硕士学位论文-非导电超硬材料电火花铣削机床的研究.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 非导电超硬材料电火花铣削机床的研究 姓名：王大伟 申请学位级别：硕士 专业：机械电子工程 指导教师：刘永红 20090401 摘要 辅助电极法电火花加工技术是本课题组在对非导电超硬材料电火花加工技术及其机 理研究的基础上，开发的一种新的加工方法。该方法是利用指状辅助电极两极间电火花放 电通道中的能量进行蚀除加工的，能够对非导电超硬材料进行复杂曲面的铣削加工，该技 术是非导电超硬材料电火花加工方法的一项重大突破，对加速非导电超硬材料的推广应用 具有重要意义。 分析辅助电极法非导电超硬材料电火花铣削加工的特殊加工机理和工作条件，根据其 对工作台的速度性能、力学性能以及定位精度等的特殊要求，分析计算出了工作台的工作 参数，设计出了非导电超硬材料电火花铣削机床的传动迸给机构，并利用p r o e 进行了三 维仿真。 根据机床的特殊工作状况建立了滚珠丝杠传动过程中的温度场和热变形的数学模型， 考虑丝杠导程引起表面积变化及螺母移动对温度场的影响，应用有限元软件进行仿真，总 结出滚珠丝杠传动过程中的温度场的分布规律以及温度对丝杠变形的影响关系。 根据对辅助电极法电火花铣削加工理论的分析，设计了可以夹持辅助电极进行振动和 旋转的主轴结构，利用电磁理论对电磁振动结构进行了理论分析；设计出了主轴内冲液结 构，在旋转主轴与振动刀具的连接处进行了密封结构设计和分析：设计出了能够适应不同 电极半径且可以自密封的电极夹持结构，以及辅助电极送电及绝缘系统。利用p r o e 进行了 三维辅助设计，并利用分析软件a n s y s 对电主轴进行了温度场建模和仿真分析。 完成了铣削刀具的理论分析和设计，确定了刀具的选材及制造方法，研究开发出了能 够充当导电介质的物质，设计出了加工实验装置，确定了n a o h 溶液作为导电介质的电火 花铣削加工，在此基础上设计打孔实验，对影响加工速度的参数以及加工条件进行了探索， 进行了沟槽铣削加工实验，验证了辅助电极法进行非导电超硬材料曲面铣削加工的可行性。 关键词：非导电超硬材料，辅助电极，电火花铣削，机床 r e s e a r c ho nt h em a c h i n et o o lo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g e m i l l i n gn o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e s w a n gd a w e i ( e 1 e c t r o m e c h a n i c a le n g i n e e r i n 9 1 ) d i r e c t e db yp r o f l i uy o n g l l l o n g a b s t r a c t an e wt e c h n i q u en a m e da s s i s t i n ge l e c t r o d e se l e c t r i c a ld i s c h a r g em i l l i n gf o r n o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e sm a c h i n i n gi sp r o p o s e d i tr e l n o v e sm a t e r i a l sb ys p a r kc h a n n e l e n e r g yo fe d m a n dc a r lm i l la l lk i n d so fc o m p l i c a t e ds u r f a c e so fn o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e s b yu s i n gt h ec y l i n d e re l e c t r o d e s a n d i t sab i ga c h i e v e m e n to fe d mf o rn o n c o n d u c t i v em a t e r i a l s a n dw i l lb r i n gg r e a ti n f l u e n c et ot h ea p p l i c a t i o no fn o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e s 。 