（机械制造及其自动化专业论文）超声振动辅助电火花放电表面强化技术及机理研究.pdf

摘要 摘要 电火花放电表面强化技术可以在普通电火花加工机床上实现，利用脉冲放电 产生的热量使工具电极材料、工作液分解物和工件熔融材料在工件表面发生合金 化反应形成强化层，其显微硬度、耐磨性和耐腐蚀性等与基体相比均显著提高。 但使用该技术形成的强化层存在厚度和成分分布不均匀等问题，并且利用固体电 极、压结体或烧结体电极进行电火花放电表面强化处理时电极损耗严重，影响电 火花放电表面强化的精度。 本文研究在电火花放电表面强化过程中工具电极上附加超声振动的方法，可 以改善和解决强化层厚度和成分分布不均匀的问题，还能进一步提高强化层的显 微硬度、耐磨性和耐腐蚀性等。为了在形成电火花放电表面强化层的同时保证强 化控制精度，本文采用c u 工具电极上附加超声振动的同时，在工作液中混入特殊 粉末的方法，在工件表面形成性能良好的强化层，进一步扩大电火花放电表面强 化技术的适用范围。 对电火花放电表面强化机理进行深入研究，利用气体碰撞游离理论、气泡理 论和杂质击穿理论分析电火花放电表面强化过程，并从工作液介质击穿、放电通 道形成及能量分配、电极材料向工件表面迁移、强化层形成及极间消电离等阶段 详细阐述。系统研究极性效应和电极材料选择对电火花放电表面强化层形成的影 响，正极性强化条件和合适的电极材料是形成良好的强化层的前提。采用s i 电极 正极性表面强化处理6 5 m n 钢，工件表面形成非晶纳米晶强化层，这是由于在正极 性强化条件下，电子流高速轰击工件表面产生温度瞬时升高后急冷，具备形成非 晶对过冷度的要求；而负极性强化条件下，由于正离子质量大、惯性大，其对工 件的碰撞升温作用较弱，因此不具备形成非晶的条件。单脉冲电火花放电表面强 化实验结果表明，放电点圆饼的直径随着脉冲能量的增大而增大，建立了单脉冲 电火花放电表面强化放电点圆饼直径的实验回归模型。 s i 电极电火花放电表面强化处理6 5 m n 钢形成的强化层由一层层圆饼叠加而 成，选取合适的参数可以获得无裂纹、无气孔、化学成分分布均匀的强化层。强 化层由白亮层、结合区、热影响层组成。 结合区间存在柱状晶，垂直于工件表面， 热影响层为高碳马氏体。 白亮层上部为非晶纳米晶结构，下部与 柱状晶区域随脉冲参数的变化而变化， 建立了电火花放电表面强化层熔覆率和表面粗糙度模型，研究了强化层厚度、 山东人学博十学何论文 表面粗糙度以及表面和截面形貌随强化处理时间、放电脉冲宽度、脉冲间隔和脉 冲放电峰值电流变化的规律。强化层厚度随放电脉冲宽度和峰值电流的增大而增 大，在合适的脉冲间隔和强化处理时间取得最大值；强化层表面粗糙度值随放电 脉冲宽度和峰值电流的增大而增大，超过一定参数值后工件表面出现微裂纹。 对电火花放电表面强化层中是否存在非晶相进行了热力学理论预测。研究了 电火花放电表面强化层的性能，强化层的显微硬度、耐磨性和耐腐蚀与基体材料 相比显著提高，强化层与基体之间呈现良好的冶金结合。 提出并系统研究了超声振动辅助电火花放电表面强化技术，系统研究其原理 和超声振动对电火花放电表面强化过程的影响。超声振动改善极间放电间隙状态， 引起电场强度的急剧变化，降低击穿延时，更容易形成放电通道；超声振动增大 放电爆炸力和降低工具电极等效硬度，加速工具电极消耗，使参与合金化反应的 工具电极材料增加；超声振动加速熔融物在极间的运动，促进其高速迁移到工件 表面发生合金化反应。 系统研究了超声振动振幅和频率对强化层表面形貌和性能的影响。在低频率 小振幅条件下，超声振动效应弱；在高频率小振幅条件下，强化层厚度分布均匀， 无裂纹、气孔等缺陷。在中频条件下，强化层表面的粗糙度值和s i 含量较低，随 超声振幅的增大而增大；在低频条件下，强化层厚度低，随超声振幅的增大而减 小。在高频大振幅条件下，形成的强化层表面清晰，但是有较多褶皱。工具电极 附加参数合适的超声振动，使表面强化层的厚度和化学成分分布更加均匀、强化 层微裂纹和气孔减少、强化相数量增加、s i 含量提高、强化表面的显微硬度和耐 磨性提高。 提出并系统研究了超声振动辅助混粉电火花放电表面强化技术，其单脉冲放 电强化过程可分为工作液介质电离和粉末极化、介质击穿及放电通道形成、粉末 爆炸参与合金化反应、强化层形成及极间消电离四个阶段，混入工作液中的粉末 有利于形成串联放电，放电通道内及其周围的粉末在热能作用下分裂成小颗粒或 液化气化，在超声振动作用下迁移到工件表面发生合金化反应形成强化层。 理论分析和实验研究混粉浓度、脉冲放电参数、超声振幅对强化层形成的影 响。在混粉浓度6 0 9 l 、放电脉冲宽度2 4 9 s 、脉冲间隔4 2 1 - i s 、脉冲放电峰值电流2 4 a 、 超声振幅2 1 j m 条件下可以形成分布均匀的强化层，x r d 和e d s 分析结果表明工 作液中混入的粉末分布在强化层中。系统研究了不同参数条件下强化表面质量和 耐磨性，在低脉冲放电能量、小振幅超声振动和一定混粉浓度条件下可以使粉末 i l 摘要 渗入工件表面形成表面粗糙度值较低的强化层，强化表面的摩擦系数下降，耐磨 性大幅度提高。放电脉冲峰值电流或超声振幅过大，降低表面强化的效果。 低脉冲放电能量下超声振动辅助混粉电火花放电表面强化研究结果表明，低 脉冲能量和辅助小振幅超声振动条件下获得的强化层表面无裂纹、气孔等缺陷， 粉末含量高，表面粗糙度值低，耐磨性提高。如果脉冲能量过大，附加超声振动 后强化层的质量和性能下降。 关键词l 电火花放电；表面强化；超声振动；混粉 山东大学博十学位论文 a b s t r a c t e l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yc a l lb ea c h i e v e db yt h eo r d i n a r y e d mm a c h i n et o o l s d u r i n gt h es t r e n g t h e n i n gp r o c e d u r e ，m e t a l l u r g yr e a c t i o no c c u r r e d b e t w e e ne l e c t r o d ea n dw o r k p i e e em a t e r i a l s ，i nw h i c hk e r o s e n ew a sd i s c o m p o s e da n da s t r e n g t h e n e dl a y e rw a so b t a i n e do nt h e s u r f a c eo fw o r k p i e c em a t e r i a l s ，w h i c hw a s c a u s e db yt h eh e a to fp u l s ed i s c h a r g e t h eh a r d n e s so ft h ew o k p i e c ea sw e l la st h ew e a r a n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew a so b v i o u s l ye n h a n c e d h o w e v e r ，i th a ss o