【摘要】：單晶碳化硅、鋁基碳化硅、陶瓷和硬質(zhì)合金等高性能零部件表面被加工出規(guī)則可控的微結(jié)構(gòu),可附加出新的工程應(yīng)用價(jià)值,這些高硬脆材料宏觀尺度與微觀結(jié)構(gòu)的精密加工依賴于超硬金剛石砂輪的磨削加工。在微磨削加工中,砂輪尖端極易磨損,其結(jié)合劑需要采用金屬基代替樹脂基,但是,其修銳修整的低效率一直是產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)瓶頸。因此,提出金剛石砂輪微尖端的干式接觸放電(ECD,Electro-Contact Discharge)修銳修整方法,利用砂輪表面分布的微磨粒切削銅電極卷起的切屑與砂輪金屬結(jié)合劑發(fā)生脈沖電火花放電,逐漸微去除金屬結(jié)合劑,實(shí)現(xiàn)高效率修銳修整。首先,研究砂輪微尖端的脈沖放電去除機(jī)制及其修銳修整工藝;然后,研究單晶碳化硅、鋁基碳化硅、硬質(zhì)合金等硬脆材料的微磨削性能;最后,探索微磨削結(jié)構(gòu)表面的工程應(yīng)用。(1)搭建了干式單脈沖放電去除的動(dòng)態(tài)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),開發(fā)出脈沖放電電壓和電流波形的在線監(jiān)控系統(tǒng),建立了脈沖放電電流波形特征化參數(shù)與砂輪結(jié)合劑微米尺度去除量之間的關(guān)系模型。研究發(fā)現(xiàn),靜態(tài)和動(dòng)態(tài)單脈沖放電的火花-電弧放電的臨界轉(zhuǎn)變值(峰值電流-脈寬比)分別為0.059和0.038,利用動(dòng)態(tài)脈沖放電波形特征化參數(shù)可以在修銳修整中預(yù)測(cè)微米尺度的金屬結(jié)合劑微去除,其預(yù)測(cè)誤差為5.6%~22.7%。(2)建立了金剛石磨粒和金屬結(jié)合劑微形貌的去除模型,揭示了放電能量參數(shù)、脈沖放電參數(shù)與砂輪結(jié)合劑去除之間的作用機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn),放電修銳中金剛石磨粒和結(jié)合劑的去除率分別為0.013 mm3/min和0.241 mm3/min。與機(jī)械修銳相比,干式ECD修銳可以分別提高修銳率和修銳效率約34倍和10倍,增加磨粒出刃高度約12μm,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金、模具鋼表面的干式準(zhǔn)鏡面磨削加工,其表面粗糙度Ra分別達(dá)0.089μm和0.022μm。(3)采用干式ECD修銳修整方法分別對(duì)SD600、SD1200和SD46的金剛石砂輪進(jìn)行微尖端修整,開發(fā)出三種不同粒度金剛石砂輪的微尖端放電修整工藝。SD600和SD1200金剛石砂輪微尖端修整的最小尖端半徑分別為33μm和15μm,最小角度誤差分別為1.1o和2.4o。修整后的微尖端金剛石砂輪能夠在硬質(zhì)合金和陶瓷表面加工出形狀規(guī)則的微溝槽和微錐塔陣列結(jié)構(gòu)。(4)與機(jī)械磨削相比,鋁基碳化硅陶瓷的干式放電磨削可以分別減少磨削力、磨削溫度和表面粗糙度約41%、1.3%和25.6%。砂輪轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度對(duì)放電磨削的表面粗糙度影響較大,切削深度的影響較小。開發(fā)出硬質(zhì)合金的干式放電微磨削工藝,與機(jī)械微磨削相比,能夠有效提高其微結(jié)構(gòu)表面加工質(zhì)量,得到合適的脈沖電源參數(shù):開路電壓為15 V,頻率為5000 Hz,占空比為50%。(5)利用SD600的微尖端金剛石砂輪在陶瓷曲表面加工出曲面微溝槽結(jié)構(gòu),微溝槽加工深度誤差為3μm,微尖端角度誤差為1.56o,尖端圓弧半徑為48μm。風(fēng)動(dòng)實(shí)驗(yàn)表明:微溝槽結(jié)構(gòu)曲面比光滑曲面減小空氣阻力約36%。此外,在工具電極上磨削加工出微陣列結(jié)構(gòu),可以實(shí)現(xiàn)模具鋼、鈦合金和鋁基碳化硅的微陣列放電成型加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:平均放電電流為1.5A時(shí),鋁基碳化硅的微成型精度較好;模具鋼的微放電加工去除率為鈦合金的17.5倍。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TG743;TG580.6

【參考文獻(xiàn)】

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