【摘要】：針對(duì)傳統(tǒng)電火花加工中存在的材料去除率低及間歇通氧電火花誘導(dǎo)可控?zé)g加工EDM-I AM(Electrical Discharge Machining-Induced Ablation Machining)可控性及穩(wěn)定性差的問(wèn)題,本文提出了功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工方法,通過(guò)功能電極內(nèi)部彼此獨(dú)立的通道同時(shí)向加工區(qū)域通入氧氣和工作液,利用兩者的相互沖擊作用,把氧氣流分散成氧氣泡并均勻分布于液體介質(zhì)中,在兩極間形成氣液相間的燃燒氛圍。利用電火花放電在電極表面產(chǎn)生的高溫作為外部熱源,點(diǎn)燃氧氣泡中的工件材料,產(chǎn)生燃燒反應(yīng),消耗、熔化工件材料。燒蝕加工在電火花加工中引入金屬燃燒產(chǎn)生的化學(xué)能作為新的加工能量,提高了電火花加工的材料去除率。本文設(shè)計(jì)并制造了鉆、銑、車等加工方式的功能電極,構(gòu)建了相應(yīng)的電火花誘導(dǎo)燒蝕加工系統(tǒng),進(jìn)行了電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的機(jī)理分析和試驗(yàn)研究;提出了燒蝕加工控制策略和控制方法,探索了功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的工藝規(guī)律,通過(guò)對(duì)加工表面的修整和原位合成Ti N強(qiáng)化涂層獲得良好的加工表面。具體工作如下:1.針對(duì)前期采用間歇式通氧電火花放電誘導(dǎo)燒蝕加工中燃燒反應(yīng)不能連續(xù)進(jìn)行、加工過(guò)程不穩(wěn)定的缺點(diǎn),設(shè)計(jì)制造了電火花誘導(dǎo)燒蝕鉆、銑和車削功能電極,實(shí)現(xiàn)了氧氣和工作液分別通過(guò)專用通道噴入加工區(qū)域,形成氣液相間的燃燒氛圍,滿足金屬在氧氣中的燃燒條件,并通過(guò)調(diào)節(jié)氧氣與工作液的比例控制燃燒反應(yīng)的劇烈程度,實(shí)現(xiàn)了燒蝕加工的高效、可控、穩(wěn)定進(jìn)行。由功能電極系統(tǒng)、試驗(yàn)機(jī)床、電極旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、工作液循環(huán)系統(tǒng)和氧氣供給系統(tǒng)構(gòu)建了鉆、銑、車削等加工方式的功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工系統(tǒng)并進(jìn)行了燒蝕加工試驗(yàn)。2.對(duì)功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工機(jī)理進(jìn)行了研究。使用功能電極極間介質(zhì)模擬裝置對(duì)極間介質(zhì)分布和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行了模擬,研究了氣液壓力比對(duì)極間氣液分布及運(yùn)動(dòng)規(guī)律的影響,分析了氧氣泡對(duì)極間電場(chǎng)和放電擊穿的影響。為研究電極結(jié)構(gòu)、端面形狀對(duì)燃燒蝕除的影響,采用不同端面形狀電極進(jìn)行單脈沖試驗(yàn),研究了放電通道結(jié)構(gòu)、放電坑直徑變化及電極端面形狀對(duì)放電通道遷移的影響規(guī)律,表明由薄壁管狀電極組成的功能電極適合進(jìn)行燒蝕加工;通過(guò)管狀電極常規(guī)電火花加工和燒蝕加工的單脈沖試驗(yàn),研究了燃燒反應(yīng)的誘發(fā)機(jī)理,研究發(fā)現(xiàn),燃燒反應(yīng)是由放電蝕坑邊沿誘發(fā),由放電熱加速表面氧化反應(yīng)產(chǎn)生;電火花放電過(guò)程受燃燒反應(yīng)影響很小,能夠獨(dú)立進(jìn)行,在燒蝕加工中始終發(fā)揮著重要作用;燃燒反應(yīng)被誘發(fā)產(chǎn)生后能自持進(jìn)行,并自主傳播,直至氧氣耗盡。