留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究

季玉 周建平 汪兵兵 秦曹阳 唐伟

季玉, 周建平, 汪兵兵, 秦曹阳, 唐伟. 基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究[J]. 制造技术与机床, 2023, (4): 9-14. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.002
引用本文: 季玉, 周建平, 汪兵兵, 秦曹阳, 唐伟. 基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究[J]. 制造技术与机床, 2023, (4): 9-14. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.002
JI Yu, ZHOU Jianping, WANG Bingbing, QIN Caoyang, TANG Wei. Temperature field-based equivalent heat source study for short arc discharge machining of C/SiC composites[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (4): 9-14. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.002
Citation: JI Yu, ZHOU Jianping, WANG Bingbing, QIN Caoyang, TANG Wei. Temperature field-based equivalent heat source study for short arc discharge machining of C/SiC composites[J]. Manufacturing Technology & Machine Tool, 2023, (4): 9-14. doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.002

基于温度场的C/SiC复合材料短电弧放电加工等效热源研究

doi: 10.19287/j.mtmt.1005-2402.2023.04.002
基金项目: 国家自然科学基金项目“航空薄壁零件低压微弧铣削加工放电通道演化规律与变形抑制方法研究”(52265061)
详细信息
    作者简介:

    季玉,女,1996年生,硕士研究生,研究方向为特种加工技术。E-mail:ji_hezi@163.com

    通讯作者:

    周建平,男,1974年生,教授,研究方向为特种加工技术。E-mail: linkzhoujp@sina.com

  • 中图分类号: TG661

Temperature field-based equivalent heat source study for short arc discharge machining of C/SiC composites

  • 摘要: 针对C/SiC复合材料放电加工仿真普遍采用高斯热源,忽略间隙弧柱热效应的问题,文章以放电过程的热效应进行两部分等效。采用椭球体热源等效电弧弧柱,高斯面热源等效工件表面热效应,从平行和垂直于碳纤维两个方向进行温度场仿真,对比传统高斯热源与等效热源,并通过实验进行验证。结果表明:运用新型等效热源仿真,得到的凹坑尺寸比传统高斯热源更加接近实验加工的尺寸,预测精确度提高20%。

     

  • 图  1  C/SiC复合材料

    图  2  C/SiC加工示意图

    图  3  放电加工等效热源示意图

    图  4  短电弧放电加工边界条件示意图

    图  5  高斯热源加工材料

    图  6  等效热源加工方向垂直于碳纤维

    图  7  等效热源加工方向平行于碳纤维

    图  8  短电弧放电加工实验平台

    图  9  实验加工垂直于碳纤维凹坑尺寸

    图  10  实验加工平行于碳纤维凹坑尺寸

    表  1  C/SiC复合材料物理性能参数[12-13]

    参数碳纤维SiC
    密度/(kg/m3)1 8503 200
    比热容/(J/kg·K)710656
    导热系数/(W/(m·K))50(轴向)5(径向)185
    升华温度/K3 8232 973
    下载: 导出CSV

    表  2  仿真条件

    名称数值或条件
    放电电压/V30
    放电电流/A40
    放电频率/Hz600
    占空比/(%)90
    工件C/SiC
    半径R/mm0.57
    a=b/mm1.373 5
    c/mm0.58
    v/(mm/ms)0.386 6
    下载: 导出CSV

    表  3  实验条件

    名称数值或条件
    放电电压/V30
    放电频率/Hz600
    占空比/(%)90
    工件C/SiC
    电极Cu
    极性正极性加工(工件+,电极−)
    介质空气
    下载: 导出CSV

    表  4  垂直于碳纤维仿真参数与实验参数

    垂直于碳纤维高斯热源模拟仿真等效热源模拟仿真实验误差
    数值差值数值差值传统高斯热源等效热源
    X1/mm3.781 60.437 63.718 10.564 30.690.365 80.182 2
    X2/mm4.219 24.282 4
    Y1/mm2.781 90.438 62.714 20.574 10.690.364 30.168 0
    Y2/mm3.220 53.288 3
    Z1/mm2.090 80.069 22.057 00.103 00.180.615 60.427 8
    Z2/mm2.160 02.160 0
    下载: 导出CSV

