In traditional electrical discharge machining (EDM) of particle-reinforced metal matrix composites (PRMMCs), reinforcing particles tend to accumulate at the bottom of the discharge crater. This leads to a deterioration of the processing environment, resulting in undesirable discharge conditions such as arcing, which seriously affects the surface quality of the discharge crater and may even make processing difficult. To overcome this limitation, this study employs a step-pulse, increasing the instantaneous removal force to remove unmelted reinforcing particles wrapped in molten metal in the interpolar. This improves the discharge environment in the interpolar and increases processing efficiency, thus proposing an ejecting-explosion EDM (EE-EDM) method. Using SiCp/Al composites as the model material, together with a high-volume-fraction simulation model that explicitly embeds irregular particle geometries and random spatial distributions, thereby reproducing the microstructural geometry and spatial statistics of the PRMMCs. Combined with a high and low composite step-pulse waveform, a step-pulse vapor-jet driving source model is formulated. The study systematically investigates the material erosion and removal behaviors of PRMMCs during EE-EDM. Under equal input energy, EE-EDM delivers a 42.6% increase in MRR relative to EDM, confirming the efficiency of the EE-EDM removal mechanism. Agreement between simulation and experiment is evidenced by maximum dimensional deviations of 9.6% (radius) and 12.1% (depth) for discharge craters, validating the numerical framework. These outcomes establish a coherent theoretical framework for the EDM material removal mechanism of PRMMCs and provide actionable guidance for improving machining efficiency and surface quality.

SiCp/Al composites have excellent physical properties and are widely used in aerospace and other fields. Because of their poor machinability, they are often machined by non-traditional machining methods such as electrical discharge machining (EDM). In the process of EDM, due to the "shielding" effect of the reinforced particles of SiC, the local ejection force is low during the processing process, and it is difficult to throw the reinforced particles smoothly, which ultimately leads to a low material removal rate and poor surface quality. In this paper, a high-low-voltage composite ejecting-explosion EDM power supply is developed to explore the explosive effect of reinforced particles in the ejecting-explosion EDM process and the unique process law of the explosion process. The experiment platform uses self-developed CNC machining machine tools based on an ejecting-explosive EDM power supply, and the influence of a detonation-increasing wave on the processing of SiCp/Al composites with different volume fractions was studied by changing four factors: the open-circuit voltage difference, pulse current difference, pulse phase difference, and pulse width difference of the back wave behind the step front. The material removal rate and surface roughness were measured. The research results showed that the material removal rate could be increased to 164.63%, and the material surface roughness could be increased to 30.03% by adjusting the high and low pulse current difference from 1 A to 8 A. When the voltage difference between high and low wave (HLW) pulses increases from 40 V to 120 V, the material removal rate can be increased to 150.39%, and the material surface roughness can be increased to 20.49%. The material removal rate increases with the increase in pulse phase difference and open-circuit voltage difference. With the increase in peak current difference and pulse width difference, the material removal rate becomes faster at first and then slower. The surface roughness of materials increases with the growth of open-circuit voltage difference, peak current difference, pulse width difference, and pulse phase difference.

硬质合金是一种超硬材料,被广泛应用于机械制造尤其是航空航天、生物医疗仪器、模具制造等领域,由于极高的强度和硬度,对其材料表面进行机械磨削时会对磨削砂轮造成损害且磨削过程中产生大量的热量会导致工件的磨削烧伤及金相组织变化,影响硬质合金的使用性能。而电火花加工技术是靠工具和工件两电极间的脉冲性火花放电去除工件材料的,虽然不受材料强度和硬度等的限制,但其加工效率低且加工后的表面质量较差,不利于硬质合金材料的高效高质量加工。为此提出了超声辅助电火花磨削加工方法,即在电火花加工的基础上引入超声振动和电极旋转运动,强化放电区域工作介质的循环,提高加工效率并改善工件的表面质量。因此研制超声电火花磨削加工装置意义重大。研究内容如下:（1）对超声电火花磨削加工装置进行总体方案设计,包括电控系统和装置结构的方案设计。根据装置结构的设计方案,对装置的传动系统、动力系统等涉及的主要零部件进行选型与校核计算,对超声变幅杆支架及装置整体结构进行设计,绘制装置的三维模型图并进行装配关系的介绍,完成装置的研制工作。（2）研制了一套电火花加工电控系统,该电控系统包括脉冲电源及间隙控制系统两部分。基于脉冲电源的设计要求,采用可控式RC脉冲电源设计了粗、半精、精三种加工状态,并对三种加工状态进行性能测试。基于间隙控制系统的设计要求,采用全硬件电路的设计方法实时、快速的对间隙状态进行检测,并由单片机进行控制,根据间隙状态的检测结果驱使步进电机进给与回退,实现对间隙状态的自动控制。（3）使用研制的超声电火花磨削加工装置对硬质合金材料进行加工试验。探究不同电极材料对电极损耗的影响,以寻求一种高效低损的电极材料进行长时间的磨削加工试验。同时研究电流和电极转速的变化对硬质合金工件表面粗糙度及材料去除率的影响规律,结果表明:随着电流的增大,材料去除率增大,且表面粗糙度值也增大;随着电极转速的增大,材料去除率增大,但表面粗糙度值减小。并通过不同加工工况下的对比试验验证了超声电火花磨削加工可显著提升加工效率并改善工件的表面质量。本文所研制的超声电火花磨削加工装置具有体积小、成本低、加工效率高、脉冲能量可调、加工稳定性好等特点,可为后续研究硬质合金材料的表面去除加工提供试验装置的支持。