通過(guò)對(duì)電火花誘導(dǎo)燒蝕加工誘發(fā)機(jī)理及能量來(lái)源分析,發(fā)現(xiàn)燒蝕加工由電火花蝕除和燃燒蝕除兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的過(guò)程組成,其中電火花蝕除作為燃燒反應(yīng)的外部熱源,是燃燒蝕除的先導(dǎo),當(dāng)電火花放電誘導(dǎo)產(chǎn)生燃燒反應(yīng)之后,二者保持相對(duì)獨(dú)立,燃燒依靠自身釋放的燃燒熱,不斷加熱點(diǎn)燃周圍工件材料,自主向外傳播,直至氧氣耗盡,而電火花蝕除在脈沖電源作用下,重復(fù)放電過(guò)程,蝕除工件材料并不斷誘發(fā)燃燒反應(yīng)。3.通過(guò)對(duì)燒蝕加工機(jī)理的分析,針對(duì)燒蝕加工由電火花蝕除和燃燒蝕除兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立過(guò)程組成的特性,分析了燒蝕加工的控制因素,提出了控制策略,設(shè)計(jì)并構(gòu)建了采用獨(dú)立系統(tǒng)分別對(duì)電火花蝕除和燃燒蝕除進(jìn)行控制的燒蝕加工控制系統(tǒng)。一方面,利用常規(guī)電火花加工控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)電火花蝕除和伺服進(jìn)給的控制;另一方面,通過(guò)檢測(cè)極間平均電壓,實(shí)現(xiàn)對(duì)加工區(qū)域氣液比例的控制,達(dá)到控制燃燒蝕除劇烈程度的目的。通過(guò)改變放電門檻電壓,研究其對(duì)燃燒反應(yīng)誘導(dǎo)作用的影響,結(jié)果表明常規(guī)電火花加工伺服控制系統(tǒng)能滿足燒蝕加工的需要。通過(guò)極間氣液壓力比對(duì)電導(dǎo)率的影響試驗(yàn),研究了極間平均電壓反映氣液比例的可行性,并進(jìn)行不同氣液壓力比下的燒蝕加工試驗(yàn),研究極間氣液壓力比、極間平均電壓和燒蝕加工材料去除率的關(guān)系,實(shí)現(xiàn)了根據(jù)極間平均電壓控制加工區(qū)域氣液比例,進(jìn)而控制燃燒蝕除的劇烈程度。4.研究了電參數(shù)(脈沖寬度、加工電流等)和非電參數(shù)(氧氣壓力、工作液壓力、電極轉(zhuǎn)速等)對(duì)功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的影響規(guī)律。研究表明,燒蝕加工的材料去除率是傳統(tǒng)電火花加工的數(shù)十倍,且具有明顯的極性效應(yīng);燒蝕加工的材料去除率和表面粗糙度值與脈沖寬度、平均電流、氣液壓力比等成正比,與工件轉(zhuǎn)速成反比。電極相對(duì)損耗與脈沖寬度、平均電流、氣液壓力比等成反比,與電極轉(zhuǎn)速成正比;分析了燒蝕加工的材料去除率、電極相對(duì)損耗和表面粗糙度值的影響因素;通過(guò)試驗(yàn),探索了材料特性對(duì)燒蝕加工的影響,研究了燃燒熱熔比、氧化層特性對(duì)燒蝕加工性能的影響,并分析了電極相對(duì)損耗的影響因素;通過(guò)對(duì)鉆、銑、車等加工方式的對(duì)比試驗(yàn),研究了加工方式對(duì)燒蝕加工的影響規(guī)律。5.為提高功能電極電火花誘導(dǎo)燒蝕加工的表面質(zhì)量,提出了能量逐次遞減修整的方法,對(duì)加工表面進(jìn)行修整。根據(jù)加工余量和燒蝕深度,采用按等差數(shù)列的方法選取加工參數(shù),逐次降低燒蝕加工能量,用較小能量修整前一次表面,最終獲得精修的目標(biāo)面,從而在具有較高材料去除率的同時(shí)獲得較好的表面質(zhì)量;針對(duì)燒蝕形成的氧化層等缺陷,采用功能電極或柔性電極向加工區(qū)域通入氮?dú)?利用電火花放電熱使氮元素與鈦材料發(fā)生反應(yīng),在加工表面原位合成Ti N強(qiáng)化涂層,改善表面材料成分和性能。研究表明,在加工表面原位合成的Ti N涂層厚度可達(dá)1mm以上,顯微硬度可達(dá)1859.6HV,Ti N涂層與基體是相互滲透的冶金結(jié)合,結(jié)合強(qiáng)度好。因此,能夠通過(guò)對(duì)燒蝕加工表面的修整和強(qiáng)化處理獲得硬度高、表面質(zhì)量好的加工表面。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：南京航空航天大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG661

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本文編號(hào)：2383115