铍铜合金的微细电火花加工及其表面的超疏水性研究

发布时间：2020-11-18 23:18

　　 微型陀螺仪因具有体积小、耐冲击和低成本的特性成为陀螺仪发展的新方向,开展战略级精度的微陀螺仪研究并进行产品开发具有重要现实意义。高精度陀螺仪的研制离不开高精度和高质量的微细零部件的支撑。由于微细零件结构尺寸的减小,运动结构的运动特性受其尺寸效应及表面效应的影响越发显著。所以微细零件制造不仅仅对其尺寸精度有严格的要求,并且对零件的表面同样具有特殊的要求,如防腐、流体减阻、润滑等。要实现微型陀螺仪的稳定运转,需要高表面质量的微流道,高尺寸精度的配合偶件结构及其表面具有减阻效果。本文以具有特殊性能的铍铜合金为研究对象,开展关于电火花加工技术在铍铜材料上加工微小孔、微三维结构以及电火花加工后表面的超疏水性的相关研究。在微小孔电火花加工过程中,工作液的循环速度随深径比的增加而降低,堆积在加工区域的电蚀产物将严重影响加工的稳定性。本文通过对比电火花加工中工作液对铍铜大深径比微小孔加工的影响特性,提出了采用去离子水作为工作液的铍铜大深径比微小孔的加工方法,并实现了深径比为23.26,直径为215μm的微小孔加工。实验分析表明:该加工过程中同时存在着电火花和电化学效应,由于杂散腐蚀的存在,导致所加工的微小孔端面及孔壁存在质量差的问题。针对微小孔端面质量差的问题,采用了保护电极法,通过将微小孔端面的杂散腐蚀转移到保护电极表面的方式实现对微小孔端面的保护。针对微小孔表面质量差的问题,采用了原位混粉电火花加工法,在工作液中加入粒径为3.5-6μm的碳化硼颗粒,可成功将微小孔的表面粗糙度值由Ra 2.65μm降为Ra 0.92μm。由于工具电极损耗的存在,使得微三维结构的电火花加工成为难点,尤其是具有曲面形貌的微三维结构。本文分别研究了电火花分层铣削及电火花成形加工方法对微球窝加工的影响规律。实验结果表明:采用电火花分层铣削由于铣削路径长和电极损耗,导致所加工的微球窝结构的形状精度和表面质量较差,难以满足微型陀螺偶件的使用性能要求,但研究结果对普通球窝类零件的电火花加工具有普适意义。针对微型陀螺偶件球窝的加工,提出了采用配合钢球做为工具电极进行电火花成形加工的方法,并针对钢球工具电极重复定位精度差的问题,研制了基于磁力吸附的球形工具电极快速装夹装置,实验研究了球窝加工过程中的工具损耗特性及其对加工质量的影响,实现了球形工具电极快速、高精度的装夹和配合偶件中球窝的高精度加工。材料表面的超疏水性不仅与材料的表面能有关,更重要的是材料表面的微观形貌。电火花加工特殊的材料去除方式决定了其加工后的表面具有微凸起与微凹坑共存、且结构相似的微观结构。本文通过对铍铜微细电火花加工表面形貌特征及铍铜表面的润湿状态的分析,初步确立了铍铜微细电火花加工表面形貌与超疏水性的关系。研究了铍铜微细电火花加工参数对表面形貌的影响规律。通过铍铜微细电火花加工表面接触角的理论值与测量值的对比,验证了铍铜微细电火花加工表面形貌与超疏水性关系的正确性。并以铍铜微细电火花加工表面的微米级结构为基础,采用火焰沉积法在其表面构建纳米结构,依靠微纳分级结构实现了其表面的超疏水性。利用液体蒸发过程中毛细作用力对颗粒的聚集作用,采用煤油浸湿后加热干燥的方法,提高了纳米结构的稳定性。实验表明:经过处理的表面,提高了其表面的超疏水性能,增强了表面的耐腐蚀性、抗机械冲击和表面减阻性能。与光滑铍铜表面相比,对腐蚀电流密度和电荷转移电阻的抑制效率可达98.77%和99.38%。提出了基于微细电火花加工的超疏水表面的批量制备方法,并且该方法可以实现多种金属材料超疏水表面的批量制备。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG661
【部分图文】：

图 1-1 液浮支撑式转子陀螺结构示意图[9]Fig.1-1 Schematic diagram of hydraulic floating support gyroscope[9]转子运转过程过程中，液膜与球窝之间的摩擦力成为限制转速提研究表明，超疏水表面可有效减少流体与固体表面之间的摩擦力的超疏水性不仅与材料的表面能有关，更重要的是材料表面的微属材料要实现其超疏水性，通常需在基体材料上制作微纳结构和能[16, 17]。表面微纳结构的制备一般通过等离子刻蚀、电化学反应备过程繁琐且结构稳定性差[14, 18, 19]。微细电火花加工特殊的材料加工后的表面具有均一的微米结构，该结构为超疏水表面的制备结构的基础。因此，探索一种基于微细电火花加工表面形貌的简制备超疏水表面的方法，对实现超疏水表面的制备及其表面的流要的应用价值。铜的加工研究现状

金刚石与铍铜合金中的铍颗粒相互作用会造成加工表面的塑性变形，影响表面质量；铍坚硬颗粒与金刚石刀具作用增加刀具的磨损。图1-2 端铣刀在铍铜上加工的微流道电镜图[23]Fig.1-2 SEM of microfluidic channel machined bymicro-end milling on Be-Cu alloy[23]图1-3破碎铍化物在加工表面形成的拖尾效应[25]Fig.1-3 Smearing of a broken beryllide onthe machined surface[25]针对铍铜材料的机械切削加工存在以下问题[27-30]：（1）在加工过程中会产生颗粒状碎屑，碎屑与刀具摩擦增加刀具的损耗；（2）刀具与较硬的铍颗粒相接触会增加机床主轴上的机械应力；（3）大的切削深度会增加晶格的扭曲和孪生，及晶格的微裂纹，降低材料的断裂韧性；（4）接触式切削加工，将在表面产生积屑瘤，严重影响所加工表面的表面质量；（5）铍及其化合物具有很强的毒性，在切削加工过程中形成的含铍粉尘影响工人的健康。电火花加工是一种非接触式的加工，可以不考虑材料的韧性及机械强度。并且电火花加工一般为浸液加工，可以有效减少加工过程中含铍粉尘的生成，减少?

铜进行车削加工，由于铍颗粒的脆性断裂，在加工表面产生划痕，如图 1-3 所示针对切削加工中铍颗粒对加工表面及刀具的影响特性，印度学者 Sharma 等人[利用分子动力学对金刚石刀具切削铍铜材料过程进行仿真研究。仿真结果表明金刚石与铍铜合金中的铍颗粒相互作用会造成加工表面的塑性变形，影响表面量；铍坚硬颗粒与金刚石刀具作用增加刀具的磨损。
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本文编号：2889352