PRMMCs中电火花加工（EE-EDM）过程中的侵蚀机制与材料去除机理

《Composites Part A: Applied Science and Manufacturing》：Mechanisms of erosion and material removal in EE-EDM of PRMMCs

针对传统电火花加工中颗粒堆积导致加工环境恶化的问题，提出了一种新型EE-EDM方法，通过复合步进脉冲波形有效去除包裹在熔融金属中的未熔颗粒，显著提高材料去除率42.6%，并验证了数值模型的准确性。

　　

曲家伟|张世琦|张伟斌|王志光|沙志华|刘宇

大连交通大学机械工程学院，中国大连116028

摘要

在传统的粒子增强金属基复合材料（PRMMCs）的电火花加工（EDM）中，增强颗粒倾向于在放电坑底部积聚。这会导致加工环境的恶化，产生诸如电弧等不良放电条件，严重影响放电坑的表面质量，甚至可能使加工变得困难。为了克服这一限制，本研究采用了阶梯脉冲技术，通过增加瞬时去除力来清除夹在熔融金属中的未熔化增强颗粒。这改善了夹极区的放电环境，提高了加工效率，从而提出了一种喷射爆炸电火花加工（EE-EDM）方法。使用SiCp/Al复合材料作为模型材料，并结合了一个高体积分数模拟模型，该模型明确嵌入了不规则颗粒几何形状和随机空间分布，从而再现了PRMMCs的微观结构几何形状和空间统计特性。结合高电压和低电压的复合阶梯脉冲波形，建立了阶梯脉冲蒸汽喷射驱动源模型。该系统研究了PRMMCs在EE-EDM过程中的材料侵蚀和去除行为。在相同输入能量下，EE-EDM的材料去除率（MRR）比EDM提高了42.6%，证实了EE-EDM去除机制的有效性。模拟结果与实验结果的一致性通过放电坑的最大尺寸偏差（半径9.6%和深度12.1%）得到验证，从而验证了数值框架的准确性。这些成果为PRMMCs的电火花加工材料去除机制建立了连贯的理论框架，并为提高加工效率和表面质量提供了可行的指导。

引言

电火花加工（EDM）是一种专门的加工技术，在要求苛刻的应用中通常优于传统加工方法[1]、[2]。其基本原理是利用脉冲放电在夹极间隙中产生瞬态高温高压，使局部材料熔化甚至气化，从而实现材料去除[3]、[4]、[5]。与传统加工不同，EDM在加工过程中几乎不产生宏观切削力[6]、[7]，因此不受工件硬度、强度或韧性的限制。它特别适用于难加工材料，广泛应用于模具制造、航空航天和精密组件制造[8]、[9]、[10]。然而，当EDM应用于PRMMCs时，存在显著的限制[11]。先前的研究表明，增强颗粒通常具有高熔点和低热导率[12]，这使得在标准EDM条件下难以完全熔化并有效去除。结果，加工效率显著降低，表面质量恶化，电极磨损增加，工艺稳定性受到影响[13]、[14]。这一瓶颈严重限制了EDM在复合材料中的应用和更广泛的普及[15]、[16]。更复杂的是，PRMMCs中的增强颗粒形状不规则，尺寸多分散，并在基体中随机分布；它们在放电过程中与熔融基体和等离子体的相互作用非常复杂[17]。目前，PRMMCs在EDM中的材料去除机制缺乏系统和深入的解释。特别是，放电过程中增强颗粒的形态演变、传输和去除机制仍存在争议。因此，这一主题成为近期电火花加工机制研究的热点问题之一。

许多研究者研究了EDM过程中的侵蚀机制。Tang等人开发了一个磁流体动力学（MHD）等离子体通道模型，发现等离子体通道在电极和夹极间隙内表现出热流密度和能量的时变分布[18]。Zhang等人开发了一个材料去除模型，考虑了蒸汽喷射力，研究了不同放电时间下的材料去除和坑形形成过程，并通过单脉冲实验确认蒸汽喷射力是去除过程的主要驱动力[19]。Yang等人利用热流体分析计算了等离子体热流密度和压力场，发现热流分布的直径和压力都随间隙距离的增加而增加；此外，随着放电时间的增加，坑径的增长速度明显快于深度[20]。Tao等人采用高斯热源和体积分数（VOF）方法研究了熔化和去除阶段的工件材料分布，并通过数值模拟获得了坑和碎屑的几何形状[21]。Li等人建立了一个具有真实边界条件的热流体耦合模型，并结合高速相机观察了阳极熔池的演变和去除过程，揭示了由蒸发反冲压力主导的材料去除机制[22]。Yue等人发现，在EDM中，高温等离子体不仅熔化和蒸发电极，而且产生的金属蒸汽对熔池施加压力和剪切力，将材料从其中排出[23]。Li等人进一步开发了一个三维任意拉格朗日-欧拉（ALE）热流体模型，考虑了熔体流动、温度依赖的材料性质和相变，阐明了由蒸发反冲力和热毛细（Marangoni）力驱动的径向熔体运动，以及多脉冲形成的凸度[24]。然而，专门针对PRMMCs的EDM研究很少。Liu等人开发了一个针对SiCp/Al复合材料的单脉冲放电模型，假设SiC颗粒均匀分布，并分析了SiC颗粒和Al基体中的温度场演变以及熔池的形成。结果表明，随着脉冲宽度的增加，工件温度先降低后升高；此外，随着峰值电流的增加，工件温度上升[25]。