a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g em i l l i n gn o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e sb y a s s i s t i n ge l e c t r o d et e c h n i q u e ，t h ew o r kc o n d i t i o no fw o r k b e n c hi sa n a l y z e da n di t sv e l o c i t y c h a r a c t e r i s t i c s ，m e c h a n i c sc h a r a c t e r i s t i c sa n dp o s i t i o n i n ga c c u r a c ya r ea s c e r t a i n e d e x c e p tt h a t t h ew o r kp a r a m e t e r so fw o r k b e n c ha r ec o m p u t e da n dt h ef e e d i n gs y s t e mi sd e s i g n e da n da l s oi s s i m u l a t e db yp r o es o f t w a r e a t e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt h e r m a ld i s t o r t i o nm a t h e m a t i c a lm o d e la b o u t t h ef e e d i n gp r o c e s so f b a l ls c r e ws y s t e mi se s t a b l i s h e da c c o r d i n gt ot h es p e c i a lw o r kc o n d i t i o no ft o o l s ，a n dt h i sm o d e l i ss i m u l a t e dw i t hf i n i t ee l e m e n tm e t h o dc o n s i d e r i n gt h ei n f l u e n c eo fg r o o v eo ns c r e ws u r f a c ea r e a a n dn u tm o v i n g ，s ow eg e tt h er u l eo ft e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o na n dt h er e l a t i o n sb e t w e e ns c r e w d e f o r m a t i o na n dt e m p e r a t u r e t h er e s u l t sp r o v i dak i n do ft h e o r e t i c a lr e f e r e n c ef o rd e s i g n i n gt h e c o o l e ds t r u c t u r ea n dc o m p e n s a t i n gt h ef e e d i n ge r r o rd u et ot h e r m a ld i s t o r t i o no fb a l ls c r e w f e e d i n gs y s t e m a c c o r d i n gt ot h et h e o r yo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g em i l l i n gn o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e sb y a s s i s t i n ge l e c t r o d et e c h n i q u e ，as p e c i a ls p i n d l ew h i c hc a nv i b r a t ea n dr o t a t ew i t ht h ee l e c t r o d ei s d e s i g n e d t h ev i b r a t i o ns t r u c t u r ei sc a r r i e do u tb ye l e c t r o - m a g n e ta n d t h es t r u c t u r er a t i o n a l i t yi s a n a l y z e da c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i s m i na d d a t i o n ，i n n e rr u s h i n gs t r u c t u r ea n dt h el e a kp r o o f s t r u c t u r ea r ed e s i g n e da tj o i n t i no r d e rt oa d a p tt od i f f e r e n te l e c t r o d e sr a d i u s ，as p e c i a le l e c t r o d e c l a m p i n gs t r u c t u r ei ss e tw h i c hc a na l s ob es e a l e de a s i l y t h ep o w e rs u p p l ya n di n s u l a t i o ns y s t e m i sa l s or e s e a r c h e dc a r e f u l l y t h ew h o l es y s t e