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磨料水射流铣削陶瓷材料加工技术研究

冯衍霞  
【摘要】: 本文通过磨料水射流铣削加工典型脆性难加工陶瓷材料,研究了磨料水射流铣削陶瓷材料的加工机理,分析了磨料水射流铣削加工表面的质量,建立了磨料水射流铣削加工陶瓷材料的铣削深度和表面粗糙度模型。本文的研究结果对于拓宽磨料水射流技术的应用领域,解决陶瓷等脆性难加工材料的加工问题,具有十分重要的理论指导意义和实际应用价值。 实验研究了磨料水射流铣削陶瓷材料时的性能,研究了铣削加工参数对铣削体积去除率和铣削深度的影响,建立了磨料水射流铣削体积去除率和铣削深度与水射流压力、靶距、喷嘴横移速度和横向进给量的经验预测模型,该模型可预测和控制材料去除率和铣削深度。结果表明,在本实验条件下,铣削氧化铝时的铣削体积去除率为0.405~4.463mm~3/s,铣削氮化硅时的体积去除率为0.095~0.177mm~3/s,并且随着水射流压力、靶距和磨料流量的增加,材料的体积去除率增加;随喷嘴横移速度、横向进给量和材料硬度的增加,材料去除率减小,因此要得到高的材料去除率,可采用较高的水射流压力、较大的靶距和磨料流量、较小的横向进给量和较低的喷嘴横移速度。铣削氧化铝时的铣削深度为0.2~2mm,铣削氮化硅时的深度小于0.1mm,并且随着水射流压力、靶距和磨料流量的增加,铣削深度增加;随着喷嘴横移速度和横向进给量的增加,铣削深度减小,因此要得到较大的铣削深度,可采用较高的水射流压力、大的磨料流量、较大的靶距、小的横向进给量和低的喷嘴横移速度。 研究了磨料水射流铣削表面和铣屑的微观结构形貌,分析了磨料水射流铣削陶瓷材料的去除机理。结果表明,在磨料水射流冲击初期,材料因塑性变形产生垂直于冲击面的径向裂纹,在冲击后期,产生近似平行于材料表面的横向裂纹,横向裂纹和径向裂纹扩展,导致材料的去除。在氧化铝材料的铣削表面上存在许多深浅不同的由于材料断裂去除而留下的凹坑,在凹坑周围有塑性流动和融化的痕迹;氮化硅材料的铣削表面比较平整光滑,存在塑性流动的痕迹。块状和片状结构铣屑表明,由脆性断裂与塑性变形引起的块状去除和片状剥落是磨料水射流铣削陶瓷材料的主要去除机理。铣削前的石榴石磨料大小均匀,形状近似于圆形,表面比较光滑,大部分表面没有锋利的锐角;铣削后的磨料表面出现了锋利的锐角和明显的解理断裂面。 研究了磨料水射流单次、两次铣削凹槽的结构形状和平面铣削加工时铣削表面的质量。结果表明,随着水射流压力的增加,凹槽铣削深度增加;随着喷嘴横移速度的增加,铣削横截面凹槽宽度变化不大,但铣削深度逐渐减小;随着靶距和横向进给量的增加,横截面凹槽的宽度增加,而铣削深度减小。铣削氧化铝平面时,要获得较好的表面结构形状,可选择较小的水射流压力、较高的喷嘴横移速度和较小粒径的磨料;在较小的靶距下,要选择较小的横向进给量,而在较大的靶距下,应选择较大的横向进给量。铣削氮化硅平面时,铣削表面非常光滑,测得的表面粗糙度(Ra)为0.6~1.0μm之间,并且大部分铣削条件下y方向(喷嘴移动)的表面粗糙度值大于x方向(横向进给)的表面粗糙度值;应选取较小的射流压力、较大的喷嘴横移速度、中等靶距、大的横向进给量和较小直径的磨料,降低表面粗糙度。 研究了磨料水射流铣削表面的残余应力和硬度变化。结果表明,磨料水射流铣削氮化硅表面存在残余压应力,残余压应力最大值为-203MPa,最小值为-19.6MPa。水射流压力和靶距对残余应力的影响较大,而喷嘴横移速度和横向进给量对残余应力的影响较小;而且铣削表面的残余压应力随着水射流压力的增加而先减小后增大,随着靶距的增加而增大,随喷嘴横移速度和横向进给量的增加而先减小后增大。磨料水射流铣削提高了材料表面的硬度;并且随着水射流压力和喷嘴横移速度的增加,铣削表面的硬度增加;而随着靶距和横向进给量的增大,铣削表面的硬度减小。磨料水射流铣削横截面的结构形貌表明,铣削表面存在一很薄的变质层,变质层内没有明显的裂纹,由于铣削表面产生残余压应力,硬度提高,因此变质层的出现有利于表面质量的提高。 建立了磨料水射流单次铣削时的最大深度模型、磨料水射流铣削平面的铣削深度模型和铣削表面粗糙度模型。假设磨料水射流单次铣削时的工件横截面形状为余弦曲线,建立了磨料水射流单次铣削的最大深度模型,分析了水射流压力、磨料流量、靶距、喷嘴横移速度、横向进给量和喷嘴直径及材料性能参数对单次铣削最大深度的影响规律。在单次铣削最大深度模型的基础上,建立了磨料水射流铣削深度的数学模型,并进行了实验验证,结果表明,随着水射流压力和靶距的增加,铣削深度增加;随着横向进给量和喷嘴横移速度的增加,铣削深度减小。实验测得的铣削深度与根据模型预测的铣削深度非常接近。以单次铣削最大深度模型为基础,建立了磨料水射流铣削表面粗糙度模型,分析了水射流压力、靶距、喷嘴横移速度、横向进给量、磨料流量和喷嘴直径及材料性能参数对磨料水射流铣削表面粗糙度的影响规律。


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