【摘要】：單晶碳化硅、鋁基碳化硅、陶瓷和硬質(zhì)合金等高性能零部件表面被加工出規(guī)則可控的微結構,可附加出新的工程應用價值,這些高硬脆材料宏觀尺度與微觀結構的精密加工依賴于超硬金剛石砂輪的磨削加工。在微磨削加工中,砂輪尖端極易磨損,其結合劑需要采用金屬基代替樹脂基,但是,其修銳修整的低效率一直是產(chǎn)業(yè)化的技術瓶頸。因此,提出金剛石砂輪微尖端的干式接觸放電(ECD,Electro-Contact Discharge)修銳修整方法,利用砂輪表面分布的微磨粒切削銅電極卷起的切屑與砂輪金屬結合劑發(fā)生脈沖電火花放電,逐漸微去除金屬結合劑,實現(xiàn)高效率修銳修整。首先,研究砂輪微尖端的脈沖放電去除機制及其修銳修整工藝;然后,研究單晶碳化硅、鋁基碳化硅、硬質(zhì)合金等硬脆材料的微磨削性能;最后,探索微磨削結構表面的工程應用。(1)搭建了干式單脈沖放電去除的動態(tài)實驗平臺,開發(fā)出脈沖放電電壓和電流波形的在線監(jiān)控系統(tǒng),建立了脈沖放電電流波形特征化參數(shù)與砂輪結合劑微米尺度去除量之間的關系模型。研究發(fā)現(xiàn),靜態(tài)和動態(tài)單脈沖放電的火花-電弧放電的臨界轉變值(峰值電流-脈寬比)分別為0.059和0.038,利用動態(tài)脈沖放電波形特征化參數(shù)可以在修銳修整中預測微米尺度的金屬結合劑微去除,其預測誤差為5.6%~22.7%。(2)建立了金剛石磨粒和金屬結合劑微形貌的去除模型,揭示了放電能量參數(shù)、脈沖放電參數(shù)與砂輪結合劑去除之間的作用機制。研究發(fā)現(xiàn),放電修銳中金剛石磨粒和結合劑的去除率分別為0.013 mm3/min和0.241 mm3/min。與機械修銳相比,干式ECD修銳可以分別提高修銳率和修銳效率約34倍和10倍,增加磨粒出刃高度約12μm,進而實現(xiàn)了硬質(zhì)合金、模具鋼表面的干式準鏡面磨削加工,其表面粗糙度Ra分別達0.089μm和0.022μm。(3)采用干式ECD修銳修整方法分別對SD600、SD1200和SD46的金剛石砂輪進行微尖端修整,開發(fā)出三種不同粒度金剛石砂輪的微尖端放電修整工藝。SD600和SD1200金剛石砂輪微尖端修整的最小尖端半徑分別為33μm和15μm,最小角度誤差分別為1.1o和2.4o。修整后的微尖端金剛石砂輪能夠在硬質(zhì)合金和陶瓷表面加工出形狀規(guī)則的微溝槽和微錐塔陣列結構。(4)與機械磨削相比,鋁基碳化硅陶瓷的干式放電磨削可以分別減少磨削力、磨削溫度和表面粗糙度約41%、1.3%和25.6%。砂輪轉速和進給速度對放電磨削的表面粗糙度影響較大,切削深度的影響較小。開發(fā)出硬質(zhì)合金的干式放電微磨削工藝,與機械微磨削相比,能夠有效提高其微結構表面加工質(zhì)量,得到合適的脈沖電源參數(shù):開路電壓為15 V,頻率為5000 Hz,占空比為50%。(5)利用SD600的微尖端金剛石砂輪在陶瓷曲表面加工出曲面微溝槽結構,微溝槽加工深度誤差為3μm,微尖端角度誤差為1.56o,尖端圓弧半徑為48μm。風動實驗表明:微溝槽結構曲面比光滑曲面減小空氣阻力約36%。此外,在工具電極上磨削加工出微陣列結構,可以實現(xiàn)模具鋼、鈦合金和鋁基碳化硅的微陣列放電成型加工。實驗結果表明:平均放電電流為1.5A時,鋁基碳化硅的微成型精度較好;模具鋼的微放電加工去除率為鈦合金的17.5倍。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2015
【分類號】：TG743;TG580.6

【參考文獻】

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本文編號：2768494