气中微细电火花沉积关键技术研究

【摘要】： 在微纳米加工领域,目前人们已经普遍认可了两种材料加工方式,即“自上而下”的减材加工方式和“自下而上”的增材加工方式。如果能在同一加工系统中,通过简单地改变控制策略即可实现减材与增材可逆加工,则无疑对丰富材料加工技术的内涵和提供新的加工手段具有十分重要的意义。没有宏观作用力、具有以柔克刚特性的电火花加工技术是解决复杂零部件和难加工材料制造难题的有效方法之一。而本文提出的微细电火花沉积技术不仅可以对有缺陷的零件进行生长或修正加工,还可以加工出具有凹面特征和凸面特征的三维微细结构。 微细电火花沉积技术是在电火花常规加工基本原理之上发展起来的。因此本文先对微细电火花沉积的基本原理进行分析,预测了其实现条件,然后通过选取合适的热源模型、热边界条件和放电通道半径等,建立了气中微细电火花沉积的热传导模型。利用Ansys有限元分析方法,对单脉冲条件下的工具电极和工件的瞬态温度场进行数值模拟,并预测了适合气中微细电火花沉积的工艺参数的选择范围。 在普通电火花成形加工机床DP30上,采用45钢、钨和黄铜作为工具电极,在空气介质中可以实现微细电火花沉积加工,再通过仅仅改变电极和工件的极性就可以对生成的沉积材料进行有选择性的去除加工,进而实现材料的可逆加工。通过大量实验对此进行了系统研究,得出各工艺参数的影响规律。另外,为了探索微细电火花沉积的内在本质,还在克服重力、氩气介质和磁场中进行了沉积实验研究。 为了进一步构造二维和三维的微细结构,本文提出了两种沉积策略:单圆柱连续沉积策略和分层扫描式沉积策略。通过对电极的路径规划,实现了HIT字符型阵列、往复直线、圆弧、四边形等形状的沉积。并发现在特定参数下用黄铜电极可以沉积出微三维螺旋结构,这种微三维结构是在没有使用X、Y轴和数控功能,而仅仅是Z轴进给的条件下得到的。通过实验总结了微螺旋沉积的工艺规律,发现在克服重力、电极和工件呈任意角度下均可以稳定沉积。 对微细电火花沉积得到的材料进行了性能检测,检测表明沉积材料的成分取决于工具电极材料,并呈明显的分层结构,与基体结合紧密。电火花沉积之后45钢和钨的硬度有大幅提高,并且微三维螺旋具有较强的耐腐蚀性。另外,在氩气中沉积可以避免被氧化,在磁场中沉积可以使组织更致密。 气中微细电火花加工方法具有设备简单、可操作性强、材料适应范围广、能量易于控制和面向车间的特点,因此具有广泛的应用前景。