颗粒增强金属基复合材料电火花高效喷爆加工机理及工艺研究

The machining of particle reinforced metal matrix composites (PRMMCs) has always been a hot issue of current world due to the high strength and high hardness of particle reinforcements. Electrical discharge machining (EDM) is considered as an effective method to process PRMMCs because of its special machining mechanism. Aimed at the low efficiency and high tool wear in EDM machining of PRMMCs, a solid phase ejecting method of reinforced particle is put forward, to deeply study the mechanism and process of efficient ejecting-explosion EDM for PRMMCs in this proposal. The detailed research contents include: the coupling effects of electromagnetic-thermo-impact effects in discharge plasma during material removal process are analyzed, to reveal the micro mechanism of thermo-force evolution during the growth, oscillation and deionization stages of discharge plasma; the micro thermal conduction model and property evolution model for multiphase materials and interphase interfaces are established, to clarify the melting and erosion characteristics PRMMCs; a solid phase ejecting method of reinforced particle is presented to explore the efficient removal mechanism of the carrying ejection of solid phase reinforced particles; the micro thermal conduction process and phase transition evolution process for the condensation process of the residual multiphase materials in discharge craters are conducted, to obtain the formation mechanism of micro surface of discharge craters; the ejecting-explosion EDM power supply and the multi-objective optimized processes of high efficient and low wear ejecting-explosion EDM machining for PRMMCs are developed. The achievements of this project are of great significance to enhance our technological level of advanced material machining.

由于增强体的高强度和高硬度，金属基复合材料的加工一直是世界各国研究的热点问题，电火花加工因其特殊的加工机理，被认为是金属基复合材料加工的有效方法。本项目针对目前颗粒增强金属基复合材料电火花加工效率低、电极损耗严重的问题，提出增强颗粒固相抛出法，对颗粒增强金属基复合材料电火花高效喷爆加工机理及工艺进行深入研究，内容如下：分析材料蚀除过程放电通道的电磁-热-冲击耦合作用，揭示其在生长、振荡及消逝阶段的热-力演变微观机理；建立多相材料及相间界面的微观热传导及性态演化模型，阐明颗粒增强金属的放电熔蚀特性；提出增强颗粒固相抛出法，探究增强颗粒固态夹带抛出的材料高效去除机制；研究放电凹坑内残余多相材料冷凝过程的微观热传导及相变演化过程，得到放电微观表面形成机制；开发电火花加工喷爆电源，探索适用于颗粒增强金属基复合材料高效低损耗电火花喷爆加工的多目标优化工艺，对提升我国先进材料加工技术水平具有重要意义。

针对颗粒增强金属基复合材料电火花加工效率低、电极损耗严重的问题，提出增强颗粒固相抛出法，开展了电火花高效喷爆加工机理及工艺研究。 .1）建立电磁-热-冲击耦合作用的放电区域微观物理环境仿真模型，虚拟表征了放电通道中电磁场、温度、流体速度及压力场等微观热-力环境指标变化及分布情况，建立放电通道生长、振荡、消逝阶段放电区域热-力作用子模型组，分析了放电过程各阶段瞬态速度场和压力场的动态规律，揭示了放电区域热-力演变微观机理；.2）推导出增强颗粒-界面-基体热传导本构模型，建立了SiCp/Al电火花加工放电热蚀仿真模型，分析了颗粒-金属多相材料及相间界面的组织结构及材料属性对放电热传导的影响机制，分析了放电参数与多相材料温度及熔蚀状态的对应关系，揭示各相材料及相间界面的性态演化规律，阐明多相材料的放电熔蚀特性；.3）提出增强颗粒固相抛出法，建立了微观材料蚀除流固耦合动力学模型，分析了放电通道磁流体力、冲击力、热爆炸力，以及热爆炸力与蒸汽炬力共同作用对熔池内流固耦合体运动的影响规律，获得了熔融金属夹带SiC增强颗粒高速抛出熔池的速度分布及运动轨迹，揭示增强颗粒固态夹带抛出的材料高效去除机制；.4）提出多相材料微尺度重凝流固耦合模型，获得了放电凹坑重凝层材料温度、固液相变及残余应力分布规律，以及残余颗粒-新生界面-重凝金属的材料重分布状态，模拟了残余材料固化后的放电凹坑微观表面形貌，揭示放电微观表面形成机制，最终实现了从熔蚀、抛出到重凝过程的电火花加工材料蚀除全周期仿真分析；.5）开发了一种高低压复合电火花喷爆加工脉冲电源，可实现脉冲相位、压差及幅值等波形参数的调整，开展不同粒度、颗粒含量SiCp/Al材料电火花喷爆加工系列化工艺试验，获得了各波形参数及放电参数对材料去除率、电极损耗和表面质量的影响规律，总结了颗粒增强金属基复合材料高效低损耗电火花喷爆加工多目标优化工艺。.研究成果对提升我国先进材料加工技术水平具有重要意义。