TiC/Ni 金属陶瓷材料电火花加工试验与放电蚀除仿真研究

发布时间：2016-05-31 05:52

第 1 章 绪 论

本文针对 TiC/Ni 金属陶瓷材料，研究其电火花加工条件和加工特性，对其加工蚀除过程进行理论和试验研究，分析加工表面微观形貌和利用有限元仿真技术研究电火花加工蚀除过程，进一步深化电火花加工技术的基础理论；通过 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工工艺试验研究总结优化加工工艺参数，为金属陶瓷提供一种有效的加工手段，解决难以加工高精度、高质量金属陶瓷的问题，从而真正发挥金属陶瓷材料的优越性能，为金属陶瓷材料的应用开辟更广阔的空间，尤其是在要求具有耐磨损、耐高温、高强度等特性的零部件加工方面，更有效地提高产品的可靠性，有助于提升我国金属陶瓷材料的加工与应用水平。因此，本课题对 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工的研究具有重要的理论意义和实际应用价值。
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第 2 章 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工温度场仿真研究

2.1 引言

电火花加工过程是一个复杂的瞬态热传导过程，主要利用放电时的瞬时高温作用来蚀除工件材料，因此影响放电蚀除作用的关键在于工件加工部位表面的温度场分布，但由于电火花加工具有放电时间短、放电间隙小、瞬时温度高等特点，目前现有检测手段很难对放电过程进行监测与观察，而有限元数值模拟方法为研究电火花放电时的瞬态热传导过程提供了一种手段。对单脉冲放电温度场的仿真国内外研究的较多，但大多针对单一成分或将复杂成分简化成单一均匀成分处理的材料进行建模，忽略了材料的复杂结构对材料加工蚀除的影响。随着金属陶瓷材料的兴起，电火花加工必然会成为加工这类复杂结构材料的一种重要方法，为研究其蚀除过程，必不可少的要进行有限元仿真研究，但材料均一分布模型能否适合复杂结构材料的电火花加工仿真分析，还有待进一步确认。TiC/Ni 金属陶瓷材料是由不同组分的碳化钛颗粒与金属镍混合制备而成的，与单一的陶瓷相材料和单一的金属相材料都有很大的差别，属性上并不是简单的数值叠加。因此，建立碳化钛颗粒随机分布模型，在温度场仿真中可以更加真实地仿真实际情况。

2.2 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工单脉冲放电模型的建立

如图 2-1 所示为建立的 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工单脉冲放电物理模型。在电火花放电加工过程中，当工件和电极之间距离极小时，两者间绝缘介质被击穿后形成放电通道，放电通道的能量主要通过热传导的方式进入工件，同时工件吸收的部分能量在放电点周围以对流换热的形式散失到放电间隙中。图 2-2a）和图 2-2b）分别为 TiC/Ni 金属陶瓷材料未加工表面和已加工表面形貌照片，可以看出，碳化钛颗粒以近似球体形式存在，加工之前，碳化钛颗粒镶嵌在镍基体中，加工之后，由于材料的熔化、气化，部分未蚀除的碳化钛颗粒裸露，通过测量碳化钛颗粒尺寸，确定其粒径范围为 4-12μm。图 2-2 c）为通过 SEM 观测到的放电蚀除凹坑尺寸最大（峰值电流 19.2A、脉宽 15μs）的加工表面，通过测量得到凹坑直径范围为 69-77μm。本章选取 1/4 模型进行仿真，同时考虑到热量在工件中的传递及边界条件，在经过多次模型大小变化尝试，取边长为 100μm 的正方体作为仿真模型。

第 3 章 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工工艺试验研究................38
3.1 引言 ......... 38
3.2 试验装置和数据测量方法........... 38 
3.3 加工工艺参数对 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工的影响研究 ....... 39 
3.4 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工表面微观特性分析 ........... 49 
3.5 本章小结..... 56
第 4 章 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工工艺参数优化研究 ...........57
4.1 正交试验设计...... 57
4.2 信噪比分析 ... 58
4.3 单目标工艺参数优化分析.......... 59 
4.4 多目标工艺参数优化分析.......... 65 
4.5 本章小结 ........... 70
结 论…………71

第 4 章 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工工艺参数优化研究

4.1 正交试验设计

本试验是在 HCD400K 精密电火花成形机上进行的，工具电极选用 Φ2mm的紫铜电极，工件为厚度为 3mm 的 TiC/Ni 金属陶瓷，负极性加工，目标加工深度为 1mm，工作液为煤油。试验采用六因素五水平的正交表 L25(5)6进行正交试验研究，选用的具体试验工艺参数及其水平如表 4-1 所示。其中，抬刀周期由抬刀高度和底面加工持续时间构成。电火花加工中由于存在随机干扰的影响，使得试验结果存在一定的不确定性，因此，为得到更可靠的试验结果，需要进行重复性试验，试验中每组试验重复进行三次，试验结果如表 4-2 所示。

4.2 信噪比分析

由于电火花加工是一个复杂的加工过程，其加工效果受到多种因素的影响，而且在相同因素条件下下也存在一定的波动，因此，为了降低不可避免的随机干扰对加工过程的影响，需要考虑重复性试验结果的变化。信噪比分析方法就是一种可以综合分析工艺参数和随机干扰对加工过程的影响的数据处理方法。信噪比是田中博士为了衡量产品的质量而定义的参数概念，信噪比值越大，产品质量就越好。本文采用信噪比的相关理论来分析电火花加工工艺目标的好坏，以相应的信噪比值来代替正交试验加工结果进行加工工艺目标的分析，能够在分析可控因子的同时考虑到随机干扰的影响，有利于找到满足加工要求的较为理想的加工工艺参数组合。根据本文中所考虑的工件材料蚀除率、侧面间隙和表面粗糙度三个工艺目标只需考虑望大特性和望小特性信噪比[53]。

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结 论

本论文的主要成果和结论如下：（1）提出了针对 TiC/Ni 金属陶瓷电火花加工单脉冲放电温度场仿真的碳化钛颗粒随机分布模型，通过实验验证了该模型的有效性，，且该模型比材料均一分布模型在 TiC/Ni金属陶瓷电火花加工单脉冲放电温度场仿真中的模拟效果更好。（2）建立了基于温度场仿真结果的材料蚀除率和表面粗糙度模型，并通过实验验证该模型能够很好地实现 TiC/Ni金属陶瓷电火花加工的材料蚀除率和表面粗糙度的预测。（3）对 TiC/Ni 金属陶瓷进行了电火花加工工艺试验，研究总结了加工工艺规律，得出了对工件材料蚀除率、侧面间隙、表面粗糙度影响最为显著的三个工艺参数为峰值电流、脉宽和脉间。（4）通过微观形貌的研究得出峰值电流对材料蚀除方式影响较大：峰值电流较小时，材料的蚀除方式以镍的熔化、气化和碳化钛的熔化、气化、整体颗粒移除为主，热应力作用为辅，峰值电流较大时，材料的蚀除方式以镍的熔化、气化和碳化钛热应力断裂去除、整体颗粒移除为主；脉宽的变化不改变材料的蚀除方式，只改变蚀除作用的显著程度。

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参考文献（略）

本文编号：52215