mi ss i m u l a t e dw i t hp r o ea n dat e m p e r a t u r ef i e l d a n a l y s i si sc o m p l e t e db ya n s y s s o f t w a r e m i l l i n gc u r e rt h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dd e s i g na r ec o m p l e t e d ，a n dt h ec u t t e rm a t e r i a l sa n d m a n u f a c t u r i n gm e t h o d sa l ec h o o s e d s i m p l ee x p e r i m e n t sa r ed e s i g n e da n dn a o hs o l u t i o ni s s e l e c t e da sc o n d u c t i v em e d i u m a c c o r d i n gt ot h e s ec o n d i t i o n ，t h ep a r a m e t e r sw h i c hi n f l u e n c e m a c h i n i n ge f f i c i e n c yi sa n a l y z e da n dv a l i d a t e db yd r i l l i n gh o l ee x p e r i m e n t s m i l l i n gg r o o v e e x p e r i m e n t sa r ec a r r i e do u ta n dt h ef e a s i b i l i t yi sp r o v e dt h a tt h em a c h i n i n go fc o m p l i c a t e d s u r f a c e so fn o n e o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e s k e yw o r d s ：n o n c o n d u c t i v es u p e r a b r a s i v e s ，a s s i s t i n ge l e c t r o d e s ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g em i l l i n g ， m a c h i n et o o l 1 v 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的成 果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外，本 论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油大学 ( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对研究所 做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名： 至垒f 查 日期：2 0 - 1 年6 月 ，日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版和电 子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论 文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和复印，将学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他复制手段保存学 位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者签名： j 天广串 指导教师签名： 日期：2 , 0 “ o 年6 月1 日 日期： o l , 9 年6 月岁日 中国石油大学( 华东) 硕上学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 本课题来源于国家自然科学基金项目“非导电难加工材料电火花铣削加工技术及机理 研究”和教育部科学技术研究重点项目“非导电工程陶瓷电火花加工技术研究”。 工程陶瓷由于具有高强度、高硬度、耐高温、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数低等优良 性能，被日益广泛地应用于机械、电子、冶金、化工、航空、航天和核工业等领域中。据 统计，2 0 0 2 年欧洲和美国工程陶瓷的市场价值为1 2 7 5 亿欧元和1 3 4 8 亿美元，2 0 0 9 年欧 美工程陶瓷的消费将分别达到1 7 0 5 亿欧元和1 6 5 5 亿美元，平均年增长率分别为4 2 和 2 9 【1 1 。现代工业对工程陶瓷构件的加工精度、加工效率和表面质量等的要求也越来越高。 