电火花加工铍铜材料表面润湿性理论建模及评定方法研究

发布时间：2020-05-17 05:01

【摘要】：润湿性是材料表面的一个重要性质,有关材料表面的物理化学过程如吸附、润滑、摩擦等均与表面的润湿性密切相关。电火花加工技术以其高能密度、高精度、无宏观切削力等特点,在高熔点、高硬度、高强度、复杂形貌的材料及零件加工中占据重要的地位。不同于传统机械加工表面的周期性微观结构,电火花加工表面由放电凹坑形成,随机且无序;因此表面的润湿情况复杂,目前仅有少量的实验研究报道,尚未有相关的理论研究。鉴于此,本文以铍铜合金(C17200)作为研究对象,通过一系列表征手段,详细研究了铍铜合金电火花加工表面的形貌特点,据此建立了电火花加工表面润湿性理论模型,建立了表面润湿性评定系统并预测润湿特性,并通过实验验证了理论模型和评定系统的正确性及有效性。首先对不同的电火花加工工艺所制备的表面进行分析,发现各表面形貌具有统一性。然后针对电火花铣削加工表面,利用AFM等测量仪器,对形貌特征进行观察,发现表面凸起与特定曲线具有一定的相似性。之后使用数学分析方法,构建了表面形貌的理论模型,并根据模型要求,定义了三个特征参数。进一步的对实际表面形貌的参数提取方法进行研究,最终建立了电火花加工表面形貌的理论模型。从润湿性的定义及理论模型出发,建立了超疏水表面表观接触角与动态接触角之间的定量关系。然后针对电火花加工表面形貌特性,分析了多尺度结构、不同微观形貌、多种润湿状态混合对润湿性的影响。并通过三维模型的结构参数建立起了润湿性与表面形貌之间的定量关系。针对电火花铣削平面和电火花阵列结构,建立了一级和二级润湿性模型。利用电火花铣削机床进行了铍铜材料润湿性表面的基础工艺试验,分析了RC电源的电容及电阻对加工表面润湿性的影响。根据工艺规律,制备了具有不同润湿性的铍铜表面。并按照润湿性模型要求进行数据处理,得到加工表面的润湿性理论值。对比实际测定值,对一级润湿性模型进行了验证。并选定半正弦模型作为后续研究的基础模型,以及划定了粗糙度Sq=0.91μm作为亲疏水的分界值。从二级润湿理论出发,设计了一种具有超疏水特性的阵列结构。利用电火花线切割机床进行制备,并分析了结构参数对润湿性的影响。利用制备的铍铜超疏水表面,进行了二级润湿性模型的验证。发现该模型的表观接触角具有较好的符合性,并修正了动态接触角。针对冻雨应用环境,发现制备表面具有较好的防结冰性能。
【图文】：

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-2-c）浸入浑浊水之前 d）浸入浑浊水之中 e）浸入浑浊水之后图 1-2 超疏水不锈钢网显示出优异的自清洁和防污性能[5]了得到具有特殊润湿性表面的金属材料，科研人员进行了一系列研究立了固体表面润湿理论模型，另一方面，，采用已有加工手段，在金属殊润湿性表面[6]。通过理论模型与实验验证，研究人员确定：材料表要与材料的表面能和材料表面的微纳米结构有关[7]。因此，为实现具表面的金属材料的制备，当前主要有两种思路：（1）通过物理化学等料的表面能；（2）在已有材料表面上，通过加工处理，制备出合适的,9]。并且，通过前期的研究及试验，人们发现：从影响表面润湿性大

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a）水黾腿表面的微米刚毛 b）刚毛表面的纳米沟槽图 1-5 水黾腿的 SEM 图像[14]004 年，江雷课题组[15]提出了表面润湿性与表面微观形貌的关系，表产生高的接触角，纳米结构与微米结构等产生的多级结构产生低的并进行了验证。后续电火花润湿性表面也将从以上两种尺度结构展开电火花加工表面微观形貌的研究现状及分析研究电火花加工表面的润湿性，首先需要研究加工表面的微观形貌。面分布着无数个凸起和凹坑，随机且无序。研究人员通过各种测量手图了解这些微观形貌的具体的尺寸及形状。本的 M.Kunieda[16]首先对加工表面凹坑展开研究，基于单脉冲放电实凹坑的周围分布着无数小凹坑，并且这些小凹坑存在大量的重叠。而 Y.S.Wong[17]改进了实验设备，通过调整脉冲能量，观察凹坑的变化冲能量由小到大，凹坑形状由近似圆形向椭圆变化，且凹坑表面由光。德国的 R.Hermsa 和 H.P.Schulze[18,19]对比了多脉冲放电和单脉冲放
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG661;TG146.24

【参考文献】