m ed r a w b a c k s s u c ha sp o o rd i s t r i b u t i o no fs u r f a c ec o a t e dl a y e r sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n ，t h es e r i o u s l o s so ft h ee l e c t r o d e 嘶t i lt h et y p eo fs o l i d ，c o m p r e s s e dp o w d e ra n ds i n t e r e d ，w h i c h s e v e r e l ya f f e c tt h ea c c u r a c yo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es 仃e n g t h e n i n g i nt h ep a p e r , u l t r a s o n i cv i b r a t i o nw a su s e dt oa s s i s te l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c e s t r e n g t h e n i n g , w h i c hc o u l ds o l v et h ep r o b l e mo fp o o rd i s t r i b u t i o no fs u r f a c ec o a t e d l a y e r sa n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o n , a n dw h i c hh a sg o o di n f l u e n c eo nt h es u r f a c eq u a l i t y o ft h es t r e n g t h e n i n gl a y e r , s u c ha si m p r o v et h es u r f a c er o u g h n e s s ，t h eh a r d n e s s ，a n dt h e w e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c e i no r d e rt oe n s u r et h ec o n t r o la c c u r a c yo ft h ee l e c t r i c a l d i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y ，t h ea u t h o ra s s i s t e du l t r a s o n i cv i b r a t i o no n t h et o o le l e c t r o d ea n da d d e ds p e c i f i cp o w d e ri nt h ew o r k i n gf l u i d ，t h u st h es u r f a c e s t r e n g t h e n i n gl a y e rw i t 量lg o o dp e r f o r m a n c ec o u l db ef o r m e do nt h ew o r k p i e c es u r f a c e t h et e c h n o l o g y e x p a n d s t h et e c h n i c a l r a n g e o fe l e c t r i c a l d i s c h a r g e s u r f a c e s t r e n g t h e n i n g t h em e c h a n i s mo fe l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g yw a ss t u d i e d t h et h e o r yo fg a si m p a c ti o n i z a t i o n , b u b b l et h e o r ya n di m p u r i t yb r e a k d o w nt h e o r yw e l e u s e dt oa n a l y z et h es u r f a c es t r e n g t h e n i n gp r o c e s s ，w h i c hw a ss t u d i e df r o mt h es t a g e so f t h eb r e a k d o w no ft h ed i e l e c t r i c ，t h ed i s c h a r g ec h a n n e lf o r m a t i o na n dt h ed i s c h a r g e e n e r g yd i s t r i b u t i o n ，t h em i g r a t i o no ft h ee l e c t r o d em a t e r i a lt ot h es u r f a c eo fw o r k p i e c e ， t h e l a y e rf o r m a t i o n a n dt h ed e i o n i z a t i o n t h ei n f l u e n c eo fp o l a re f f e c ta n d t h ee l e c t r o d em a t e r i a lo nt h es t r e n g t h e n i n gl a y e rf o r m a t i o nw a ss t u d i e d , t h el a y e r 、析t l l g o o dp e r f o r m a n c ec a nb ef o r m e du n d e rt h ec o n d i t i o no fp o s i t i v es t r e n g t h e n i n ga n dt h e c h o i c eo fa p p r o p r i a t ee l e c t r o d em a t e r i a l i v a na m o r p h o u sn a n o - c r y s t a l l i n ea l l o yl a y e rc a nb ef a b r i c a t e do nt h es u r f a c eo f6 5 m n s t e e lu n d e rt h ep o s i t i v ec o n d i t i o n sa n ds ie l e c t r o d e ，t h i si sb e c a u s et h ee l e c t r o ns t r e a m s s t r i k et h e w o r k p i e c es u r f a c e 谢t i ll l i g