但是，现有的热压、烧结、真空热挤压等工艺仅能成形出几何形状较为简单和精度较低的 工程陶瓷构件；对于精度要求高、形状较复杂的陶瓷构件，则必须进行后处理加工，而由 离子键和共价键组成的晶体结构决定了其难加工性，其成形后的加工已成为一个重要的技 术难题和研究热点【2 1 。日、英、美等经济强国已纷纷将高性能工程陶瓷列为优先发展领域。 传统的非导电工程陶瓷加工方法主要有机械磨削加工、超声波加工和激光加工等。机 械磨削加工是一种最为常用的非导电工程陶瓷加工方法【3 训，该方法需用价值昂贵的金刚石 砂轮和高刚度的磨床，加工成本高、效率低，且磨削时砂轮与工件之间存在强烈的机械去 除作用力，易使工件表面产生裂纹，降低了工件的使用寿命；超声波加工效率较低、工具 损耗较为严重【5 】；激光m i 主要适用于切割和打孔6 1 。此外，人们还对高压水射流加工【7 】、 超声机械磨削吲、磁力研磨9 1 等加工工艺进行了研究，虽取得了些进展，但仍未解决非导 电工程陶瓷加工成本高和效率低等问题。 非导电工程陶瓷电火花加工技术是当今电火花加工领域的一个研究热点。电火花加工 ( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) 斯i j m i 具与工件电极间火花放电时产生的局 部高温、高压来蚀除材料的，加工时工件和工具两个电极间无宏观作用力，加工表面质量 好，放电能量密度高，可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料，这些优良的特 性使之在导电材料加工领域得到了广泛的应用【1 0 1 1 1 。将电火花加工应用于非导电超硬材料 的加工，需要解决非导电超硬材料不能直接作为放电的一个电极的问题。非导电超硬材料 电火花加工主要有高压电火花n - r 法【12 1 、辅助电极加工法【1 3 1 4 1 、电解电火花加工法【1 5 舶1 、 电解电火花复合磨削加工【1 7 d 8 1 等方法。这些加工方法的提出丰富了非导电超硬材料的电火 花加工理论，但是这些加工方法主要集中在陶瓷工件的切割、打孔和平面加工中，关于复 第1 章绪论 杂曲面加工的研究相对较少，因此如果对非导电超硬材料复杂曲面铣削加工装备能够有所 突破，对非导电超硬材料的推广应用将会产生深远影响，带来巨大的社会和经济效益。 1 2 非导电工程陶瓷材料及应用 1 2 1 非导电工程陶瓷材料 陶瓷材料可以分为传统陶瓷和工程陶瓷，传统陶瓷主要的原料是石英、长石和粘土等 自然界中存在的矿物。工程陶瓷的原料一般采用一系列人工合成或提炼处理过的化工原料。 常用工程结构陶瓷材料主要包括：金属( 过渡金属或与之相近的金属) 与硼、碳、硅、氮、 氧等非金属组成的化合物，以及非金属元素所组成的化合物，如硼和硅的碳化物和氮化物。 根据其元素组成的不同可以分为：氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硅化物陶瓷和 硼化物陶瓷以及不同成份组成的合成陶瓷等1 9 。2 1 1 。 、 陶瓷晶体由共价键、离子键或其混合形式组成，键合牢固并有明显的方向性。在实际 陶瓷材料中，纯粹的离子键或纯粹的共价键几乎是没有的，绝大多数陶瓷的化学键都是介 于离子键和共价键之间的混合键f 2 0 1 。 同金属相比，陶瓷材料具有一系列优异性能 2 1 】： ( 1 ) 高硬度，决定了其具有优异的耐磨性： ( 2 ) 高熔点，决定了其具有杰出的耐热性； ( 3 ) 高化学稳定性，决定了其具有良好的耐蚀性。 但是，陶瓷材料脆性大，塑性、韧性、可加工性、抗震性及使用可靠性不如金属。 1 2 。2 工程陶瓷的主要应用领域 工程陶瓷是作为结构材料使用的，利用的是它的热性能、机械性能和化学性能，因而 也称为结构陶瓷。现在，工程陶瓷已经在能源技术、机械制造、汽车工业、宇航工业和生 物医疗等领域得到广泛的应用【2 2 】： ( 1 ) 陶瓷刀具和量具的应用：2 0 世纪5 0 年代初，陶瓷作为切削刀具被正式使用并遂渐 商品化。最初的陶瓷刀具一般采用氧化铝陶瓷，冲击韧性和可靠性差。以后又出现了金属 陶瓷刀片，镀层陶瓷刀片使刀具抗冲击能力大大提高。8 0 年代相继开发出a 1 2 0 3 加t i 0 2 组 成的复合刀具材料，氧化钴增韧氧化铝及t i c 弥散增强s i 3 n 4 等材料，陶瓷刀具的切削性能 显著提高。9 0 年代初全世界陶瓷刀具的产值已达数十亿美元。陶瓷量规由于热膨胀系数小， 材料性能稳定，在欧美发达国家已有商品出售。 ( 2 ) 机械及宇航业陶瓷轴承的研制：陶瓷轴承具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、无磁性和 9 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 良好的缘性，而且可在无润滑条件下工作。因此工业发达国家都相继开展这方面的研究， 目前日本、美国和德国在该领域处于领先地位。据s k f 公司报道，该公司供给美国宇航业 的陶瓷轴承的使用温度己高达8 0 0 0 0 c ，日本研制的全陶瓷轴承运行速度达0 7 x1 0 r m i n ， 疲劳寿命比普通轴承高3 倍，目前世界市场陶瓷轴承年销售额己超过1 0 亿美元。 ( 3 ) 陶瓷发动机的开发研制：为开发高性能陶瓷的重点用陶瓷发动机零件能在 1 2 0 0 1 5 0 0 。c 高温下正常工作，燃烧效率提高3 0 ，其活塞顶、气门、气缸活塞环等无需 冷却，节约能源，也大大降低重量。