独立两个磁场向耦合磁场转变。为有效、定量地证明模拟结果准确性,开展焊接试验,利用高速摄像监测电弧行为,利用光谱测温测量电弧温度。结果表明模拟结果同试验结果吻合良好,研究结果为合理选择GMAW双丝焊焊接电流参数提供理论依据。     

电熔爆加工温度场有限元模拟

根据电熔爆实际加工情形,建立了电熔爆单脉冲加工的物理模型和数学模型;采用有限元模拟的方法,通过建立有限元模型,模拟在高斯热源、对流换热载荷共同作用的情况下电熔爆三维单脉冲加工的温度场分布。根据模拟结果得出脉冲电压对温度场分布的影响,并与实验结果进行比较,验证了仿真模型的正确性,可用于指导电熔爆加工机理的深入研究。     

基于圆台形热传导模型的慢走丝线切割仿真与试验

基于放电通道中等离子体的形成机理,根据慢走丝线切割在短脉冲放电加工时放电通道中电子流与离子流散射速度的差异,提出了圆台形热传导模型。采用基于圆台形热传导模型的有限单元法对航空材料Inconel 718的典型工况进行了仿真计算,系统地分析了放电能量对放电通道温度以及放电蚀坑深度的影响规律,并采用声发射检测技术在线监测慢走丝线切割的加工表面粗糙度。通过仿真结果与试验测得工件表面粗糙度Rt值的对比,再结合试验测得的声发射信号波形图特征及声发射信号均方根值发现：仿真计算得到的放电蚀坑深度与表面粗糙度Rt值吻合较好;声发射信号的强度随着放电能量的增加而增强,声发射信号强度随着放电温度变化速率的变小而减弱。最后回归分析得到材料表面粗糙度与声发射信号均方根值的数学预测模型,预测结果与测得的表面粗糙度误差仅为4.4%。     

电极旋转方式对小电流真空电弧特性的影响研究

以磁流体动力学(MHD)为基础,建立了小电流真空电弧的双温磁流体动力学模型及三维电弧的数学控制模型,仿真分析了小电流真空电弧的特性参数以及电机旋转对于电弧特性参数的影响。分析表明:小电流真空等离子体数密度、电子温度、离子温度、压强、纵向电流密度、能流密度的最大值都出现在电弧中心位置,并且沿径向逐渐减小,电弧等离子体从外观以及各项参数的分布上符合扩散型电弧的规律;同时,随着电极转速的增加,纵向电流密度、电子温度、离子温度、阳极侧能流密度都逐渐减小,分布更加均匀。     

喷雾电火花铣削加工的能量分配与材料蚀除模型

针对喷雾电火花铣削加工(Electrical discharge milling, ED-milling)建立电蚀坑形成过程的热-流耦合模型,并改进电火花加工中放电能量在阴极及阳极分配系数的判断方法来为所建立的蚀除模型提供边界条件。此外,通过试验得到不同放电参数下的电蚀坑半径,并对蚀坑半径随脉宽和电流变化的规律采用最小二乘法进行拟合作为等离子体扩张方程。基于材料蚀除的热-流耦合二维模型,应用仿真-试验比对的方法得到雾中电火花铣削加工时放电能量在正极的分配系数近似为0.29,负极分配系数约为0.025。根据相关加工参数及所建立的模型,对喷雾电火花加工的电蚀坑尺寸进行计算并与试验测量结果进行对比,两者误差约在8%,证明该模型是可信的。通过对比试验和分析结果,可知喷雾电火花铣削加工中放电通道中的能量分配在阳极的比例远大于阴极,从而揭示了在雾中电火花加工中工件接正极时材料去除率更高的原因。通过所建立的阴、阳极的蚀除模型,用于对喷雾电火花加工的材料去除率、表面粗糙度等进行推导和预测,从而优化工艺参数并减少加工成本。此外,所建立的模型可进一步扩展应用到液中、气中等多种电火花加工(Electrical discharge machining, EDM)中,并为EDM加工机理的研究提供了一种可行的方法。     

电弧能量对碳滑板/铜接触线高速滑动摩擦磨损性能影响

在环-块式高速摩擦磨损试验机上,试验研究在交流电场和不同接触压力条件下电弧放电对纯碳滑板/铜接触线高速滑动摩擦磨损性能的影响。试验结果表明:纯碳滑板/铜接触线的摩擦因数随着接触压力的增大而减小,无电流时,摩擦因数一般在0.38～0.59之间波动,有电流时,摩擦因数一般在0.27～0.57之间波动;随着接触压力的增大,电弧放电频率以及单个采样间隔时间内离线电弧放电能量随之减小;加载100 A电流时,纯碳滑板材料的磨损量高于无电流时滑板材料的磨损量,且磨损量随着接触压力的增大而逐渐减小;碳滑板的磨损率随电弧能量的增大而增大,呈比例关系。     

交变磁场作用下的GTAW非稳态电弧数值模拟

基于计算流体动力学(Computational fluid dynamics,CFD)软件Fluent,建立钨极惰性气体保护焊(Gas tungsten arc welding,GTAW)电弧非稳态三维数值模型,研究交变磁场作用下的非稳态电弧特性,为交变磁场在磁控焊接技术中的应用提供理论支撑。计算获得了外加交变轴向磁场作用下GTAW焊接电弧的温度场、速度场和压力场等结果,揭示了等离子体最高温度、阳极表面压力分布、阳极表面电流密度分布与时间的关系。对比分析磁场方向改变前后的计算结果发现,当外加磁场方向改变时,在反向旋转力作用下等离子体最大加速度能够达到6×10~7 m/s~2,在此加速度作用下,距离钨极较近的等离子体迅速改变旋转方向,而远离钨极的等离子体则来不及改变方向。当外加磁场磁感应强度为0.03 T、频率小于100 k Hz时电弧均能实现正反往复旋转,且阳极表面压力及电流密度分布不再是单一的双峰分布而是呈现单/双峰交替的周期性变化。试验中采用高速摄像系统拍摄了磁场方向改变后的电弧形态,焊接电弧先收缩后扩张,与模拟结果一致。     

侧铣式高速电弧放电加工的极间流场仿真及加工试验

在高速电弧放电加工方法的基础上提出一种用于加工连续曲面、直纹面等的新型加工工艺——侧铣式高速电弧放电加工方法。与其他利用电弧进行加工的工艺方法相比,侧铣式高速电弧放电加工主要利用电极的侧面进行电弧蚀除加工,可用于加工各种复杂曲面和曲率半径较大的型腔及沟槽、流道等。侧铣电极采用侧面周边及底面多孔结构,能够实现极间的强化内冲液,在电极旋转运动的配合下,可有效控制电弧进而达到高效去除材料的目的。为了深入研究流场对侧铣式高速电弧放电加工效果的影响,建立了加工过程的极间流场模型,仿真并分析了侧铣电极在不同冲液孔分布及冲液入口压力下的极间流场。分析及进一步的工艺试验结果皆表明,在冲液入口压力为1.6 MPa时,在保证电极结构强度的条件下,增加电极的周向孔数,可以实现极间工作液的充分流动,使流场分布更均匀,从而改善电弧放电状态,可以获得较好加工效果。试验表明,在峰值电流400 A时,侧铣式高速电弧放电加工Cr12模具钢的材料去除率可以达到4 095 mm~3/min,相对电极损耗率为2.5%。最后,采用侧铣式高速电弧放电加工方法进行了连续曲面及涡轮叶片特征流道加工的可行性验证。