l ls p e e d ，a n dt h e nt h et e m p e r a t u r eo ft h e w o r k e p i e c es u r f a c ei sd r a m a t i cr a i s e da n dt h e nc o o l i n gq u i c k l y ，t h ec o n d i t i o nf o rt h e a m o r p h o u sf o r m a t i o ni sp r o v i d e d t h e r ei sn oa m o r p h o u si nt h el a y e ru n d e rn e g a t i v e c o n d i t i o n s ，t h i si sb e c a u s et h eh e a t i n ge f f e c to ft h ec o l l i s i o n so nt h ew o r k p i e c ei sw e a k ， d u et ot h em a s sa n di n e r t i ao ft h ep o s i t i v ei o n s ，w h i c hc a n n o tp r o v i d et h ec o n d i t i o n st o f o r ma m o r p h o u sl a y e r t 1 1 es i n g l ep u l s es u r f a c es t r e n g t h e n i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e d o u t ，a n dt h ed i a m e t e ro ft h ed i s c h a r g ep o i n t si n c r e a s e d 、v i t l lt h ei n c r e a s eo fp u l s ee n e r g y ， a ne x p e r i m e n t a lr e g r e s s i o nm o d e lo ft h es i n g l ep u l s ed i s c h a r g ep o i n td i a m e t e rw a s e s t a b l i s h e d u n d e rt h ec o n d i t i o n so fs ie l e c t r o d ea n dp o s i t i v e s t r e n g t h e n i n g ，t h es u r f a c e s t r e n g t h e n i n gl a y e rw a sf o r m e do nt h e6 5 m ns t e e l ，w h i c hc o n s i s t e do fs e v e r a lp i e c e so f o v e r l a p p e dr o u n du n i f o r mp l a t e s t h el a y e rc a nb ef o r m e d ，i nw h i c ht h e r ei sn oc r a c k s a n dc a v i t i e s ，a n dt h ec h e m i c a lc o m p o s i t i o nd i s t r i b u t i o ni su n i f o r m t h es t r e n g t h e n i n g l a y e rc 锄b ed i v i d e di n t ot h r e ez o n e s w h i t el a y e r ，j o i n i n gz o n e ，a n dh e a t - a f f e c t e dz o n e ( h a z ) i nt h ev e r t i c a ld i r e c t i o nt om a t r i x i ti sa na m o r p h o u sn a n o c r y s t a l l i n es t r u c t u r e o ft h ew h i t el a y e ru p s i d e ，a n dt h ec o l u m n a rc r y s t a l se x i s tb e t w e e nt h ew h i t el a y e ra n d h a z ，p e r p e n d i c u l a rt ot h es u r f a c eo fw o r k p i e c e ，a n dt h ec o l u m n a rc r y s t a lz o n ec h a n g e s 、) v i t l lt h ep u l s ep a r a m e t e r s ，t h em i c r o s t r u c t u r eo fh a zw a san e e d l e l i k em a r t e n s i t e 谢t l l h i g hc a r b o nc o n t e n t t h ed e p o s i t i o ne f f i c i e n c ya n ds u r f a c er o u g h n e s sm o d e l so ft h ee l e c t r i c a ld i s c h a r g e s u r f a c es t r e n g t h e n i n gl a y e rw e r ee s t a b l i s h e d t h el a wt h a tt h es u r f a c er o u g h n e s s ，t h e t h i c k n e s so ft h es t r e n g t h e n i n gl a y e r s ，t h es u r f a c ea n dc r o s ss e c t i o nm o r p h o l o g yv a r i e d 、i t l ld i f f e r e n tp r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a ss t u d i e d ，s u c ha se l e c t r i c a ld i s c h a r g ep e a k c u r r e n t , p u l s ed u r a t i o n ，p u l s ei n t e r v a la n dt h ep r o c e s s i n gt i m e t h et h i c k n e s so ft h e l a y e ri n c r e a s e s 、) ，i t l lt h ei n c r e a s eo fp u l s ed u r a t i o na n de l e c t r i c a ld i s c h a r g ep e a l ( c u r r e n t , o b t