工程陶瓷引弧微爆炸加工边缘碎裂的周向包封研究

针对工程陶瓷引弧微爆炸加工时的边缘碎裂现象,提出了一种利用低熔点金属周向包封施加预应力控制陶瓷材料加工边缘碎裂的方法。介绍了周向包封工艺,开展了包封后工件的引弧微爆炸加工实验,并通过有限元方法对工程陶瓷包封过程中的温度场及应力场进行了仿真,揭示了周向包封控制工程陶瓷引弧微爆炸加工边缘碎裂的机理。

工程陶瓷引弧微爆炸加工中等离子体射流的光学特征

引弧微爆炸加工是一种新型工程陶瓷特种加工技术,其能量通过等离子体射流输出,由于加工过程伴随着强烈的光和热,直接测试十分困难。通过高速摄像技术和光谱分析技术,综合对等离子射流的外部形态和内部物理状态进行研究。利用高速摄像,观察射流的外观以及氮化硅和氧化铝两种陶瓷材料加工时的材料去除过程。观察发现,射流直径随电流值的增大而增大,单脉冲加工时蚀坑直径随着加工时间逐渐扩展,蚀坑形状近似为球冠形;结合材料性质,推断出氮化硅陶瓷加工时分解,氧化铝陶瓷加工时直接熔化。对等离子体射流的光谱分析,采用氢原子示踪法,选择Hα谱线进行。分析结果显示,采用斯塔克展宽法获得的等离子体的电子密度在1016～1017 cm–3范围内,满足局部热力学平衡状态,并分析了加工参数对电子密度的影响规律。

Si_3N_4陶瓷激光加热辅助引弧微爆炸加工温度场仿真

介绍了激光加热辅助引弧微爆炸加工技术,建立了温度场数学模型,使用有限元分析软件计算出了加工Si3N4陶瓷时的温度场分布,并研究了工艺参数对温度场的影响。仿真结果表明:用激光加热辅助引弧微爆炸加工使加工温度得到提高,从单独使用引弧微爆炸加工的12 600℃提高到14 381℃;其最高温度随着激光功率的增大而升高,随光斑尺寸的增大而减小,随激光加热点距引弧微爆炸加工点距离的增大先增大后减小,随进给速度的增大而减小。研究结果为揭示激光加热辅助引弧微爆炸加工机理和选择合理工艺参数提供了理论依据。

面向工程陶瓷的电极引弧微爆炸加工系统开发与加工特性研究

在对工程陶瓷加工技术发展现状和加工原理简要分析的基础上,借鉴电极放电基本理论和高功率脉冲技术,研制了电极引弧微爆炸加工系统,对该系统核心组件—专用脉冲电源的组成和功能进行了详细的介绍。通过对Si3N4陶瓷材料的加工实验,确定了主要加工参数的取值范围,并分析了该系统的加工特性,最后对电极引弧微爆炸加工技术与激光、电火花和等离子等特种加工技术以及传统的金刚石砂轮磨削技术进行了简要综合的比较。结果表明,电极引弧微爆炸加工技术是一项全新的低成本加工技术,具有非常广阔的应用前景。

工程陶瓷引弧微爆炸加工过程的高速摄像

为了研究工程陶瓷引弧微爆炸加工的工作原理,建立了高速摄像试验系统对微爆炸等离子体射流的产生过程、外观形态进行了观测,得到了微爆炸等离子体射流的产生原理.对氮化硅陶瓷和氧化铝陶瓷冲击蚀坑的形成过程进行了高速摄像观测,并利用扫描电镜观察了冲击蚀坑的截面形貌,得到了陶瓷加工的材料去除机理.实验结果表明,等离子体射流的形成过程可分为火花放电和稳定等离子体射流2个阶段,等离子体射流的直径随着电流值的增大而增大,冲击蚀坑直径随着加工时间逐渐扩展.氮化硅陶瓷加工时升华分解,蚀坑表面覆盖一层结构疏松的变质组织,在亚表面上有横向裂纹形成;氧化铝陶瓷加工时直接熔化,表面变质层成分为非晶体玻璃相.

Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工温度场模拟

建立Si3N4陶瓷引弧微爆炸加工过程中温度场的数学模型,进一步明确了该新型加工技术的加工机理。基于有限元理论,利用工程数值模拟软件Patran和Nastran对Si3N4陶瓷引弧微爆炸加工的温度场分布进行了模拟,对加工后冲击凹坑的深度和宽度进行了预测,得到了不同加工参数对冲击凹坑形状的影响规律。仿真结果表明:Si3N4陶瓷引弧微爆炸加工的最高温度达到12 000℃以上,但高温影响区范围很小;其温度分布在加工区内随着脉冲持续时间的增加和加工电流的增大而增加,在加工区外温度保持室温不变。模拟结果为Si3N4陶瓷表面形貌的预测、引弧微爆炸加工机理的揭示、加工参数的合理选择等提供了理论依据。试验验证了仿真结果的正确性。

Al_2O_3陶瓷引弧微爆炸加工温度场模拟

建立了Al2O3陶瓷引弧微爆炸加工(micro-detonation of striking arc machining,MDSAM)过程的传热模型,基于有限元理论,利用ANSYS软件对加工过程中的温度场分布进行了模拟。结合材料性质,对模拟和实验得到的蚀坑尺寸进行了比较,并分析了加工参数对温度场的影响。模拟结果表明,Al2O3陶瓷引弧微爆炸加工时在给定的加工参数下的最高温度可达13 435℃,且高温影响区范围很小,加工实验与模拟结果符合较好。随着脉冲宽度和工作电流的增加,加工区域的温度以及蚀坑的半径和深度增大;随着喷嘴半径的增大,加工区域的温度降低而蚀坑的径深比增大。模拟结果可为Al2O3陶瓷引弧微爆炸加工过程中表面形貌的预测、材料去除机理的揭示以及加工参数的选择等提供参考。

工程陶瓷引弧微爆炸加工冲击力建模及实验分析

介绍了引弧微爆炸加工过程中冲击力产生的原因,利用单因素实验确定影响冲击力的主要工艺参数,利用正交实验和回归分析的方法建立了冲击力指数型经验模型,得出工艺参数对冲击力的影响规律。实验结果表明:工作电流、工作气压和微爆炸发生器喷嘴直径是影响冲击力大小的主要工艺参数,冲击力随着工作电流的增大而减小,随着工作气压和喷嘴直径的增大而增大,而工作脉宽和工作距离对冲击力大小影响不显著;建立的冲击力模型与实验结果吻合良好。研究结果可以为引弧微爆炸加工过程的控制提供参考依据。

工程陶瓷引弧微爆炸加工中阳极选择及微爆炸发生器设计

引弧微爆炸加工是一项最新开发出的工程陶瓷材料特种加工技术,为了开发出稳定性好、加工效率高,以及使用成本低的引弧微爆炸加工系统,对阳极接入方法及微爆炸发生器的结构进行了研究。结果显示,利用微爆炸发生器的喷嘴作为加工系统的阳极,加工过程稳定,加工后的工件质量较好;微爆炸发生器采用了基于成本和效率的设计方案,利用压缩气流对喷嘴进行冷却,利用高压冷却水对电极进行冷却,取得了较低的加工成本和较高的加工效率。研究结果为该技术的发展及应用奠定了良好的基础。