SiCp/Al复合材料因具有高比强度、高比钢度、高热导性等优良性质得到了广泛的应用。然而SiCp/Al复合材料的高硬度和高强度,给传统加工方式带来了诸多弊端,电火花加工由于其非接触加工的特点被认为是加工SiCp/Al复合材料的最有效方法之一。本文针对SiCp/Al复合材料在电火花加工中蚀除特性不够明确,特有的工艺规律不够掌握等问题进行试验研究,其中主要研究工作如下:（1）研究了SiCp/A1复合材料电火花加工蚀除特性。利用扫描电镜对SiCp/A1复合材料和铝合金单脉冲加工后的表面进行观察,分析加工表面形态与材料蚀除过程之间的对应关系,从材料表面能谱分析入手,研究了SiCp/A1复合材料的熔蚀特性;开展铝合金和SiCp/A1复合材料对比加工试验,对SiCp/A1复合材料与铝合金在加工中的材料去除率与电极损耗进行了对比分析,收集SiCp/A1复合材料电火花加工后的电蚀产物,通过电蚀产物的元素分析,研究了复合材料的抛出特性。（2）研究了SiCp/A1复合材料电火花加工材料去除率、电极损耗和表面质量的影响因素。设计了复合材料电火花加工的工艺试验,在材料去除率和电极损耗研究方面,分析了加工极性、电极材料及开路电压、峰值电流、主轴转速给加工带来的影响,并从复合材料的蚀除特性方向分析了上述因素的改变对加工产生的影响;在表面质量研究方面,分表面形貌和表面粗糙度两种情况进行分析。通过对加工表面形貌的观测及表面粗糙度的测量,分析了表面凸起、凹陷、重凝的形成及工艺条件对其产生的影响,研究了不同工艺条件对表面粗糙度的影响规律。（3）研究了基于响应面法的工艺优化。依据SiCp/Al复合材料电火花加工的单因素试验结果,选取开路电压、峰值电流、主轴转速三个代表性突出的因素及水平,利用Box-Behnken试验方法设计了加工试验,根据试验结果建立了开路电压、峰值电流、主轴转速与材料去除率和电极损耗之间的函数模型,对建立的响应面进行拟合评估,分析了因素之间的交互作用。以材料去除率最高、电极损耗最小为目标,在Design-expert 10软件中提取了工艺优化结果,并进行了试验验证。本文的研究工作揭示了SiCp/Al复合材料电火花加工的蚀除特性和工艺条件对加工产生的影响,对提升SiCp/Al复合材料的加工能力有重要指导意义。

