超声振动辅助电火花加工SiCp/Al复合材料技术研究

作     者：李聚才 

作者单位：山东大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张勤河

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 

主      题：SiCp/Al复合材料 电火花成型孔加工 超声振动 间隙流场仿真 工艺试验 

摘      要：碳化硅颗粒增强铝基（SiCp/Al）复合材料在比强度、比刚度、密度、可焊性、研磨性以及导热性等方面有着显著的竞争优势,在航空航天、汽车制造以及电子科技等行业得到了广泛的运用。由于此材料富含高硬度SiC陶瓷增强体,当使用传统机加工对其加工时,SiC颗粒强力刻划刀片具表面会使得刀具磨损严重,加工成本较高,成型精度较差。相对于传统的机械加工,电火花加工具有无宏观切削力、适用范围广、易获得微小材料去除量等优点,且不受材料的硬度和强度影响,因此采用电火花加工方法对SiCp/Al复合材料进行加工是一种有效途径。电火花加工SiCp/Al复合材料过程中,由于蚀除的基体铝和脱落的SiC增强颗粒滞留于两极放电区域,不利于稳定放电,影响加工效率和加工精度,制约着其在相关领域的广泛应用。本文基于电火花加工技术开展超声复合加工研究,以期解决电火花成型孔加工SiCp/Al复合材料中加工效率和加工精度低的问题。本文首先对常规电火花加工SiCp/Al复合材料的去除机理进行了理论分析,在此基础上分析工具电极附加超声振动后对电火花加工中放电通道、放电间隙、蚀除物排出和加工表面的影响。依托课题组现有的电火花成型加工机床,基于压电效应理论和有限元方法,结合WORKBENCH有限元仿真软件设计搭建了超声振动装置系统,并对搭建的装置系统进行阻抗和振幅的测试,实现了工具电极轴向稳定的超声振动。基于CFD理论对工具电极超声振动作用下的加工间隙流场进行了理论分析及仿真计算,探索了工具电极超声振动对加工间隙流场速度变化和蚀除物颗粒排出规律的影响。分析结果表明:工具电极超声振动能够加快加工间隙内工作液介质的流动,促进蚀除物颗粒排出两极间隙。在工具电极附加超声振动的试验平台上进行SiCp/Al复合材料的电火花成型孔加工单因素试验,探索了在此平台下峰值电流、基准电压、脉间和脉宽对工件材料去除率、表面粗糙度、宽度过切量和电极相对损耗率的影响规律。研究结果表明:随着峰值电流增大,基准电压和脉间减小时,工件材料去除率、表面粗糙度和宽度过切量增大;随着脉宽的增大,工件材料去除率先增大后减小,表面粗糙度和宽度过切量逐渐增大;电极相对损耗率随着峰值电流和基准电压的增大逐渐增大,随着脉宽的增大先减小后增大。在单因素试验基础上,进行电火花加工SiCp/Al复合材料成型孔的正交试验,结合灰关联法得到使加工指标综合性能达到最优的参数组合。研究成果为SiCp/Al复合材料电火花成型孔加工的实际工程应用提供了技术支撑。