1 9 7 1 年，美国国际先进项目研究厅投资1 0 0 0 1 2 0 0 万 美元开始了燃气轮机用脆性材料的研究计划。1 9 8 2 年，美国c u m m i n s 司研制成功无冷却柴 油发动机。燃烧室部件用等离子喷镀o 0 6 4c n l 厚的完全稳定氧化钴，装载这种发动机的军 用卡车已过上万公里路面试验。燃烧室热损失减少了5 0 。1 9 7 8 年，日本开始以提高热效 率和节能为目的的陶瓷热机汽轮机的大型国家计划。近年来，日本京都陶瓷和五十铃汽车 公司合作生产的“电子控制陶瓷涡轮复合发动机”己产品化，排量为1 5 0 0c m 3 ，活塞、气 缸和燃烧室有关零件全用氮化硅、氧钴等陶瓷制造，代表了世界先进水平。 ( 4 ) 陶瓷在超精密机床中的应用：超精密机床的床身、主轴和工作台用工程陶瓷制造可 以增加机床的刚性，降低热膨胀对加工精度的影响。日本j s p m i 技术研究院己研制成具 有陶瓷导轨的超精密机床。 ( 5 ) 工程陶瓷用于机械密封：随着现代机械向高速化、高压化和大型化方向发展，流体 温度变化范围越来越大，处理的流体种类越来越多，使用环境越来越来越复杂。核反应堆 主冷却泵第一级就采用具有高性能的氮化硅密封代替硬质合金密封，由于它可承受冷却液 高温和冷却液中硬质小颗粒的磨损，所以可延长使用寿命。 1 3 非导电工程陶瓷加工技术研究现状 直到上世纪9 0 年代，非导电工程陶瓷材料的加工还局限于使用金刚石砂轮的机械磨削 加工以及各种后处理工艺。近一二十年来，人们探索了超声波加工、激光加工、磨料水射 流加工、超声机械磨削、电解电火花复合磨削、激光预热磨削加工、磁力研磨等特种加工 及复合加工工艺方法。虽取得了一些研究进展，但仍未解决非导电工程陶瓷材料加工成本 高和效率低等问题。比如，超声波加工效率较低、工具损耗较为严重；激光加工主要适用 于切割和打孔，且其设备昂贵。 1 3 1 磨削加工技术 磨削加工作为工程陶瓷的主要机械加工手段，自上世纪8 0 年代来，国内外学者集中研 第1 章绪论 究了陶瓷的磨削加工机理、加工工艺、加工设备、磨削力、磨削热、砂轮磨损及修整等问 题，并提出了一些新的磨削加工工艺，研制出了高效精密磨床和磨削中心，在产品开发、 应用，以及提高加工效率和加工质量等方面取得了较大的研究进展 4 , 2 3 - 2 5 】。 国内外学者为了提高非导电工程陶瓷材料的磨削效率和精度，相继开发出了以高速磨 削【2 6 1 、缓进给磨削阳、o n e p a s s 镜面磨削【2 8 1 、高速深磨力l l - r - t 2 9 1 及高速往复磨削【3 0 3 1 1 、恒压 力磨削【3 2 】、延性域磨削3 3 1 等高效高精磨削加工工艺。 德国、日本对a 1 2 0 3 、s i c 的高速磨削实验表明：提高砂轮圆周线速度( 1 0 0 2 0 0 m s ，甚 至超音速) ，实现高速、超高速磨削加工，能够明显降低磨削力、提高加工效率，磨削效率 分别可达1 6 m m 3 ( m m s ) 、2 2 5 m m 3 ( m m s ) 。 高速缓进给磨削是当前种比较理想的高效磨削方法，又称高速深切磨削，它复合了 高速磨削与缓进给磨削的特点，能够实现材料的局部微脆性裂纹与塑性断裂的复合方式去 除。通过对a 1 2 0 3 磨削实验表吲2 9 1 ，在砂轮转速1 6 0 m s ，进给速率5 0 0 m m m i n 的加工条件 下，当磨削层深度a p 从0 1 m m 增加到1 5 m m 时，材料表面破损层厚度几乎保持不变( 小于 2 0 1 a m ) ，而表面粗糙度r a 从1 , 7 5 p , m 下降到0 7 5 i t m ，磨削比从1 9 0 增加到1 2 0 0 ，大大降低 了砂轮磨损率、改善了表面加工质量、延长了砂轮的使用寿命、提高了加工效率，具有高 效率、高精度的优点；但成本较高，对主轴刚度要求高，需要在线检测、校正砂轮平衡状 态；同时，缓进给磨削磨削热大，为避免磨削表面烧伤，必须采用强力空冷等冷却方式， 增加了设备投资。 o n e p a s s 镜面磨削【2 8 】是由日本市田良夫等提出的一种采用金刚石砂轮“一次走刀“ 高 效、高品质的镜面磨削方法。它改变了常规磨削中使用数l a m 或更细粒度的金刚石砂轮进 行加工时经过粗磨一半精磨精磨一镜面磨削的镜面成型工艺，而直接由粗磨一镜面的镜 面加工方法。磨削时，一次磨削行程切除材料层厚度，切除粗磨工序引起的加工变质层 ( 2 0 4 0 1 a m ) ，一举创成镜面。采用超细磨料金属基金刚石砂轮对a 1 2 0 3 t i c 、s i c 、s i 3 n 4 等 陶瓷的磨削实验表明，一次走刀磨削可获得表面粗糙度值r t 嘲3 0 8 0 n m 的镜面，材料去除 速度达到4 - 1 0 m m 3 ( r a m m i n ) ，从而实现高效率的镜面加工。 高速往复磨削是在提高砂轮圆周线速度实现高速磨削的基础上，通过提高工件和工作 台的往复速度、缩短工作台的行程、降低切削厚度实现高效加工的方法。研究表明，它可 明显降低磨削力、磨削时间，提高比磨削能、磨削比，增加材料的去除率；但工作台的往 复冲击增加了材料的微脆断裂可能性，使表面粗糙度值和表面裂纹相应增加。磨削表面损 伤层可采用小磨削断面积的精加工工序去除，从而获得高效、精密的加工。 