微型陀螺儀因具有體積小、耐沖擊和低成本的特性成為陀螺儀發(fā)展的新方向,開展戰(zhàn)略級精度的微陀螺儀研究并進行產(chǎn)品開發(fā)具有重要現(xiàn)實意義。高精度陀螺儀的研制離不開高精度和高質(zhì)量的微細零部件的支撐。由于微細零件結(jié)構(gòu)尺寸的減小,運動結(jié)構(gòu)的運動特性受其尺寸效應(yīng)及表面效應(yīng)的影響越發(fā)顯著。所以微細零件制造不僅僅對其尺寸精度有嚴格的要求,并且對零件的表面同樣具有特殊的要求,如防腐、流體減阻、潤滑等。要實現(xiàn)微型陀螺儀的穩(wěn)定運轉(zhuǎn),需要高表面質(zhì)量的微流道,高尺寸精度的配合偶件結(jié)構(gòu)及其表面具有減阻效果。本文以具有特殊性能的鈹銅合金為研究對象,開展關(guān)于電火花加工技術(shù)在鈹銅材料上加工微小孔、微三維結(jié)構(gòu)以及電火花加工后表面的超疏水性的相關(guān)研究。在微小孔電火花加工過程中,工作液的循環(huán)速度隨深徑比的增加而降低,堆積在加工區(qū)域的電蝕產(chǎn)物將嚴重影響加工的穩(wěn)定性。本文通過對比電火花加工中工作液對鈹銅大深徑比微小孔加工的影響特性,提出了采用去離子水作為工作液的鈹銅大深徑比微小孔的加工方法,并實現(xiàn)了深徑比為23.26,直徑為215μm的微小孔加工。實驗分析表明:該加工過程中同時存在著電火花和電化學效應(yīng),由于雜散腐蝕的存在,導致所加工的微小孔端面及孔壁存在質(zhì)量差的問題。針對微小孔端面質(zhì)量差的問題,采用了保護電極法,通過將微小孔端面的雜散腐蝕轉(zhuǎn)移到保護電極表面的方式實現(xiàn)對微小孔端面的保護。針對微小孔表面質(zhì)量差的問題,采用了原位混粉電火花加工法,在工作液中加入粒徑為3.5-6μm的碳化硼顆粒,可成功將微小孔的表面粗糙度值由Ra 2.65μm降為Ra 0.92μm。由于工具電極損耗的存在,使得微三維結(jié)構(gòu)的電火花加工成為難點,尤其是具有曲面形貌的微三維結(jié)構(gòu)。本文分別研究了電火花分層銑削及電火花成形加工方法對微球窩加工的影響規(guī)律。實驗結(jié)果表明:采用電火花分層銑削由于銑削路徑長和電極損耗,導致所加工的微球窩結(jié)構(gòu)的形狀精度和表面質(zhì)量較差,難以滿足微型陀螺偶件的使用性能要求,但研究結(jié)果對普通球窩類零件的電火花加工具有普適意義。針對微型陀螺偶件球窩的加工,提出了采用配合鋼球做為工具電極進行電火花成形加工的方法,并針對鋼球工具電極重復定位精度差的問題,研制了基于磁力吸附的球形工具電極快速裝夾裝置,實驗研究了球窩加工過程中的工具損耗特性及其對加工質(zhì)量的影響,實現(xiàn)了球形工具電極快速、高精度的裝夾和配合偶件中球窩的高精度加工。材料表面的超疏水性不僅與材料的表面能有關(guān),更重要的是材料表面的微觀形貌。電火花加工特殊的材料去除方式?jīng)Q定了其加工后的表面具有微凸起與微凹坑共存、且結(jié)構(gòu)相似的微觀結(jié)構(gòu)。本文通過對鈹銅微細電火花加工表面形貌特征及鈹銅表面的潤濕狀態(tài)的分析,初步確立了鈹銅微細電火花加工表面形貌與超疏水性的關(guān)系。研究了鈹銅微細電火花加工參數(shù)對表面形貌的影響規(guī)律。通過鈹銅微細電火花加工表面接觸角的理論值與測量值的對比,驗證了鈹銅微細電火花加工表面形貌與超疏水性關(guān)系的正確性。并以鈹銅微細電火花加工表面的微米級結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ),采用火焰沉積法在其表面構(gòu)建納米結(jié)構(gòu),依靠微納分級結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了其表面的超疏水性。利用液體蒸發(fā)過程中毛細作用力對顆粒的聚集作用,采用煤油浸濕后加熱干燥的方法,提高了納米結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。實驗表明:經(jīng)過處理的表面,提高了其表面的超疏水性能,增強了表面的耐腐蝕性、抗機械沖擊和表面減阻性能。與光滑鈹銅表面相比,對腐蝕電流密度和電荷轉(zhuǎn)移電阻的抑制效率可達98.77%和99.38%。提出了基于微細電火花加工的超疏水表面的批量制備方法,并且該方法可以實現(xiàn)多種金屬材料超疏水表面的批量制備。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2018
【中圖分類】：TG661
【部分圖文】：

