电火花加工工件表面变质层和残余应力的仿真分析

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电火花加工(EDM)工件表面最重要的特性之一是变质层和残余应力。为了研究碳化硅陶瓷材料电火花加工过程中产生的变质层和残余应力问题,本文使用有限元仿真分析对表面变质层和残余应力的产生机制及其分布进行了建模。对单脉冲放电和多脉冲放电形的电火花加工蚀除过程进行了分析,研究SiC材料在放电蚀除下的热通量的高斯分布,用于恒定脉冲时间和不同放电半径的分析。通过仿真分析电火花加工SiC放电过程,工件的熔化区存在一个较高的压力梯度,发现熔化区和与熔化区接触的变质区具有更高的应力梯度。压力梯度和剪应力场是造成放电坑凸起的主要原因。使用单位振幅形状函数来描述曲率相对于去除深度的变化,并且提出了用一种用三个常数系数表示的幅度和脉宽相同但中心位置相反的两个高斯峰之和的高斯热源分布方式,用于设置放电加工区域。通过ANSYS仿真软件,建立了电火花加工工件表面的残余应力二维轴对称模型,用于预测SiC工件的温度和残余应力变化,仿真结果表明,当放电发生时,模型会识别工件上的不同区域,例如熔化区、热冲击区、沸腾区等。基于有限元分析,分析了电火花加工放电蚀除过程中残余应力的产生机制,研究结果表明随着放电加工的进行残余应力会在电蚀凹坑边界周围的各个方向累积的现象;残余应力本质上既具有拉伸性又具有压缩性,并且在一次火花后它们会少量留在工件中,并且随着时间的推移而积累,从而以微裂纹的形式造成表面损坏。该模型基于ANSYS软件创建,该软件使用有限元技术求解问题特有的基本控制方程和边界条件。
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