【摘 要】
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烧结多孔金属材料由于兼备金属和多孔材料的优势广泛应用于航空航天、光电材料以及生物医学等各领域。由于孔隙的存在,应用传统的切削加工方式难以进行加工,切削力会使材料产生塑性变形,破坏加工表面的孔隙结构。电火花加工其非接触式加工的特点不会对材料表面造成塑性变形,然而放电加工产生的熔化重铸层,也会对较小的孔隙造成封堵。此外由于多孔材料孔隙不均匀分布使得深小孔加工的间隙流场分布不均,造成排屑困难,容易产生二
【基金项目】
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国家自然科学基金项目“基于材料辨识的绝缘陶瓷涂层-金属多层结构材料小孔电火花加工技术”,项目编号 5187050359;
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烧结多孔金属材料由于兼备金属和多孔材料的优势广泛应用于航空航天、光电材料以及生物医学等各领域。由于孔隙的存在,应用传统的切削加工方式难以进行加工,切削力会使材料产生塑性变形,破坏加工表面的孔隙结构。电火花加工其非接触式加工的特点不会对材料表面造成塑性变形,然而放电加工产生的熔化重铸层,也会对较小的孔隙造成封堵。此外由于多孔材料孔隙不均匀分布使得深小孔加工的间隙流场分布不均,造成排屑困难,容易产生二次放电使加工不稳定。针对以上问题,本文进行了电火花深小孔加工钛基多孔烧结材料的加工间隙流场仿真和加工研究。本文通过测定钛基多孔烧结材料的不同方向的面孔隙率,仿真拟合压降-流速曲线得到钛基多孔烧结材料的粘性、惯性阻力系数,建立了管电极加工钛基多孔烧结材料的的间隙流场以及液固耦合仿真模型,探究了电火花加工烧结多孔材料小孔与加工普通致密材料小孔的差异,分析了工作液、加工参数对其间隙流场的影响,研究了加工参数对电极偏摆的影响。基于仿真分析结果,采用信噪比分析,进行了以材料去除率、孔翻边宽度、放电间隙、孔轴线偏斜度为工艺指标的单目标参数优化实验,并通过灰关联多目标参数优化实验得出了最优组合加工参数。并进行参数影响显著性分析,此外,进行了参数影响显著性分析和一致性验证实验,研究结果表明,最重要的指标为孔轴线偏斜度。针对加工到一定深度时出现的孔径突然变大,产生“鼓型口”的现象,进行了电极损耗与孔径关联性研究。实验结果表明,孔径突然变大发生在孔深33.16mm到38.25mm范围内,超过该范围深度小孔的孔径一致性较差。同时,随着加工深度的变化,工具电极出现不均匀的偏向损耗,形成锥角。使用Kendall模型和Spearman模型分析了电极不均匀损耗产生的锥角区大小和孔径突变产生“鼓型口”入口点位置的关联性,结果表明,工具电极锥角区大小和孔内“鼓型口”入口点位置为高度相关关系,相关性系数分别达到0.815和0.930。最后,针对电火花加工钛基多孔烧结材料的电蚀产物堵塞孔壁孔隙的问题,提出钛基烧结多孔材料深小孔孔壁孔隙率的测定方式,研究了不同加工参数对无孔隙孔壁表面峰峰值的影响规律以及对以及对有孔壁表面孔隙率的影响规律,提出了具有较强的拟合能力和预测能力的响应曲面模型,得到了保证孔壁孔隙率的优化加工参数,并使用该参数进行了电火花小孔加工实验,加工出深度为20mm、直径Φ0.6mm的大深径比小孔,小孔内壁孔隙率与未加工钛基烧结材料的x面和y面的面孔隙率相差仅为2.1%和4.6%,熔化凝固层堵塞孔隙现象明显减少。熔化凝固层分布均匀,平均厚度约为8.9μm。
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