微细电火花加工中的材料微观结构尺度效应研究

发布时间：2017-12-29 01:16

本文关键词：微细电火花加工中的材料微观结构尺度效应研究　出处：《山东大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：微细电火花加工是为了适应市场对产品微型化及精密化越来越高的要求而发展起来的一种新型微细加工方法,是公认的极具发展潜力的微细加工技术之一。由于其特殊的非接触、电热加工机理,微细电火花加工技术适用于任何导电材料的加工而不受材料强度、硬度等力学性能的影响,所以特别适合于难加工材料、低刚度和薄壁工件、以及微轴、微孔、复杂微型三维结构的加工。然而,由于尺度效应的影响,许多在宏观电火花加工中没有显著影响的因素在微细电火花加工中不能再被忽略。由于工具电极尺度微小、放电能极小以及放电频率极高,相对常规宏观电火花加工,微细电火花加工表现出许多异常特性。所以,揭示微细电火花加工中尺度效应的作用机理及影响规律有助于更好地控制微细电火花加工过程,从而提高加工效率和加工精度。以放电持续时间为切入点,通过分析微尺度放电条件下的的液体介质击穿及放电通道扩展过程,建立放电等离子体模型。考虑到表面张力、粘性力以及磁箍缩力的作用,建立放电通道扩展加速度与其内部压强的关系式。理论分析结果表明,放电通道的内部压强、温度、电子密度和扩展加速度随放电持续时间的增加而降低,而放电通道的半径和扩展速度随放电持续时间的增加而增大,放电通道不断扩展并最终达到形位平衡状态。借助单脉冲放电实验开展对微尺度放电条件下的放电波形和放电凹坑形貌、尺寸的研究。极间介质状态变化及电极微观表面不平整等因素导致微尺度放电条件下的放电状态非常不稳定,单个脉冲期间可能出现多次放电,且放电并不总是持续到脉冲结束,这是导致微尺度条件下的电火花加工特性异常的一个重要原因。开路电压和放电持续时间对放电维持电压和电流基本没有影响,单个脉冲的放电能量和放电凹坑体积与放电持续时间呈正相关线性关系,通过放电维持电压与放电电流的比值估算出放电通道的电阻值在38～45Ω的范围内波动。通过分析放电凹坑半径和热影响区半径随放电持续时间的变化趋势发现,随着放电持续时间增加,经由热传导消耗的能量比例增大,电火花放电的能量利用率降低。通过回归分析得到放电凹坑半径和体积随放电持续时间变化的经验公式,为微尺度电火花加工放电参数的选择提供了理论依据。基于单脉冲实验结果,结合理论分析对微尺度放电条件下的放电通道的振荡特性进行了研究,形成放电通道振荡扩展理论。分析了放电通道横振和纵振作用对材料蚀除过程的影响,并代入相关实验参数,估算了放电通道的振荡频率,其值约为132.8MHz。基于放电通道徙动理论,建立单个脉冲放电的材料蚀除模型,分析发现,除了放电持续时间、电流密度、放电通道的振荡频率,电极材料的微观结构特性也会对放电凹坑的体积产生影响。通过计算放电通道中带电粒子的运动特性对放电通道的极性效应进行了分析,结果表明,由于放电间隙非常小,放电通道中带电粒子的运动时间远小于放电持续时间。电子的加速度和速度非常高,即使正离子的质量远大于电子的质量,轰击电极表面时,正离子的动能依然小于电子的动能,而且,相同时间内电子轰击正极电极表面的次数是正离子轰击负极电极表面次数的600多倍,因而,正极的材料去除量远高于负极。开展材料微观结构尺度对微细电火花加工性能的影响研究。分析晶粒尺寸、晶向以及晶体缺陷对材料微观物理特性及微细电火花加工性能的影响,并分别采用不同晶粒尺寸的304不锈钢、单晶硅和不同规格的多孔钢为工件开展微细电火花加工实验。研究结果表明,多晶材料的晶界包含大量会降低其热导率和熔点的杂质,而晶粒尺寸的减小伴随着晶界体积分数的增大,使材料的有效热导率和局部有效熔点降低,从而使微细电火花加工过程中有更少的能量消耗于热传导和熔化潜热,即能量利用率增大,进而引起材料去除率的增大;放电持续时间较短时,静电力、热应力和焦耳热在脆性材料去除过程中起到重要作用,微细电火花加工单晶硅时不仅存在热蚀除,还存在应力蚀除;由于各向异性的影响,微细电火花加工单晶硅时的表面粗糙度和材料去除率随着晶向的变化而变化;孔隙度和孔径尺寸的增大会引起材料有效热导率的降低,并有助于储存碎屑颗粒,减少异常放电次数,从而使加工状态更稳定,材料去除率增大,相对工具损耗率减小。开展了工具电极尺度和工件表面层对微细电火花加工性能影响的理论分析和实验研究。结果表明,在特定工具直径范围(100～500μm)内,由于面积效应的影响,工具电极直径的增大会引起实际放电能和放电频率的升高,材料去除率随之增大;工具电极直径的增大使集肤效应和面积效应的作用增强,从而导致工具电极的端面、棱角和侧面剧烈损耗,且侧面放电次数增加,相对工具损耗率和微孔锥形度随之增大;建立微细电火花加工中的表面层模型,分析发现,随着工件尺度的减小,表面晶粒层的影响增大;表面自由能越高,工件表面润湿性越好,越容易诱导放电,同时,好的润湿性还可以加速电极的冷却和极间消电离,进而改善放电状态,使材料去除率增大;由于未经表面处理的工件表面自由能最低,相对于高自由能表面,其抑制了电极冷却和极间消电离能力,使微细电火花加工过程中的放电状态恶化,出现更多的侧面放电,从而导致更大的微孔锥形度;放电能越低,工件表面层对微细电火花加工性能的影响越显著。引入相似性理论并开展对开路电压和电容的单因素实验,根据实验结果计算相应的相似差和相似精度,开展对微细电火花加工中尺度效应的量化研究。结果表明,微细电火花加工中使用的电容或开路电压的尺度越小,相似精度改变越剧烈,说明随着放电参数的减小,尺度效应增强;当减小电容或开路电压的尺度时,相似精度的变化幅度明显大于相似差的变化幅度,所以相似精度更能有效地反映尺度效应的变化及其波动。相似性理论适合于微细电火花加工中尺度效应的评估,对尺度效应进行量化研究有助于优化微细电火花加工的工艺参数,从而改善其加工性能。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TG661

【参考文献】