颗粒增强金属基复合材料兼备金属基体和非金属颗粒增强体材料的综合特性,在具有较高的强度、韧性的同时,还具有耐热、耐磨等特殊优势。相比纯金属材料,高强高硬的难熔陶瓷颗粒的引入使得颗粒增强金属基复合材料的切削加工难度显著增大,特别是加工过程中存在严重的温升和刀具磨损问题,导致加工效率低下,加工精度难以满足要求。电火花加工具有非接触加工,不受材料强度、硬度限制等特点,非常适合颗粒增强金属基复合材料等难加工材料的精密加工。但是,由于增强颗粒与基体之间存在较大的物理特性差异,导致电火花加工颗粒增强金属基复合材料时,其在微观放电及材料蚀除过程机理方面与传统均质材料相比具有显著的特殊性,目前考虑颗粒增强金属基复合材料非均质特性的电火花加工机理仍不十分清楚。本文针对放电及材料蚀除机理开展研究,仿真模拟了放电击穿及放电通道形成的微观过程,建立了颗粒增强金属基复合材料电火花加工材料熔化、抛出、凝固模型。开展了材料蚀除过程全周期仿真,分析了不同放电参数下材料表面温度分布及熔池形貌,揭示了熔融基体材料与固态颗粒增强体高速抛出微观过程及凹坑形貌形成过程,分析了凝固过程中残余应力分布规律以及对微观裂纹的影响。本论文主要从以下方面开展研究工作:（1）电火花加工放电磁流耦合过程研究。分析放电击穿后放电通道形成、振荡及消逝物理变化过程。基于等离子体运动理论,推导出带电粒子振荡数学模型。以此为基础通过叠加放电感应磁场,进一步得到了放电通道内带电粒子在磁场中的磁流体运动方程。借助Fluent流体动力学软件,引入磁流耦合模块,建立了放电区域等离子体运动微观模型,模拟了放电击穿过程及其箍缩效应。探究了放电区域瞬态速度场和压力场动态特性,并通过仿真和试验揭示了放电通道振荡对凹坑形貌的影响规律。（2）复合材料基体与增强体微观熔蚀过程研究。依据颗粒增强金属基复合材料物性特点,分析其在放电击穿后能量转化过程;在考虑界面热阻存在的情况下,计算复合材料导热系数,以傅里叶传热方程为基础推导出金属基体及颗粒增强体热传导本构数学模型。以紫铜为电极,以铝基碳化硅复合材料为工件,使用二次开发接口将热流密度表达式编译为程序,作为热源加载到两极表面。对两极表面加热及熔化过程进行仿真建模,获得了沿半径及深度方向温度场分布云图,得到了包含熔融基体材料与固态颗粒增强体的熔池形貌。（3）熔融材料流固耦合抛出过程研究。在考虑等离子体振荡基础上,以磁流体动力学和流体力学理论为依据,推导出复合材料抛出数学模型。建立了熔融液态金属基体与颗粒增强体的材料抛出流固耦合动力学模型,使用二次开发接口将材料抛出数学模型编译为程序,作为放电抛出速度条件。研究了高压作用下放电区域磁流体力对熔池内熔融金属及颗粒增强体运动影响,探究了熔融金属夹带颗粒增强体抛出的微观过程,同时,得到了电极和工件蚀除体积随时间变化规律。（4）残余材料重凝微观过程研究。结合材料相变理论,考虑复合材料物性及相变过程的特殊性,分析各相材料性态演化及凝固过程。以流场仿真结果作为结构场初始条件,在结构场中建立了各相材料凝固模型,实现了流固耦合单向仿真分析,得到了熔融材料随时间相变过程,获得了重凝层内裂纹尖端应力重分布状态以及残余材料固化后的放电凹坑微观表面形貌。使用扫描电镜对凹坑表面形貌和表面裂纹分布情况进行观测,试验结果验证了仿真的正确性。（5）颗粒增强金属基复合材料电火花加工材料蚀除过程全周期分析。基于已有的独立仿真模型,构建热力磁流耦合场的多场耦合模型,开展复合材料电火花加工材料蚀除过程全周期分析。以紫铜为电极,建立颗粒增强金属基复合材料放电击穿过程、熔蚀过程、抛出过程以及凝固过程完整仿真模型,考虑不同放电参数的影响,研究了电加工参数对放电区域材料蚀除体积、电极相对损耗率以及残余材料冷却过程中多相材料性态演化和微观表面形貌影响规律。结果显示,随着放电能量增加电极相对损耗率也在增加,试验结果验证了仿真结果的正确性。

