复合能场作用下电化学磨粒射流加工机理及工艺研究

发布时间：2020-06-27 06:30

【摘要】：随着现代科学技术的发展,零件加工要求越来越高,加工制造面临越来越多的挑战,其主要概括为两方面:一是复杂结构零件、特殊形状零件的加工,传统的加工方法难以加工;二是难加工材料的加工,传统的加工方法也难以加工或加工效率低。为了适应这些加工要求,许多不同的加工方法应运而生。然而,同时具有加工金属难加工材料、金属基复合材料和复杂结构零件、特殊形状零件的特征的加工方法却比较少,针对这些加工要求研究、开发具有新技术原理的加工方法具有十分重要的意义。基于后混合式磨粒射流的电化学磨粒射流加工技术是针对金属难加工材料、金属基复合材料而提出的一种精密高效加工方法,该加工方法结合电化学射流加工和后混合式磨粒射流加工的优点,通过两种加工方法的相互促进作用,在保证加工质量的同时大幅度提高加工效率;并与计算机数字控制技术相结合,实现复杂结构零件、特殊形状零件的加工。本文进行了复合能场作用下电化学磨粒射流加工关键技术的研究,研究了复合能场作用下电化学磨粒射流加工机理,在此基础上,建立了电化学磨粒射流复合加工去除模型并进行了流场和电场仿真,研制了后混合式磨粒射流系统和电化学磨粒射流复合加工装置并进行了实验研究。首先从能量转化的角度,分析了复合能场作用下电化学磨粒射流加工的作用机制,分析了高速喷射磨粒形成的机械能与被加工材料所产生的弹性变形能、塑性变形能和表面能之间相互转化机制,研究表明,磨粒的机械能可以有效提高金属表面的电化学势,促进加工过程中的电化学反应,从而提高加工效率。在此基础上,进一步研究了加工过程中不同能场作用的相互耦合机制,研究表明,电化学磨粒射流复合加工过程中磨粒的机械作用过程与电化学作用过程是相互促进;使用钝化性电解质磨粒混合液进行加工时,工件表面会生成一层氧化膜,磨粒的机械作用可以及时去除该层氧化膜而露出基体,促进电化学加工,与此同时,氧化膜的生成降低了工件表层材料的结合强度,更易实现工件被加工区域材料的机械去除,两者的相互促进作用大幅度提高材料的去除效率;同时,磨粒的机械作用还可以提高电化学加工过程中材料去除的均一性,提高复合加工的表面质量。在电化学磨粒射流复合加工机理基础上,建立了磨粒射流加工冲击磨损去除模型,结合Finnie塑性剪切磨损去除模型建立了磨粒射流加工去除模型,并以SKD11模具钢为例进行了塑性材料的磨粒射流加工试验,验证了磨粒射流加工塑性材料既有冲击磨损去除也有剪切磨损去除。在磨粒射流加工去除模型基础上,结合电化学射流加工去除模型建立了电化学磨粒射流复合加工去除模型,并以SKD11模具钢为例进行了钝化性电解液的复合加工试验,验证了电化学磨粒射流复合加工去除率大于磨粒射流加工与电化学射流加工去除率之和,为电化学磨粒射流加工的确定性去除奠定了基础。在电化学磨粒射流复合加工去除模型的基础上,对流体喷射流场进行了仿真,得到了不同工艺参数下流体的径向速度和轴向速度的分布规律;对射流加工区域内的电场分布进行了仿真,得到了不同工艺参数下工件表面电场强度的分布规律;在射流加工光滑表面的流场和电场基础上,对电化学射流加工粗糙表面时加工区域的流场和电场进行了仿真,得到了加工过程中粗糙工件表面的阳极溶解规律和钝化膜分布情况;在电解液流场基础上,对磨粒电解质混合液耦合流场进行了瞬态仿真,得到了喷射过程中磨粒的分布和运动情况以及射流加工区磨粒的运动机制。然后,对喷射系统的混合腔流场进行了仿真,得到了混合腔内流场分布规律,在此基础上,研制了新型后混合式磨粒射流系统,其主要包括供压系统、喷射系统和搅拌与输送系统,并对该系统的性能进行了测试,验证了该系统的可行性以及磨粒浓度的精确调节;基于电化学磨粒射流复合加工原理,研制了电化学磨粒射流复合加工装置,其主要包括后混合式磨粒射流系统、机床本体与控制系统、电化学加工系统和辅助装置,并进行了电化学磨粒射流复合加工试验,为后续的电化学磨粒射流复合加工工艺实验等研究奠定了基础。最后,在自行研制的电化学磨粒射流复合加工实验装置上,通过大量的工艺实验,研究了电化学磨粒射流复合加工工艺参数,包括电压、喷射距离、喷射压力、电解液浓度、磨粒浓度、磨粒种类及粒度等对材料去除率与表面粗糙度的影响,得到了电化学磨粒射流复合加工的影响规律及取得较好效果的工艺参数范围;进行了电化学磨粒射流复合加工平面实验,得到了较好的加工表面,验证了该加工方法的可行性,该加工方法能够实现金属难加工材料、金属基复合材料的加工,在航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG662
【图文】：

脉冲电化学

图 1-1 脉冲电化学加工[8]Fig.1-1 Pulse electrochemical machining[8]了振动对脉冲电化学加工的影响，脉冲电所示。在脉冲电化学加工过程中，阳极的，振幅是 200μm，所施加的脉冲宽度为

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D. B hre 等研究了振动对脉冲电化学加工的影响，脉冲电化学加工过程和表面生成示意图如图 1-2 所示。在脉冲电化学加工过程中，阳极的进给是通过阴极工具的机械振动来实现的，振幅是 200μm，所施加的脉冲宽度为 0.1-5ms；很小的加工间隙、阴极工具的振动和短的电流脉冲将导致材料的有效去除，并获得好的加工表面和复制精度[12,13]。

【参考文献】