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 恒压力磨削是通过维持磨削过程中恒定的磨削压力来改善加工性能以获得稳定磨削的 加工方法。对s i 3 n 4 陶瓷磨削实验表明，磨削压力对磨削力、磨削热、表面粗糙度及效率有 重要的影响，随着磨削压力的增加，材料去除率和表面裂纹相应增加，通过选择合适的、 恒定的磨削压力可获得稳定的延性域模式材料去除过程，实现给定质量要求下低成本、高 效率的加工。 为了有效控制工程陶瓷磨削加工表面裂纹等缺陷，t g b i f a n o 提出了延性域磨削技 术，并依据g r i f f i t h 断裂扩展准则，应用显微硬度压痕法，建立了硬脆材料延性域磨削的临 界切削厚度模型。采用w 2 5 微粉金刚石砂轮对z r 0 2 、s i 3 n 4 陶瓷的磨削试验表明【删：在砂 轮线速度v s = l1 8 m s ，进给速度v f = 4 0 m m m i n ，磨削深度= 3 9 m 的磨削条件下，可分别获 得表面粗糙度r a = 3 n m 和r a = 8 n m 的超光滑镜面：同时，金刚石砂轮的磨粒尺寸和磨削参 数是工程陶瓷延性域磨削的重要影响参数，在磨削条件定的条件下，实现脆性延性转变 的磨粒临界尺寸约为1 2 r i m ；而在金刚石砂轮磨粒尺寸不变时，实现脆性延性转变的临界 磨削深度a k = 2 4 2 6 9 m ，且a k 随着v f 的减小而增大。研究表明，只要合理选择磨削参数， 控制磨削力的作用深度，使单颗磨粒的最大切削厚度小于材料的临界切削厚度以实现脆性 延性的转变，陶瓷材料将主要发生弹塑性变形，表面将呈现无损伤特征而不会出现裂纹扩 展产生的脆性断裂脱落，使材料的磨削加工始终处在延性域内。 1 3 2 激光加工 激光加工是利用高能量密度( 1 0 8 1 0 1 0w c m 2 ) 的均匀激光束作为热源，在加工陶瓷材料 表面局部点产生瞬时高温，局部点熔融或汽化而去除材料。激光加工是一种无接触、无摩 擦式加工技术。加工过程中通过控制激光束在陶瓷材料表面的聚焦位置，实现三维复杂形 状材料的加工。一般激光钻孔和切割所需激光功率为1 5 0 w - - 一1 5 k w ，但同放电加工一样由 于陶瓷材料热导率低，高能束可能会在材料表面产生热应力集中，形成微裂纹、大的碎屑、 甚至材料断裂。c o p l e y 等研究了s i 3 n 4 陶瓷材料在激光加工过程中的物理化学变化，发现 s i 3 n 4 并未熔融而是发生了升华，分解为n 2 和s i 单质，沉积的s i 与s i 3 n 4 热膨胀系数相差 很大，材料表面产生微裂纹，强度损失3 0 4 0 ，所以必须进行加工后处理。激光加工 适合在有机物和陶瓷等无机物材料上进行微钻孔、微切割、制作微结构。目前已能加工直 径为4 “ - - 51 tm 、深径比达1 0 以上的微孔。通常所用激光源为c 0 2 和n d ：y a g 激光。 与金属相比，陶瓷对激光的吸收率较高、热传导率较小，目前国内外学者对陶瓷材料 激光加工技术的研究主要集中在打孔、切割、划线和型腔加工等方面【3 4 】。 洪蕾等人用自行研制的机械斩光盘调qc 0 2 脉冲激光器对s i 3 n 4 陶瓷切割试验表明， r 一一墨! 差堕堡 在高峰值能量( 2 1s k w ) 、短脉冲宽度( 1 p s ) 、高脉冲频率( 2 0 k h z ) 和适当的平均功率( 3 0 0 w ) 条 件下，采用高速( 2 2 0 m m s ) 多次重复走刀切割工艺，可以得到无裂纹的精细切口【3 5 1 。陈可 心等人采用0 2 5 m p a 氧气作辅助气体，用8 0 0 w 的连续波c 0 2 激光在厚度1 3 5 i 眦的氮化 硅陶瓷上加工出了直径0 7 2 m m 的无损伤深孔，深径比达1 8 7 5 3 6 。 t s a ic h w a n h u e i 等人提出了基于裂纹加工单元的激光铣削方法，他们采用c 0 2 和n d ： y a g 激光器对a 1 2 0 3 陶瓷进行了基于裂纹加工单元的激光铣削加工，并在a 1 2 0 3 陶瓷零件 上加工出了形状较复杂的型腔，结果表明，采用该方法进行激光铣削所需要的功率比通常 的方法低。华中科技大学的袁根福等人利用n d ：y a g 脉冲激光在a 1 2 0 3 陶瓷表面上铣削出 了直径8 r a m ，深2 m m 的盲孔和其他各种形状的表面，其加工表面粗糙度为r a 7 8 t m 3 7 ，3 8 。 1 3 3 超声波：j n - r 超声波加工是利用工具端面做超声频振动，通过磨料悬浮液加工脆性材料的一种成形 加工方法，加工原理如图2 所示。 _ ，_ _k ， 镰 i 物 谚次i 。扩富强矿：钐 z 矽；矽 l 卜工具2 _ 工件3 一磨料悬浮液4 、5 一变幅杆 6 一换铯器7 一超声波发生器 图i - i 超声波加工 f i g1 - 1u l t r a s o n i cm a c h i n i n g 超声波发生器产生1 6 0 0 0 h z 以上高频交流电源，输送给超声换能器，产生超声波振动， 并借助变幅杆将振幅放大到0 0 5 o 1 r a m 左右，使变幅杆下端的工具产生强烈振动。含有 水与磨料的悬浮液由工具带动也产生强烈振动，冲击工件表面。加工时，工具以很小的力 压在工件上。