颗粒增强金属基复合材料具有高导热、高弹性模量、高硬度等优异性能,广泛应用于军事领域以及航空航天领域,但是传统的机械加工方法对其进行加工比较困难,而且加工效率低,电火花加工由于不受材料的强度、硬度限制的特点,在颗粒增强金属复合材料加工中具有较好的优越性。但颗粒增强金属基复合材料电火花加工存在材料蚀除效率低的问题,且目前对于其蚀除机理研究较少,由此本文通过对颗粒增强金属基复合材料单脉冲放电材料熔蚀和抛出过程进行仿真分析,并结合电火花加工试验验证了仿真结果,探究了颗粒增强金属基复合材料电火花加工材料蚀除过程,对提高材料蚀除效率起到指导意义。（1）单脉冲电火花加工材料熔蚀过程研究。基于颗粒增强金属基复合材料的多相材料特性以及传热学理论,分析放电热源,区分两相材料属性,建立增强颗粒均匀分布的单脉冲放电材料熔蚀过程二维模型,利用FLUENT软件熔化/凝固模型模拟热源条件下材料熔蚀过程。通过仿真结果,研究了脉冲宽度、峰值电流对材料熔蚀过程的温度场、熔池形貌以及熔池内熔化增强颗粒数量的影响。（2）材料的抛出与凝固过程研究。基于材料熔蚀仿真结果,考虑熔融材料与固相增强颗粒形成的流固耦合环境,采用VOF模型区分不同相态之间的相互作用,建立放电通道冲击以及气化爆炸力冲击作用下的材料抛出流体动力学模型。利用重叠网格与6DOF动网格相结合建立放电通道以及固相颗粒运动的几何模型。对材料抛出和凝固过程进行了仿真,并研究了开路电压、峰值电流对熔融材料以及固相增强颗粒抛出的影响,得到熔融材料和固相颗粒的速度场变化规律。（3）仿真模型的验证。进行颗粒增强金属基复合材料电火花加工试验,对比仿真结果,仿真熔池深度略大于试验凹坑深度,在误差允许范围内仿真模型相对准确。通过对凹坑表面形貌特征及成分进行分析,表明试验与仿真结果的凹坑形貌具有相同特征,同时在电蚀产物中检测含有增强颗粒,证明熔融材料能携带颗粒抛出在放电间隙中。综上,本文主要从颗粒增强金属基复合材料电火花加工材料蚀除的机理出发,通过仿真分析了材料蚀除过程,并研究了放电参数对材料蚀除的影响规律,结合试验验证了仿真结果的正确性,为进一步研究材料的高效蚀除提供了一定的借鉴意义。

钛合金具有比强度高、耐金属疲劳性高、耐腐蚀性能好等综合性能,广泛应用在化学工程、冶金、医药和核工业等领域中。但钛合金硬度及耐磨性较差,在对磨面上易产生粘结,这在很大程度上限制了其应用范围的进一步扩展。表面处理技术是提升材料综合性能的直接途径,而电火花沉积技术是近年来发展的表面处理技术,该方法具有沉积涂层冶金结合、无热变形、涂层力学性能好等优点,被国内外研究学者广泛关注。采用不同的电火花沉积放电电压、放电频率、比沉积时间,在钛合金表面制备了Ni Cr-3强化涂层,研究了不同工艺参数对涂层表面形貌、表面粗糙度、厚度的影响规律,并对涂层相结构和微区元素的分布情况进行了分析。为了比较不同工艺条件下获得涂层的组织结构,确定最佳的电火花沉积工艺,通过SEM、XRD等试验方法对涂层的微观组织结构进行了研究。实验使用某型号电火花沉积堆焊机,以Ni Cr-3镍基合金为电极材料对TC4钛合金块进行沉积加工。沉积前先对试样的表面进行打磨、抛光、清洗。沉积时采用单因素试验,选取不同的放电电压、放电频率、比沉积时间对工件进行沉积加工,试验过程中焊枪夹持电极材料在试样表面往复多次形成沉积涂层。最后利用3D形貌仪、扫描电子显微镜（SEM）及自带的能谱分析仪、X射线衍射仪（XRD）,对涂层的表面形貌、表面粗糙度、厚度、相结构和微区元素分布情况进行分析。得出以下结论:（1）涂层表面粗糙度随着放电电压的增大及比沉积时间的增大而增加,随着放电频率的增大而减小。（2）涂层厚度随着放电电压及放电频率的增大而增加,随着比沉积时间的增加而先增大后减小,故存在最佳比沉积时间,本试验的最佳比沉积时间为4min/cm~2。（3）涂层表面形貌呈凹凸不平,组织连续致密,存在"喷溅"的特征,当放电电压及比沉积时间增加时,涂层表面裂纹数量增加,当放电频率增加时,涂层表面裂纹数量减少。（4）涂层的主要成分是Ni3Ti、Ni2Ti、Cr2Ti、Cr1.93Ti1.07相。

