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剪切增稠与电解复合高效抛光方法基础研究

剪切增稠与电解复合高效抛光方法基础研究

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作者：翁海舟浙江工业大学

学位级别：硕士

随着难加工金属材料快速发展及其表面质量要求日益提高,如何高效抛光难加工金属材料已成为超精密加工技术研究热点之一。本文在剪切增稠抛光(STP)加工方法基础上结合电化学加工原理提出剪切增稠与电解复合抛光(Electrolysis compounded ... 详细信息

随着难加工金属材料快速发展及其表面质量要求日益提高,如何高效抛光难加工金属材料已成为超精密加工技术研究热点之一。本文在剪切增稠抛光(STP)加工方法基础上结合电化学加工原理提出剪切增稠与电解复合抛光(Electrolysis compounded shear-thickening polishing,ESTP)方法,实现了难加工金属材料高效、高质量、低成本的加工。本文对剪切增稠与电解复合抛光方法的主要研究内容如下:阐述ESTP原理及其加工特性,并分析了影响ESTP加工的主要参数;建立ESTP实验平台,开发多轴联动机构和脉冲电解电源等关键装置,工件驱动主轴最高转速3000rpm,抛光槽最高速度400rpm;脉冲电解电源电源频率范围0-250 KHz,占空比0-100%,单极性方波;脉冲电压0-150 V,脉冲电流0-20 A,功率输出峰值500 W。研制剪切增稠与电解复合抛光液及其制备方法。确定电解基液成分为水:磷酸:硫酸:丙三醇约为5:3:1:1,粘度为0.004～0.007 Pa.s。以表面粗糙度Rz变化大小来评价电解液特性时,电流密度影响最为显著,电源占空比次之,电源频率影响最小;筛选以多羟基高聚物为分散相,去离子水与电解基液混合物为溶剂添加磨粒后制备抛光液;使用旋转流变仪测试磨粒种类、粒径、浓度等参数对抛光液流变特性的影响,分散相粒子质量分数为50%、粒径5-15μm时抛光液的剪切增稠特性好,含有Al2O3磨粒抛光液所受剪切速率从30 s-1增加到1000 s-1时,粘度增加近100倍。推导ESTP抛光过程中的摩擦阻力和压强阻力公式,建立了工件表面作用力计算模型,结合电化学抛光经验模型建立ESTP材料去除模型;探讨了ESTP的电解氧化和剪切增稠去除过程的协同机理,确定了电流密度与抛光转速之间的匹配关系,当I=1.5A时,抛光槽转速达到100rpm,电解氧化生成钝化层速度与剪切增稠抛光去除钝化层的速度相当,而当I为2.5 A、3.5 A时,匹配转速分别为90 rpm、80 rpm。通过单因素实验分析了电流密度、电源占空比、抛光速度和磨料浓度对抛光效率与抛光质量的影响规律。对比ESTP、先电解后剪切增稠抛光、剪切增稠抛光三种方法,得到ESTP的加工效率是剪切增稠抛光的4-5倍,ESTP与先电解后剪切增稠抛光方法的加工效率相当,304不锈钢的初始表面粗糙度Ra 315nm经抛光20 min后便可达到Ra5nm。

关键词：难加工金属材料剪切增稠与电解复合抛光材料去除率表面粗糙度

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