a i n i n gt h em a x i m u mv a l u eo nt h ec o n d i t i o no fs p e c i f i cp u l s ei n t e r v a la n dp r o c e s s i n g t i m e ；t h es u r f a c er o u g h n e s si n c r e a s e s 、) l ，i mt h ei n c r e a s eo fp u l s ed u r a t i o na n de l e c t r i c a l d i s c h a r g ep e a kc u r r e n t ，m i c r oc r a c k sa p p e a r i n go nt h ew o r k p i e c es u r f a c ea ta c e r t a i n p a r a m e t e rv a l u e v i jj 东大学博十学位论文 n ee x i s t e n c eo fa m o r p h o u sw a sp r e d i c t e dt h o u g ht h et h e r m o d y n a m i ct h e o r yi nt h e e l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gl a y e r 1 1 1 ep e r f o r m a n c eo ft h el a y e rw a s s t u d i e d ，a n dt h em i c r o - h a r d n e s s ，w e a ra n dc o r r o s i o nr e s i s t a n c ew e r eo b v i o u s l yh i g h e r t h a nt h o s eo ft h em a t r i x t e s tr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es t r e n g t h e n i n gl a y e rw a sw e l l a d h e r e dt ot h em a t r i x ， u l t r a s o n i cv i b r a t i o na s s i s t e de l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c es t r e n g t h e n i n gt e c h n o l o g y w a sp r o p o s e d ，t h ep r i n c i p l eo fw h i c ha n dt h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no nt h e e l e c t r i c a ld i s c h a r g es u r f a c e s t r e n g t h e n i n gp r o c e s s w a s s y s t e m a t i c a l l ya n a l y z e d u l t r a s o n i cv i b r a t i o nh a sag o o di n f l u e n c eo nt h es u r f a c eq u a l i t yo ft h es t r e n g t h e n i n g l a y e r , w h i c hc a ni m p r o v et h ed i s c h a r g eg a p ，c a u s ed r a m a t i cc h a n g e si nt h ee l e c t r i cf i e l d ， r e d u c et h eb r e a k d o w nt i m ed e l a y ，e a s yt of o r mt h ed i s c h a r g ec h a n n e l u l t r a s o n i c v i b r a t i o nc a ni n c r e a s et h et o o le l e c t r o d em a t e r i a lq u a l i t yi na l l o yr e a c t i o nd u et ot h e i n c r e a s eo ft h ed i s c h a r g ee x p l o s i v ef o r c ea n dt h ev i b r a t i o ns t r e s s 1 1 1 em e l tu n d e r u l t r a s o n i cv i b r a t i o nc a nb ea c c e l e r a t e dt oh i g hs p e e da n dt r a n s f e r r e dt ot h ew o r k p i e c e s u r f a c e ，a n dt h e na l l o yr e a c t i o no c c u r s t h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o na m p l i t u d ea n df r e q u e n c yo nt h es t r e n g t h e n i n g l a y e rf o r m a t i o na n dp e r f o r m a n c ew a ss t u d i e d t h ei n f l u e n c eo f u l t r a s o n i cv i b r a t i o nw a s w e a k 、i ml o wf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ；t h ei n f l u e n c eo fu l t r a s o n i cv i b r a t i o no nt h e a c c e l e r a t i o no ft h em e l t ，t h et o o le l e c t r o d el o s sa n dt h ec a v i t a t i o n se f f e c tw a ss i g n i f i c a n t 埘t l lh i g hf r e q u e n c ya n da m p l i t u d e ，w h i c hf o r m e dt h el a y e r 州t 1 1m o r ew r i n k l e sa n d c l e a rs u r f a c e t h el a y e r sh a du n i f o r mt h i c k n e s s ，n oc r a c k s , - 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