电火花加工微小孔时,随着加工深度的增加,加工间隙内的电蚀产物和气泡将难以排出到加工区域外,从而会在加工间隙内堆积,影响加工效率。因此,在电火花加工微小孔的过程中,需要加入合理的排屑方法来改变间隙流场内流体的流动状态,从而促进电蚀产物和气泡的排出。本文通过有限元仿真的方法对冲液和电极旋转作用下电火花加工微小孔的过程进行仿真分析,并分析冲液速度和电极转速对间隙流场造成的影响,得到加工过程中有利于电蚀产物和气泡排除的工艺规律。主要研究内容和结果如下:（1）通过电火花加工孔的试验,得到了气泡的初始状态和脉冲放电产生电蚀产物颗粒的个数,运用Fluent中的VOF、DPM模型和二次开发（UDF）功能建立了电蚀产物和气泡的随机生成模型,从而建立电火花微小孔加工间隙流场气-液-固三相流仿真模型,并编写粒子统计程序,直观表明电蚀产物的排除效果。（2）基于仿真模型,仿真分析了单脉冲和连续放电条件下气泡和电蚀产物在加工间隙内的分布状况,结果表明多个气泡的扩展运动仅能排出小部分电蚀产物颗粒到侧面间隙内。通过加入冲液排屑方法,仿真分析了单侧冲液和中空内冲液作用下电火花加工孔的过程,得到了侧冲液速度增大一倍时,侧面间隙内流体流速约为原来五倍,排屑能力增强。随着加工深度的增加,当冲液速度不变时,底面间隙内流体流速几乎为0m/s,电蚀产物和气泡会堆积在一侧,不能起到排屑作用。内冲液下冲液速度增加一倍时,侧面间隙内流体流速也会增大一倍,加工深度对流体流速和排屑效果影响不大。（3）仿真分析了圆柱、削边和螺旋电极旋转作用下电火花加工孔的过程,得到了圆柱电极能促使电蚀产物和气泡沿侧面间隙缓慢上升,沿电极四周均匀分布。削边电极能使底面削边处的流体产生向上的速度,电蚀产物和气泡在侧面间隙内上升更快,并在削边处分布较多。螺旋电极能使流体产生螺旋向上的流场,向上的流速约为削边电极的十倍,电蚀产物和气泡能够沿螺旋槽快速上升。通过改变电极转速发现,当转速增大为5000r/min时,圆柱电极和削边电极底面间隙内颗粒数量会增多,螺旋电极会减少,表明圆柱电极和削边电极在特定转速时排屑效果好,螺旋电极随转速增加排屑能力增强。（4）进行不同排屑条件下的电火花加工孔试验,观察孔内壁出现烧痕的位置,研究发现烧痕的位置仿真中颗粒堆积的位置基本一致。记录加工指定深度孔时的加工时间,得到加工速度的变化趋势,发现和仿真中底面间隙内颗粒数量的变化趋势基本一致,对仿真结果进行一定的侧面验证。

To study the change of residual stress during heating and solidification of SiCp/Al com-posites, a one-way FSI (Fluid Structure Interaction) model for the solidification process of the molten material is presented. The model used process parameters to obtain the temperature distribution, liquid and solid-state material transformation, and residual stress. The crack initiated by the thermal stress in the recast layer was investigated, and a mathematical model of crack tip stress was proposed. The results showed a wide range of residual stresses from 44 MPa to 404 MPa. The model is validated using experimental data with three points on the surface layer. © 2022 by the authors. Licensee MDPI, Basel, Switzerland.

钛合金由于表面硬度低及耐磨性差而发展受限，利用电火花沉积技术对其表面进行改性处理可提升钛合金材料工作性能。以NiCr–3为电极在钛合金表面制备了强化涂层，分析了工艺参数对涂层表面粗糙度、表面形貌及厚度的影响规律，分析了不同工艺条件下涂层的微观组织结构变化规律。结果表明，随着比沉积时间的增加，涂层厚度先增加后减小，最佳比沉积时间为4min/cm~2；随着沉积频率的增加，表面裂纹数量有所减少；随着沉积电压、沉积频率以及比沉积时间的增加，涂层硬度不断增大，最后逐渐趋于稳定。所获涂层是由基体中Ti元素与NiCr–3电极发生反应生成的反应涂层，涂层的主要成分是Ni3Ti、Ni2Ti、Cr2Ti和Cr1.93Ti1.07等相。