硬脆非金属材料微结构微细加工关键技术研究

论文摘要

硬脆非金属材料的微细加工一直是机械加工中的难点。微晶云母陶瓷（Microcrystalline-mica-ceramic,简称MCMC）和聚晶金刚石（ Polycrystalline Diamond,简称PCD）是比较典型并有广泛应用前景的硬脆非金属材料。以微晶云母陶瓷为代表的陶瓷材料具有优异的绝缘性、耐高温和低热导率等特性,其热导率不到硅材料的十分之一,如用作微小推力器燃烧室和喷管材料,可极大地降低推力器系统的热损失。以聚晶金刚石为代表的超硬材料具有均匀的高硬度、高耐磨性和强抗腐蚀性等优良特性,非常适用于微孔零件,在航空航天、汽车和电子行业中有广泛应用前景。本文采用微细超声加工（Micro Ultrasonic Machining,简称micro-USM）和微细电火花加工（Micro Electrical Discharge Machining,简称micro-EDM）技术,分别针对微晶云母陶瓷和聚晶金刚石的微细加工展开研究。采用块电极电火花磨削（Block Electrode Discharge Grinding,简称BEDG）和刃口电极电火花磨削（Edge Electrode Discharge Grinding,简称EEDG）方法对微细电火花加工和微细超声加工工具的在线制备技术进行研究。在BEDG研究中,提出采用带有斜面的不规则块电极进行反拷式加工的方法,并将此方法作为具有锥形轮廓的回转体粗加工工艺,以提高特殊形貌微细回转体加工速度。在EEDG研究中,采用数控加工技术规划工具进给轨迹,结合工具电极损耗补偿方法,灵活精确地制备出具有不同三维轮廓的回转体。以微晶云母陶瓷材料为例,解决微型拉瓦尔喷管加工中的关键技术问题。采用BEDG和EEDG相结合的方法,快速精确地在线制备出微细超声加工工具。采用正交实验方法研究加工工艺参数对微细超声加工中工具体积损耗率的影响,并优化加工工艺参数。通过研究超声加工工作液中磨粒的流动特点,提出在微型拉瓦尔喷管加工过程中优先加工预通孔的必要性,并在微晶云母陶瓷材料上加工出喉部直径为170μm的微型拉法瓦喷管。在分析了PCD材料的物理特性对其微细电火花加工性能影响的基础上,进行了PCD材料微细电火花加工的工艺实验研究。实验结果表明由于工具上吸附的附着物的保护作用,采用工件接负极的加工更适用于PCD材料的微细电火花加工。在工件接负极的加工中,只有当工具上吸附有适量的附着物时,附着物的保护作用比较明显,即可有效地提高材料去除率（ Material Removal Rate,简称MRR）又可降低工具电极相对损耗率（Relative Tool Wear Ratio,简称TWR）。相反,如果工具电极上吸附有过量的附着物,则会使加工陷入低MRR和高TWR的恶性循环,并会加工出孔径过大的微孔。根据实验结果找出较优的加工参数范围,并采用一组优化的加工参数,成功地加工出直径为145μm且深650μm的微细通孔。在PCD材料微细电火花加工工艺研究的基础上,通过在工件上添加超声振动,可进一步提高PCD材料微细电火花加工性能。对工作液空化泡闭合过程以及工作液质点运动过程进行了力学计算。在不同加工参数下进行了PCD材料超声辅助电火花微孔加工实验。实验研究表明超声振动作用改善了加工过程中的放电状态,缩短了拉弧持续时间,提高了放电频率;超声振动会减少工具电极上吸附的附着物,对加工产生正、负两方面影响,因此在PCD超声振动辅助电火花加工中选择合适的超声振幅（2μm） ,可以使适用于PCD材料的微细电火花加工参数范围扩大,并提高加工性能和加工表面质量。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 主要符号对照表
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的研究背景及意义
• 1.2 微细电火花加工技术的国内外研究现状
