短电弧高效铣削加工极间流固耦合及非稳态放电特性研究

Short arc machining technology has a good performance in the cutting process of the large roll, roller, casing and other super-hard, high tough alloy shaft parts, becomes an important technical means to cut efficiently for difficult-to-machine materials; But in the short arc milling process, due to the low efficiency of the injected medium in the discharge channel, the difficult erosion of the material and frequent short-circuit phenomenon, has become the main bottleneck of the application of short arc milling technology, this project intends to focus on the following three aspects to carry out research :1.the fluid - solid coupling model of molten pool and medium in the discharge channel is established to solve and obtain the energy removal characteristics of the short arc machining process, reveal the heat transfer and medium flow in the double-wall confinement pool, and the change rule of the shape and the energy distribution, which provides the theoretical basis for the formulation of the processing technology program. 2. The arc model of the pulsed discharge channel under the double wall confining environment is established, and the electrical parameters rule influencing the time and area of the arc in the confinement channel is analyzed, which lays the foundation for the realization of the arc stabilization process. 3. The material and shape of the tool electrode are the key to ensure the controllable efficient machining and machining precision. The effects of different electrode shapes on the injection of the working medium, the removal of the material and the energy efficiency are studied, so as to provide the short arc milling technology engineering application support.

短电弧加工技术已经在大型轧辊、磨辊、机匣等超硬、高韧合金轴类零件的高效车削加工中有着良好的性能表现，成为难加工导电材料高效加工的一种重要技术手段；但在短电弧高效铣削过程中，由于放电通道内工作介质注入效率低、蚀除物积聚带离排出困难、频发短路现象，已成为制约短电弧铣削技术工程应用的主要瓶颈，因此拟围绕以下方面开展研究：1.建立放电通道内熔池和介质流固耦合模型，求解并获得短电弧加工过程中量能去除特性，揭示双壁约束熔池中的传热及介质流动规律、熔融形态蚀除物变化规律以及能量分布，为铣削工艺方案制定提供理论依据；2.建立约束环境下脉冲放电通道内电弧模型，分析影响约束通道内电弧作用时间和区域的电参数规律，为实现电弧稳定加工奠定基础；3.工具电极的材料和形状结构是保证可控高效加工和加工精度的关键，研究不同电极形状对于工作介质注入、蚀除物排出、电能效率影响规律，从而为短电弧铣削加工技术工程应用提供支撑。

本项目针对短电弧高效铣削加工极间流固耦合及非稳态放电特性展开研究，研究了短电弧铣削加工热-结构耦合、极间工作介质流场与放电熔池流固耦合机制；研究了脉冲电源内特性对非稳态电弧放电的影响规律；研究了工具电极材料和工具电极形状对加工性能的影响。本项目在以下方面取得了研究进展：（1）建立了极间流固耦合模型，研究了蚀除物位形对流场影响及其交互作用，得到了入口工作介质压力、电极转速、铣削深度等分别对放电间隙中压力场、速度场及蚀除颗粒分布的影响规律，揭示了双壁约束熔池中的传热及介质流动规律、熔融形态蚀除物变化以及能量分布规律；（2）建立了脉冲电源在约束通道内以非接触引弧方式的电源内特性与放电间隙之间的关系，得到了不同电参数和工作介质对非稳态电弧放电通道作用区域及燃烧时间的影响，并确定了影响电弧放电通道有效建立的主要因素，提高了引弧成功率；（3）得到了蚀除物与工作介质混合状态时引燃电弧和稳定电弧的放电特性，揭示了出现蚀除物积聚发生短路状态的电源内特性及熔融状态下重建电弧放电通道的触发机制，实现了电源反馈网络对燃弧电流参数的调节和控制，优化了电源内特性，确定了以电参数为实验变量下不同加工精度规准范围；（4）对比了不同电极材料（内衬紫铜结构的管状石墨、紫铜、纯石墨等）对材料蚀除率、电极损耗率以及放电加工性能的影响，揭示了内衬紫铜结构的合金材料工具电极的吸附效应，实现了在增强电极导电性的同时，减少了电极自身损耗，提高了加工效率和精度，开展了不同工具电极形状的加工工艺实验，得到了不同电极形状对工作介质的注入、蚀除物排出、电能效率等影响规律，实现了短电弧铣削加工的可控高效加工。项目研究过程中发表国内外期刊论文24篇，其中SCI收录7篇，EI收录3篇；申请实用新型专利6项、发明专利2项，共计8项；软件著作权2项（已授权）；培养博士研究生2名，硕士研究生13名。本项目将短电弧加工从传统车削方式拓展至铣削方式，并进一步揭示了高效铣削加工的深层机理，为短电弧铣削加工技术工程应用提供了支撑。