工程陶瓷引弧微爆炸加工技术参数分析及性能特点

从系统组成、工作原理、工艺参数、技术特点等方面,介绍了一种新开发的适用于工程陶瓷材料粗加工的引弧微爆炸加工技术,分析了影响加工过程的典型工艺参数,总结了该技术的性能特点。引弧微爆炸加工系统的主要部件为专用脉冲电源及微爆炸发生器,系统工作时生成的微爆炸等离子体射流具有高温高压特性,作用于陶瓷材料表面生成一个圆形蚀坑。加工过程中的工艺参数主要包括喷嘴孔径、工作电流、工作气压、工作脉宽及工作距离。该技术具有低成本、工艺灵活、热损伤小、加工范围广及加工后表面粗糙等特点。

引弧微爆炸加工温度场模拟及实验研究

建立了Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工过程的传热学模型,并基于有限元理论,利用大型的高级数值仿真软件COMSOL Multiphysics对Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工的温度场分布进行了模拟,并结合实际加工过程,对加工后冲击凹坑的宽度和深度进行了预测。仿真结果表明,Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工在给定的加工参数下的最高温度可达到12 100℃,但高温影响区范围很小;其材料的去除率随着脉冲宽度和加工电流的增加而增加,随着喷嘴半径的增加先增加后减小;径深比随着脉冲宽度和加工电流的增加而减小,随着喷嘴半径的增加而增加。实验验证了仿真结果的正确性。

Si_3N_4陶瓷引弧微爆炸加工材料去除率建模与分析

利用引弧微爆炸加工装置,以氮化硅工程陶瓷为加工对象,对引弧微爆炸加工过程的喷嘴烧损及材料去除率进行了研究。通过喷嘴烧损实验,研究了喷嘴烧损规律及喷嘴直径对材料去除率的影响;利用正交实验方法,建立了材料去除率经验模型并分析了材料去除率随加工参数的变化规律。结果显示:喷嘴直径随着脉冲次数的增加而扩展,当直径在2.4～2.8 mm之间时,可以产生最好的加工质量和最大的材料去除率;四个主要加工参数对材料去除率的影响显著,材料去除率随着工作电流、工作气压、工作脉宽的增大而增大,随着工作距离的增大而减小;建立的指数型经验模型简单可靠,与实验结果吻合良好,可以用于材料去除率的预测及控制。

SiC陶瓷引弧微爆炸单脉冲加工试验及仿真(英文)

引弧微爆炸技术是一项最新提出的适用于工程陶瓷材料的高能束流加工技术,在加工时,高温高压的等离子体射流从微爆炸发生器喷出,作用于材料表面,材料在烧蚀和冲蚀的综合作用下被去除,生成一个圆形蚀坑。本文对SiC陶瓷引弧微爆炸单脉冲加工进行了实验研究,讨论了工艺参数对加工效率的影响,并对加工过程中的温度场进行了仿真,分析了SiC陶瓷引弧微爆炸加工时的材料去除机理。结果表明,SiC陶瓷引弧微爆炸单脉冲加工后材料表面存在加工损伤层,工艺参数对加工效率影响显著,仿真得到的蚀坑尺寸与实验结果符合良好,SiC陶瓷主要依靠引弧微爆炸产生的高温等离子体射流引起的氧化和分解作用去除。研究为引弧微爆炸加工机理的揭示以及工艺参数的优选提供了理论依据。

基于能量密度的工程陶瓷特种加工去除机制

为了揭示工程陶瓷材料在加工过程中的材料去除机制,对几种典型陶瓷特种加工技术的能量密度进行了研究.以激光加工、辅助电极法电火花加工、高压磨料水射流加工、引弧微爆炸加工4种工程陶瓷加工技术为研究对象,对加工过程中的能量密度进行了定量计算.计算结果表明,激光、辅助电极法电火花加工是通过高密度热能作用于陶瓷表面时产生的高温烧蚀作用去除材料,高压磨料水射流加工是通过具有高密度冲量的磨粒对材料的冲蚀作用去除材料,而引弧微爆炸加工去除材料可以归因于高能量密度的烧蚀和冲蚀协同作用.研究结果表明:实现陶瓷材料去除最根本的原因是加工过程中产生的高能量密度.