现有文献表明，大多数电火花加工的理论研究集中在对均匀单相材料的熔化和材料去除建模上。即使考虑到PRMMCs，增强颗粒也通常被理想化为在基体中均匀分布的二维、完美球形颗粒。此外，在将EDM应用于均匀合金和PRMMCs时，工艺设置往往不适应材料的独特特性。这种缺乏针对性的做法导致效率低下，在某些情况下甚至会导致加工不稳定或无法持续进行。尽管这些简化模型可以揭示热场、电场和机械场的基本作用，但它们与实际情况有很大差异。在实际电火花加工中，增强颗粒通常具有不规则形状、明显的尺寸分散和随机空间分布。这些因素直接影响放电瞬间颗粒与基体之间的界面接触状态和热传递效率，从而改变颗粒的熔化行为和去除路径。此外，增强颗粒在去除力作用下的去除模式及其重铸特性直接决定了放电坑内的微观形态和表层微观结构。显然，忽略颗粒的真实几何形状和分布，很难准确描述PRMMCs在电火花加工过程中的材料去除机制。

因此，通过阶梯脉冲高压阶段能量瞬时激增产生的瞬时去除力，未熔化的增强颗粒被熔融金属带入夹极间隙，从而改善了放电环境，提高了加工效率和加工质量。本研究通过将不规则的增强颗粒几何形状和随机分布纳入更现实的数值模型，超越了传统的简化方法。同时，使用自主研发的高压和低压阶段的复合阶梯脉冲电源来解决将增强颗粒带入夹极间隙的难题。该工作重点研究了EE-EDM过程中熔融金属和增强颗粒的演变，结合了实验和模拟。通过对侵蚀过程、坑形轮廓和碎屑形态的多尺度比较，阐明了增强颗粒的阶段依赖性去除机制，并验证了数值模型的准确性。这些结果有助于建立PRMMCs材料去除的系统性理论框架，为提高加工效率和表面质量提供了基础和工艺指导，对将EDM扩展到先进复合材料具有实际意义。

单脉冲放电侵蚀和去除过程的物理模型

EE-EDM采用交替低电压和高电压的复合阶梯脉冲波形，通过去除包裹在熔融金属中的未熔化固体颗粒来实现更高的侵蚀效率。如图1所示，在低压脉冲阶段，电极表面施加的能量相对较小。这一阶段主要熔化工件材料，形成熔池，而只有少量熔融基体材料被带入夹极间隙

侵蚀过程中熔池形态的变化

当热源作用于工件时，表面迅速形成高温区域，引发固液相变；熔池形态的演变如图9所示。在放电的早期阶段，熔池半径和深度迅速扩大。在15微秒时，由于增强颗粒的“屏蔽效应”，熔池底部从半圆形弧线变为“W”形轮廓

材料去除和坑形形成过程

在蒸汽喷射力的主导下，SiCp/Al复合材料在EE-EDM过程中的材料去除行为如图14所示。基于侵蚀过程模拟，我们提取了50微秒时的熔池形态和颗粒分布。利用热流密度与电参数之间的校准映射，将相应的电输入转换为蒸汽喷射速度边界条件，并施加在工具电极的下表面以驱动去除过程

材料去除过程的观察

针对微深孔（如热段航空航天发动机组件中的薄膜冷却孔和喷射孔）的严格要求，其加工效率和坑底表面完整性直接影响整体生产吞吐量和服役可靠性，本研究针对这些最关键的工程问题。基于机理分析，选择了一个代表性的航空航天微深孔配置作为基准案例进行比较

结论

为了研究SiCp/Al复合材料在EE-EDM中的侵蚀和去除的多方面特性，建立了一个包含随机分布的多边形增强颗粒的几何模型。该研究考察了侵蚀过程（包括熔池轮廓、温度场和颗粒状态演变）以及去除过程，重点研究了蒸汽喷射如何控制材料传输和坑形形成。主要发现总结如下：

• (1)
  电火花加工的模拟模型

参考文献

https://doi.org/10.6084/m9.figshare.30315970.

CRediT作者贡献声明

曲家伟：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原始草稿，方法论。张世琦：研究，形式分析，数据管理。张伟斌：验证，监督，研究。王志光：监督，项目管理。沙志华：监督，项目管理，方法论。刘宇：。

资助

本研究得到了国家自然科学基金（51875074）和辽宁振兴人才计划（XLYC2203059）的支持。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。