工件表面受到磨料以很大速度和加速度的不断撞击，被粉碎成很细的微粒， 从工件表面上脱落下来。虽然每次打击下来的材料很少，但由于每秒钟打击的次数多达1 6 万次以上，所以仍能获得定的加工速度。 循环流动的悬浮液带走脱落下来的微粒，并使 6 矿，。 十目i m 太学( 华末) 硕i 学位论z 磨料不断更新。同时，悬浮液受工具端部的超声振动作用而产牛的澉压冲击和空化现象， 也加速te 件表面被机械破坏的效果。工具连续进给，加工持续进行，工具的形状便“复 印”在工件上，直到达到要求的尺寸。由此可见，超声波加工是磨料在超声振动作_ e j 下的 机械搏击和抛磨作用与超声波空化作用的综合结果，其中磨粒的撞击作用是主要的。 与电火花加工、电解加工、激光加工等特种加工技术相比，超声加工既不依赖于材料 的导电性，又没有热物理作用，工件表面无组织改变、残余应力及烧伤等现象发生：加工 过程中宏观作用力小适台于加工工程陶瓷d 9 , 4 0 ) 。 lbt h o e 等人对超声加一ra 1 2 0 3 、z r 0 2 、s i c 等陶瓷的工艺规律和加丁机理进行了研 究，给出了表1 1 所示的研究结果，并采用超声波加工技术在氮化硅陶瓷上加工出n 蛔图 1 2 所h i 的涡轮叶片。 固1 - 2 超声波加工的氯化硅涡轮叶片实例 f i g b 2u l t r a s o n i c m a c h i n i n gs a m p l eo f s bn t u r b i n eb l a d e 表1 - l 超声波加工一些陶瓷材料的数据 “ i r a b k1 1u l t r a s o n i cm a c h i n i n ed a t ao fc e r a m i cm a t e r i a l s 4 使用巾5 m m 。具；+ 叫j 日0 1 0 m m 工具 34 等离子弧切割 等离于切割可加工所有导电材料，生产成本低、切割速度快、牛j “率商。对1 。非金属 7 第1 章绪论 可以采用非转移型等离子弧进行切割，由于非转移型等离子弧切割时阳极斑点在喷嘴上， 大量热能经水冷散失，能量利用率低。由于受弧柱形态及温度场分布限制，该加工技术很 难胜任较大厚度工件的切割。 大连理工大学的徐文骥等人进行了绝缘陶瓷材料附加阳极等离子弧切割技术的研究工 作，其切割技术的基本原理是在被加工陶瓷件下方设置一个附加电极，利用阴极与附加电 极之间产生的等离子弧进行切割加工。他们采用该方法对6 m m 厚的a 1 2 0 3 陶瓷板进行了切 割试验，得到了上口宽5 0 r a m ，下口宽4 7 m m ，切口角2 9 。的光滑切口【4 2 】。 1 3 5 其它复合加工方法 ( 1 ) 超声波磨削 研究资料表明【4 3 】：采用超声波磨削工程陶瓷时，当磨削深度小于某临界值时，工程陶 瓷的去除机理与金属磨削相似，工件材料在磨刃的作用下通过塑性流动形成切屑，避免了 较深变质层的形成，塑性磨削可以获得r a 1 5 7 7 4 8 n d 2 = 2 8 9 8 1 m m ( 6 ) 滚珠丝杠副的预紧力 = 、3 = 3 0 8 3 n ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 第3 章非导电材料电火花铣削机床进给传动系统设计与建模 3 3 直线滚动导轨的计算 ( 1 ) 基本静额定负荷 直线运动导轨在静止时，若承受过大的负荷或冲击负荷，会使滚道、滚动体产生永久 变形而影响其运动的平稳性，故额定静负荷为导轨校核或选型依据之一。 c o 以p 0 = 3 0 0 0 n 表3 - 2 静负荷安全系数，； t a b l e3 - 2t h es a f e t yc o e f f i c i e n t so f s t a u cb u r d e n 五 运动条件负荷条件正 有冲击，沿导轨轴线的弯矩较小 1 0 一1 3 静止 有冲击，沿导轨轴线的扭矩 2 o 一3 0 普通负荷，沿导轨轴线的弯矩较小 1 0 1 5 运动 有冲击，沿导轨轴线的扭矩 2 5 5 0 式中，c 0 一额定静负荷，产品样本中给定，n ； 只一单个滑块上静负荷或冲击负荷，n ，通常取双导轨，四滑块结构； 工一静负荷安全系数取1 5 ，z 按表3 - 2 条件选取。 ( 2 ) 基本动额定负荷5 8 , 5 9 直线运动滚动导轨工作时，滚道、滚动体表面受到交变应力的作用，产生疲劳破坏， 故动额定负荷为导轨校核和选型依据之一。 直线运动滚动导轨承受的工作负荷p 、其工作总行走距离( 寿命) l 与基本动额定负荷c 的关系为： 州争5 0 ( k m ) ( 3 - 9 ) 由于工作条件与试验条件有差异，考虑到工作负荷在各种工况条件下的变化等因素， 应将式上式修正为： 三= 华5 啦， p 铲塑( 3 - 1 1 ) “2 石再不丽 式中，_ 总行走距离( 寿命) k i n ； 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 c l 基本动额定负荷k g f ； 厶一硬度系数，取o 9 5 ，厶按表3 3 条件选取； 办一温度系数，取1 0 ，力按表3 - 4 条件选取； 厶一接触系数，0 8 l ，足按表3 5 条件选取； 厶一负荷系数，1 2 ，厶按表3 - 6 件选取； 表3 - 3 硬度系数矗 t a b l e3 - 3t h er i g i d i t yc o e f f i c i e n t sf h h r c 5 8 6 05 6 5 8 5 4 5 65 2 5 45 0 5 24 8 ，- - - 5 0 亿 1 00 9o 80 70 6o 5 表3 - 4 温度系数，办 t a b l e3 - 4t h et e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n t s f z 温度( 。