第 1 章 緒 論

本文針對 TiC/Ni 金屬陶瓷材料，研究其電火花加工條件和加工特性，對其加工蝕除過程進(jìn)行理論和試驗(yàn)研究，分析加工表面微觀形貌和利用有限元仿真技術(shù)研究電火花加工蝕除過程，進(jìn)一步深化電火花加工技術(shù)的基礎(chǔ)理論；通過 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工工藝試驗(yàn)研究總結(jié)優(yōu)化加工工藝參數(shù)，為金屬陶瓷提供一種有效的加工手段，解決難以加工高精度、高質(zhì)量金屬陶瓷的問題，從而真正發(fā)揮金屬陶瓷材料的優(yōu)越性能，為金屬陶瓷材料的應(yīng)用開辟更廣闊的空間，尤其是在要求具有耐磨損、耐高溫、高強(qiáng)度等特性的零部件加工方面，更有效地提高產(chǎn)品的可靠性，有助于提升我國金屬陶瓷材料的加工與應(yīng)用水平。因此，本課題對 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工的研究具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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第 2 章 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工溫度場仿真研究

2.1 引言

電火花加工過程是一個(gè)復(fù)雜的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程，主要利用放電時(shí)的瞬時(shí)高溫作用來蝕除工件材料，因此影響放電蝕除作用的關(guān)鍵在于工件加工部位表面的溫度場分布，但由于電火花加工具有放電時(shí)間短、放電間隙小、瞬時(shí)溫度高等特點(diǎn)，目前現(xiàn)有檢測手段很難對放電過程進(jìn)行監(jiān)測與觀察，而有限元數(shù)值模擬方法為研究電火花放電時(shí)的瞬態(tài)熱傳導(dǎo)過程提供了一種手段。對單脈沖放電溫度場的仿真國內(nèi)外研究的較多，但大多針對單一成分或?qū)?fù)雜成分簡化成單一均勻成分處理的材料進(jìn)行建模，忽略了材料的復(fù)雜結(jié)構(gòu)對材料加工蝕除的影響。隨著金屬陶瓷材料的興起，電火花加工必然會成為加工這類復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的一種重要方法，為研究其蝕除過程，必不可少的要進(jìn)行有限元仿真研究，但材料均一分布模型能否適合復(fù)雜結(jié)構(gòu)材料的電火花加工仿真分析，還有待進(jìn)一步確認(rèn)。TiC/Ni 金屬陶瓷材料是由不同組分的碳化鈦顆粒與金屬鎳混合制備而成的，與單一的陶瓷相材料和單一的金屬相材料都有很大的差別，屬性上并不是簡單的數(shù)值疊加。因此，建立碳化鈦顆粒隨機(jī)分布模型，在溫度場仿真中可以更加真實(shí)地仿真實(shí)際情況。

2.2 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電模型的建立

如圖 2-1 所示為建立的 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電物理模型。在電火花放電加工過程中，當(dāng)工件和電極之間距離極小時(shí)，兩者間絕緣介質(zhì)被擊穿后形成放電通道，放電通道的能量主要通過熱傳導(dǎo)的方式進(jìn)入工件，同時(shí)工件吸收的部分能量在放電點(diǎn)周圍以對流換熱的形式散失到放電間隙中。圖 2-2a）和圖 2-2b）分別為 TiC/Ni 金屬陶瓷材料未加工表面和已加工表面形貌照片，可以看出，碳化鈦顆粒以近似球體形式存在，加工之前，碳化鈦顆粒鑲嵌在鎳基體中，加工之后，由于材料的熔化、氣化，部分未蝕除的碳化鈦顆粒裸露，通過測量碳化鈦顆粒尺寸，確定其粒徑范圍為 4-12μm。圖 2-2 c）為通過 SEM 觀測到的放電蝕除凹坑尺寸最大（峰值電流 19.2A、脈寬 15μs）的加工表面，通過測量得到凹坑直徑范圍為 69-77μm。本章選取 1/4 模型進(jìn)行仿真，同時(shí)考慮到熱量在工件中的傳遞及邊界條件，在經(jīng)過多次模型大小變化嘗試，取邊長為 100μm 的正方體作為仿真模型。