    表  5  平行于碳纤维仿真参数与实验参数

    平行于碳纤维高斯热源模拟仿真等效热源模拟仿真实验误差
    数值差值数值差值传统高斯热源等效热源
    X1/mm3.752 00.485 73.689 50.617 90.880.448 10.297 8
    X2/mm4.237 74.307 4
    Y1/mm3.391 30.214 13.382 30.235 00.880.756 70.733 0
    Y2/mm3.605 43.617 3
    Z1/mm6.881 60.118 46.778 80.221 20.380.688 40.417 9
    Z2/mm7.000 07.000 0
    下载: 导出CSV
  • [1] Wang Y, Chen Z F, Yu S. Ablation behavior and mechanism analysis of C/SiC composites[J]. Journal of Materials Research and Technology, 2016, 5(2): 170-182. doi: 10.1016/j.jmrt.2015.10.004
    [2] Wang X L, Gao X D, Zhang Z H, et al. Advances in modifications and high-temperature applications of silicon carbide ceramic matrix composites in aerospace: a focused review[J]. Journal of the European Ceramic Society, 2021, 41(9): 4671-4688. doi: 10.1016/j.jeurceramsoc.2021.03.051
    [3] Naslain R R. SiC-matrix composites: nonbrittle ceramics for thermo-structural application[J]. Applied Ceramic Technology, 2005, 2(2): 75-84. doi: 10.1111/j.1744-7402.2005.02009.x
    [4] 刘巧沐, 黄顺洲, 何爱杰. 碳化硅陶瓷基复合材料在航空发动机上的应用需求及挑战[J]. 材料工程, 2019, 47(2): 1-10. doi: 10.11868/j.issn.1001-4381.2018.000979
    [5] Jiao H W, Chen B, Deng Z H. Influence of laser parameters on processing microgrooves of 2.5-dimensional C/SiC composites via nanosecond laser[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2022, 118: 85-101. doi: 10.1007/s00170-021-07318-6
    [6] Liu C, Li C, Gao L, et al. Micro-hole drilling of 2.5D C/SiC composite with picosecond laser: Numerical modeling and experimental validation on hole shape evolution[J]. Journal of Manufacturing Processes, 2022, 81: 852-864. doi: 10.1016/j.jmapro.2022.07.040
    [7] 何振丰, 杨晓冬. 碳纤维增强复合材料电火花加工温度场仿真及材料蚀除机理研究[J]. 电加工与模具, 2018(3): 8-11. doi: 10.3969/j.issn.1009-279X.2018.03.002
    [8] Yue X M, Yang X D, Tian J, et al. Thermal, mechanical and chemical material removal mechanism of carbon fiber reinforced polymers in electrical discharge machining[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2018, 133: 4-17. doi: 10.1016/j.ijmachtools.2018.05.004
    [9] 汪兵兵, 周建平, 许燕, 等. 镍基高温合金短电弧铣削加工性能与电极损耗规律研究[J]. 制造技术与机床, 2015(10): 139-143. doi: 10.3969/j.issn.1005-2402.2015.10.038
    [10] Li X Z, Zhou J P, Wang K D, et al. Temperature field simulation of the molten pool in SEAM[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2018, 94: 1513-1523. doi: 10.1007/s00170-017-0984-8
    [11] 秦曹阳, 周建平, 许燕, 等. 短电弧放电凹坑形成的分子动力学仿真与实验研究[J]. 制造技术与机床, 2022(7): 58-64.
    [12] Ohkubo T, Tsukamoto M, Sato Y. Numerical simulation of combustion effects during laser processing of carbon fiber reinforced plastics[J]. Appl. Phys. A, 2016, 196: 122-196.
    [13] Zhao Y H, Kunieda M, Abe K. EDM mechanism of single crystal SiC with respect to thermal, mechanical and chemical aspects[J]. Journal of Materials Processing Technology, 2016, 236: 138-147. doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.05.010
    [14] Liu K, Yang F, Wang S H, et al. The research on the heat source characteristics and the equivalent heat source of the arc in gaps[J]. International Journal of Heat and Mass Transfer, 2018, 124: 177-189. doi: 10.1016/j.ijheatmasstransfer.2018.03.048
    [15] Yang F, Liu K, Wang S H, et al. A thermal-stress field calculation method based on the equivalent heat source for the dielectric fitting under discharging[J]. Applied Thermal Engineering, 2018, 138: 183-196. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2018.04.057
    [16] 张发旺, 顾琳, 赵万生. 微细电火花加工的热源分布模型的研究[C]. 2012年全国电火花成形加工技术研讨会交流文集, 2012:101-107.
    [17] Ikai T, Hashiguchi K. “Heat input for crater formation in EDM” [C]. In: Proceedings of the 11th International Symposium on Electromachining, EPFL. Lausanne, 1995: 163-170.
    [18] 郭晨皓. 基于单脉冲实验的气中电火花温度场模型建立及仿真研究[D]. 哈尔滨: 哈尔滨工业大学, 2016.
    [19] 张锐. 基于水基工作液的高速电弧加工机理探索研究[D]. 青岛: 中国石油大学(华东), 2014.
  • 加载中
图(10) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  65
  • HTML全文浏览量:  7
  • PDF下载量:  18
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-12-10
  • 录用日期:  2023-02-16

目录

    /

    返回文章
    返回