c ) 1 0 0 1 2 01 4 01 6 0 18 02 0 0 f t l 。0o 9 7o 9 3o 8 8 o 8 20 7 4 表3 - 5 接触系数，尼 t a b l e3 - 5t h et o u c hc o e f f i c i e n t s f c 每条导轨上安 l23 45 装的滑块数 尼 1 o0 8 10 7 2o 6 0 6 1 表3 巧负荷系数， t a b l e3 - 6t h eb u r d e nc o e f f i c i e n t sk 条件 丘 低速1 5 m m i n ，无振动冲击 l 1 5 中速1 5 6 0 m r a i n ，有振动冲击2 0 - 一3 5 2 0 3 5 足一计算负荷n ，取静负荷忍； t 一往复运动行程，m ； n l 一每分钟往复次数； 第3 章非导电材料电火花铣削机床进给传动系统设计与建模 l 一时间寿命，h 。 带入各项参数，得：c = 3 3 5 5 9 n 3 4 其它附件计算设计 3 4 1 丝杠轴承选取 由于设计机床时要考虑补偿丝杠工作过程中的生热导致丝杠伸长造成的机床定位精度 误差，需要对丝杠预拉伸补偿热变形误差，因此初选采用两端固定的支承形式按照丝杠直 径和预拉伸载荷选择轴承，并进行寿命校核。 ( 1 ) 行程补偿值： c = 1 1 8 a t l 。x1 0 一1 3 8 p r n ( 3 1 2 ) 式中，l 。= l k + l 。+ 2 l 。 厶一滚珠丝杠副的有效行程，4 6 8 m m ； 厶工作台行程，取4 2 0 m m ； 三。一螺母长度，根据丝杠型号取1 0 8 m m 。一安全行程，取2 0 m m & 一温差取2 5 0 c ( 2 ) 预拉伸力： e = 1 9 5 a t d 2 2 = 4 3 2 9 2 n 式中，畋一丝杠底径。 ( 3 ) 确定滚珠丝杠副支承用的轴承代号、规格： ( a ) 轴承所承受的最大轴向载荷 吒m 。= f + l ，= 5 2 5 4 2 n ( 3 1 3 ) ( b ) 轴承类型 两端固定的支承形式，选背对背4 0 0 角接触推力球轴承 ( c ) 轴承内径 d 略小于d 2 = 2 8 9 m m ( d ) 轴承预紧力 2 只 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 预加负荷= = 瓦, 。3 = 1 7 5 1 4 n ( e ) 按样本选轴承型号规格 当d z = 2 8 9 m m ，预加负荷= f b p ： 所以选7 6 0 2 0 3 0 t v p 轴承 取d = 2 5 m m d = 3 0 m m 预加负荷为 2 0 0 0 n = f b p = 1 7 5 1 4 n 3 4 2 电机的选择 伺服电机是根据负载条件来选取的，加在电机轴上的负载主要有两种：负载扭矩和负 载惯量，其中负载扭矩包括切削扭矩和摩擦扭矩。负载扭矩应小于所选择电机的额定扭矩， 负载扭矩与加速扭矩之和应等于所选择电机的最大扭矩。 ( 1 ) 作用在滚珠丝杠副上各种转矩的计算： 外加载荷产生的摩擦力矩巧( n m ) ： 耳：盈x 1 0 ：娑娑生：0 8 1 8 n 聊( 3 - 1 4 ) 2 m 7 2 3 1 4 0 9 空载最大转矩： 足：盟1 0 一：竺些：0 3 0 4 n ，z ( 3 - 1 5 )“ 2 m 7 2 3 1 4 0 9 滚珠丝杠副预加载荷。产生的预紧力矩乙( n m ) 乙：娶耳1 0 一：塑裟1 0 一：0 0 5 8 n 研( 3 - 1 6 ) ， 2 万 ，7 2 2 3 1 4 x 0 8 1 式中：e 一滚珠丝杠副导程； 刀一未预紧的滚珠丝杠副效率，1 3 级精度的丝杠q = 0 9 ，4 级精度的丝杠7 = 0 8 5 ； 卜作用在滚珠丝杠副上的外加轴向载荷。 忽略轴承摩擦，电机的驱动转矩为： t = 名+ 乙- o 8 18 + 0 0 5 8 = 0 8 7 6 n m 2 9 兰! 童j ! 量皇笪型皇坐垄堑! ! 垫堕垄坌笪塾墨竺堡生兰垄堡 一 - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。- - - _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ - - _ - _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ - i - - - 。- 。- 。_ 。_ _ _ 。 电机最小额定功率： ，：i n l = t 功= 0 8 7 6 2 0 0 2 3 1 4 6 0 = 1 8 w p m i n2 = 瓦= 0 3 0 4 3 0 0 0 2 x 3 1 4 6 0 = 9 5 w ( 2 ) 负