第 3 章 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工工藝試驗(yàn)研究................38
3.1 引言 ......... 38
3.2 試驗(yàn)裝置和數(shù)據(jù)測量方法........... 38 
3.3 加工工藝參數(shù)對 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工的影響研究 ....... 39 
3.4 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工表面微觀特性分析 ........... 49 
3.5 本章小結(jié)..... 56
第 4 章 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化研究 ...........57
4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)...... 57
4.2 信噪比分析 ... 58
4.3 單目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化分析.......... 59 
4.4 多目標(biāo)工藝參數(shù)優(yōu)化分析.......... 65 
4.5 本章小結(jié) ........... 70
結(jié) 論…………71

第 4 章 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工工藝參數(shù)優(yōu)化研究

4.1 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本試驗(yàn)是在 HCD400K 精密電火花成形機(jī)上進(jìn)行的，工具電極選用 Φ2mm的紫銅電極，工件為厚度為 3mm 的 TiC/Ni 金屬陶瓷，負(fù)極性加工，目標(biāo)加工深度為 1mm，工作液為煤油。試驗(yàn)采用六因素五水平的正交表 L25(5)6進(jìn)行正交試驗(yàn)研究，選用的具體試驗(yàn)工藝參數(shù)及其水平如表 4-1 所示。其中，抬刀周期由抬刀高度和底面加工持續(xù)時(shí)間構(gòu)成。電火花加工中由于存在隨機(jī)干擾的影響，使得試驗(yàn)結(jié)果存在一定的不確定性，因此，為得到更可靠的試驗(yàn)結(jié)果，需要進(jìn)行重復(fù)性試驗(yàn)，試驗(yàn)中每組試驗(yàn)重復(fù)進(jìn)行三次，試驗(yàn)結(jié)果如表 4-2 所示。

4.2 信噪比分析

由于電火花加工是一個(gè)復(fù)雜的加工過程，其加工效果受到多種因素的影響，而且在相同因素條件下下也存在一定的波動，因此，為了降低不可避免的隨機(jī)干擾對加工過程的影響，需要考慮重復(fù)性試驗(yàn)結(jié)果的變化。信噪比分析方法就是一種可以綜合分析工藝參數(shù)和隨機(jī)干擾對加工過程的影響的數(shù)據(jù)處理方法。信噪比是田中博士為了衡量產(chǎn)品的質(zhì)量而定義的參數(shù)概念，信噪比值越大，產(chǎn)品質(zhì)量就越好。本文采用信噪比的相關(guān)理論來分析電火花加工工藝目標(biāo)的好壞，以相應(yīng)的信噪比值來代替正交試驗(yàn)加工結(jié)果進(jìn)行加工工藝目標(biāo)的分析，能夠在分析可控因子的同時(shí)考慮到隨機(jī)干擾的影響，有利于找到滿足加工要求的較為理想的加工工藝參數(shù)組合。根據(jù)本文中所考慮的工件材料蝕除率、側(cè)面間隙和表面粗糙度三個(gè)工藝目標(biāo)只需考慮望大特性和望小特性信噪比[53]。

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結(jié) 論

本論文的主要成果和結(jié)論如下：（1）提出了針對 TiC/Ni 金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電溫度場仿真的碳化鈦顆粒隨機(jī)分布模型，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的有效性，，且該模型比材料均一分布模型在 TiC/Ni金屬陶瓷電火花加工單脈沖放電溫度場仿真中的模擬效果更好。（2）建立了基于溫度場仿真結(jié)果的材料蝕除率和表面粗糙度模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該模型能夠很好地實(shí)現(xiàn) TiC/Ni金屬陶瓷電火花加工的材料蝕除率和表面粗糙度的預(yù)測。（3）對 TiC/Ni 金屬陶瓷進(jìn)行了電火花加工工藝試驗(yàn)，研究總結(jié)了加工工藝規(guī)律，得出了對工件材料蝕除率、側(cè)面間隙、表面粗糙度影響最為顯著的三個(gè)工藝參數(shù)為峰值電流、脈寬和脈間。（4）通過微觀形貌的研究得出峰值電流對材料蝕除方式影響較大：峰值電流較小時(shí)，材料的蝕除方式以鎳的熔化、氣化和碳化鈦的熔化、氣化、整體顆粒移除為主，熱應(yīng)力作用為輔，峰值電流較大時(shí)，材料的蝕除方式以鎳的熔化、氣化和碳化鈦熱應(yīng)力斷裂去除、整體顆粒移除為主；脈寬的變化不改變材料的蝕除方式，只改變蝕除作用的顯著程度。

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參考文獻(xiàn)（略）

本文編號：52215