金刚石砂轮微尖端的ECD修锐修整及其微磨削应用研究

发布时间：2020-07-24 07:08

【摘要】：单晶碳化硅、铝基碳化硅、陶瓷和硬质合金等高性能零部件表面被加工出规则可控的微结构,可附加出新的工程应用价值,这些高硬脆材料宏观尺度与微观结构的精密加工依赖于超硬金刚石砂轮的磨削加工。在微磨削加工中,砂轮尖端极易磨损,其结合剂需要采用金属基代替树脂基,但是,其修锐修整的低效率一直是产业化的技术瓶颈。因此,提出金刚石砂轮微尖端的干式接触放电(ECD,Electro-Contact Discharge)修锐修整方法,利用砂轮表面分布的微磨粒切削铜电极卷起的切屑与砂轮金属结合剂发生脉冲电火花放电,逐渐微去除金属结合剂,实现高效率修锐修整。首先,研究砂轮微尖端的脉冲放电去除机制及其修锐修整工艺;然后,研究单晶碳化硅、铝基碳化硅、硬质合金等硬脆材料的微磨削性能;最后,探索微磨削结构表面的工程应用。(1)搭建了干式单脉冲放电去除的动态实验平台,开发出脉冲放电电压和电流波形的在线监控系统,建立了脉冲放电电流波形特征化参数与砂轮结合剂微米尺度去除量之间的关系模型。研究发现,静态和动态单脉冲放电的火花-电弧放电的临界转变值(峰值电流-脉宽比)分别为0.059和0.038,利用动态脉冲放电波形特征化参数可以在修锐修整中预测微米尺度的金属结合剂微去除,其预测误差为5.6%~22.7%。(2)建立了金刚石磨粒和金属结合剂微形貌的去除模型,揭示了放电能量参数、脉冲放电参数与砂轮结合剂去除之间的作用机制。研究发现,放电修锐中金刚石磨粒和结合剂的去除率分别为0.013 mm3/min和0.241 mm3/min。与机械修锐相比,干式ECD修锐可以分别提高修锐率和修锐效率约34倍和10倍,增加磨粒出刃高度约12μm,进而实现了硬质合金、模具钢表面的干式准镜面磨削加工,其表面粗糙度Ra分别达0.089μm和0.022μm。(3)采用干式ECD修锐修整方法分别对SD600、SD1200和SD46的金刚石砂轮进行微尖端修整,开发出三种不同粒度金刚石砂轮的微尖端放电修整工艺。SD600和SD1200金刚石砂轮微尖端修整的最小尖端半径分别为33μm和15μm,最小角度误差分别为1.1o和2.4o。修整后的微尖端金刚石砂轮能够在硬质合金和陶瓷表面加工出形状规则的微沟槽和微锥塔阵列结构。(4)与机械磨削相比,铝基碳化硅陶瓷的干式放电磨削可以分别减少磨削力、磨削温度和表面粗糙度约41%、1.3%和25.6%。砂轮转速和进给速度对放电磨削的表面粗糙度影响较大,切削深度的影响较小。开发出硬质合金的干式放电微磨削工艺,与机械微磨削相比,能够有效提高其微结构表面加工质量,得到合适的脉冲电源参数:开路电压为15 V,频率为5000 Hz,占空比为50%。(5)利用SD600的微尖端金刚石砂轮在陶瓷曲表面加工出曲面微沟槽结构,微沟槽加工深度误差为3μm,微尖端角度误差为1.56o,尖端圆弧半径为48μm。风动实验表明:微沟槽结构曲面比光滑曲面减小空气阻力约36%。此外,在工具电极上磨削加工出微阵列结构,可以实现模具钢、钛合金和铝基碳化硅的微阵列放电成型加工。实验结果表明:平均放电电流为1.5A时,铝基碳化硅的微成型精度较好;模具钢的微放电加工去除率为钛合金的17.5倍。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG743;TG580.6

【参考文献】