• 1.2.1 微细电极的制作技术
• 1.2.2 微细孔加工的进展
• 1.2.3 三维微结构器件加工的进展
• 1.2.4 聚晶金刚石的微细电火花加工
• 1.2.5 超声辅助电火花加工
• 1.3 微细超声加工技术的国内外研究现状
• 1.3.1 超声深小孔加工技术
• 1.3.2 陶瓷材料的微细超声加工
• 1.4 本课题的主要研究内容
• 1.4.1 研究目的、路线和内容
• 1.4.2 章节安排
• 第二章 微细加工系统与微细回转体在线制备技术研究
• 2.1 微细电火花及超声加工系统
• 2.1.2 微细电火花及超声加工系统的基本组成
• 2.1.3 微细电火花加工专用模块
• 2.1.4 微细超声加工单元
• 2.2 块电极电火花磨削原理及应用
• 2.3 刃口电极电火花磨削微细轴的研究
• 2.3.1 刃口电极电火花磨削原理
• 2.3.2 刃口电极磨削的工具损耗和补偿
• 2.3.3 刃口电极磨削加工参数优化
• 2.3.4 不同形状微细回转体的加工实例
• 2.4 本章小结
• 第三章 微晶云母陶瓷微型拉瓦尔喷管超声加工关键技术
• 3.1 引言
• 3.2 微晶云母陶瓷材料特性及微细超声加工原理
• 3.2.1 微晶云母陶瓷材料特性
• 3.2.2 微细超声加工原理
• 3.2.3 超声加工工艺特点
• 3.3 微型拉瓦尔喷管加工工艺流程设计
• 3.3.1 微型拉瓦尔喷管超声加工中磨粒的受力分析
• 3.3.2 喷管加工工艺流程的设计方案
• 3.4 微晶云母陶瓷的微细超声加工参数选择实验
• 3.4.1 微细超声加工参数的正交试验设计
• 3.4.2 微晶云母陶瓷超声加工正交试验结果
• 3.4.3 微细通孔加工实验
• 3.5 微型拉瓦尔喷管超声加工工具的制备方法
• 3.6 工件的夹持与定位
• 3.7 微型拉瓦尔喷管加工工艺实验
• 3.7.1 方案对比实验
• 3.7.2 拉瓦尔喷管加工实例
• 3.8 本章小结
• 第四章 聚晶金刚石微细孔电火花加工工艺研究
• 4.1 引言
• 4.2 微细电火花加工的原理及特点
• 4.3 PCD 材料的物理性质对电火花加工性能的影响
• 4.4 PCD 材料微细电火花加工工艺实验
• 4.4.1 PCD 材料微细电火花加工实验设计方案
• 4.4.2 极性加工实验
• 4.4.3 工件接负极性条件下的微细电火花加工实验
• 4.5 PCD 材料的电火花微孔加工性能分析
• 4.5.1 不同极性加工方式下工具电极上的附着物对加工性能的影响
• 4.5.2 不同微细电火花加工参数下工具电极上的附着物对加工性能的影响
• 4.5.3 微细电火花加工参数对加工性能的影响
• 4.6 微通孔加工实例
• 4.7 本章小结
• 第五章 聚晶金刚石超声辅助电火花加工工艺研究
• 5.1 引言
• 5.2 超声振动对PCD 材料电火花加工作用的讨论
• 5.2.1 超声振动的空化作用
• 5.2.2 超声振动对工作液质点受力的影响
• 5.2.3 超声振动对放电状态的改善作用
• 5.2.4 超声振动对 PCD 的剥离作用
• 5.3 超声辅助电火花微细孔加工工艺实验
• 5.3.1 超声辅助电火花加工实验设计方案
• 5.3.2 超声辅助电火花加工工艺实验结果
• 5.4 PCD 材料超声辅助电火花加工性能分析
• 5.4.1 超声振动对 PCD 微细电火花加工放电状态的影响
• 5.4.2 超声振动对 PCD 微细电火花加工工具碳保护层的影响
• 5.4.3 超声振动与其他工艺参数的交叉影响
• 5.4.4 超声辅助电火花加工中微孔表面质量分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 论文主要贡献和创新点
• 6.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 攻读博士学位期间参与的科研项目
• 致谢