圖 1-1 液浮支撐式轉(zhuǎn)子陀螺結(jié)構(gòu)示意圖[9]Fig.1-1 Schematic diagram of hydraulic floating support gyroscope[9]轉(zhuǎn)子運轉(zhuǎn)過程過程中，液膜與球窩之間的摩擦力成為限制轉(zhuǎn)速提研究表明，超疏水表面可有效減少流體與固體表面之間的摩擦力的超疏水性不僅與材料的表面能有關(guān)，更重要的是材料表面的微屬材料要實現(xiàn)其超疏水性，通常需在基體材料上制作微納結(jié)構(gòu)和能[16, 17]。表面微納結(jié)構(gòu)的制備一般通過等離子刻蝕、電化學反應(yīng)備過程繁瑣且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差[14, 18, 19]。微細電火花加工特殊的材料加工后的表面具有均一的微米結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為超疏水表面的制備結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。因此，探索一種基于微細電火花加工表面形貌的簡制備超疏水表面的方法，對實現(xiàn)超疏水表面的制備及其表面的流要的應(yīng)用價值。銅的加工研究現(xiàn)狀

金剛石與鈹銅合金中的鈹顆粒相互作用會造成加工表面的塑性變形，影響表面質(zhì)量；鈹堅硬顆粒與金剛石刀具作用增加刀具的磨損。圖1-2 端銑刀在鈹銅上加工的微流道電鏡圖[23]Fig.1-2 SEM of microfluidic channel machined bymicro-end milling on Be-Cu alloy[23]圖1-3破碎鈹化物在加工表面形成的拖尾效應(yīng)[25]Fig.1-3 Smearing of a broken beryllide onthe machined surface[25]針對鈹銅材料的機械切削加工存在以下問題[27-30]：（1）在加工過程中會產(chǎn)生顆粒狀碎屑，碎屑與刀具摩擦增加刀具的損耗；（2）刀具與較硬的鈹顆粒相接觸會增加機床主軸上的機械應(yīng)力；（3）大的切削深度會增加晶格的扭曲和孿生，及晶格的微裂紋，降低材料的斷裂韌性；（4）接觸式切削加工，將在表面產(chǎn)生積屑瘤，嚴重影響所加工表面的表面質(zhì)量；（5）鈹及其化合物具有很強的毒性，在切削加工過程中形成的含鈹粉塵影響工人的健康。電火花加工是一種非接觸式的加工，可以不考慮材料的韌性及機械強度。并且電火花加工一般為浸液加工，可以有效減少加工過程中含鈹粉塵的生成，減少?

銅進行車削加工，由于鈹顆粒的脆性斷裂，在加工表面產(chǎn)生劃痕，如圖 1-3 所示針對切削加工中鈹顆粒對加工表面及刀具的影響特性，印度學者 Sharma 等人[利用分子動力學對金剛石刀具切削鈹銅材料過程進行仿真研究。仿真結(jié)果表明金剛石與鈹銅合金中的鈹顆粒相互作用會造成加工表面的塑性變形，影響表面量；鈹堅硬顆粒與金剛石刀具作用增加刀具的磨損。
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本文編號：2889352