电解机械复合铣削陶瓷机理及技术分析.pdf

90FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)new material technology新材料技术电解机械复合铣削陶瓷机理及技术分析王健（辽宁轨道交通职业学院沈阳1 1 0 0 2 3)摘要：本文以陶瓷的微铣削工艺为研究对象，将其与机械微加工和电解微加工相融合，以探讨其铣削工艺的工艺性能。本文主要建立了一个了电解机械复合铣削陶瓷试验平台。对电解机械复合铣削陶瓷进行了实验。对刀具电极加工深度、刀具电极转速、刀具电极直径等因素对铣削液流场及冲蚀性能的影响进行了分析。研究了不同铣削时间对铣削过程中的流场规律。研究结果表明刀具电极的直径对铣削间隙颗粒的流动具有显著的作用，刀具的旋转速度次之，铣削厚度为最低。加工厚度对空隙粒子的流动特性没有明显的影响。刀具的旋转速度在 1 5 0 0 0 rpm,20000rpm时，刀具的电极附近的有效粒子数量最多，粒子的冲蚀最大。关键词：微铣削工艺；陶瓷；机械微加工；电解微加工1前言由于工程陶瓷材料具有耐高温、耐腐蚀、耐磨损、承载能力强的特性,所以在汽车、航空、机械、化工等方面有着广阔的发展前景。在现代工业发展的今天,微型零件已成为微流体、微反应器、机电系统以及医学应用领域中的一个主要角色。用陶瓷材料代替传统的金属材料,是今后的发展趋势。陶瓷因其坚硬易碎的特点,使其成为具有代表性但处理难度极高的工艺。目前,陶瓷生产的生产费用较高，生产效率较差，但是随着现代陶瓷制造技术的出现，使得陶瓷工业的技术水平得到了极大的提高,电解机械复合铣削陶瓷技术便是其中之一。为此,本文对其进行了深入研究。2电解机械复合铣削工程陶瓷机理研究电解机械复合加工工艺是一项特殊的工艺技术,其应用范围非常广,但其适用范围并不大。由于工程陶瓷的生产费用高，对工艺的精确度和安全性能的要求也很高，因此很难对其进行表面品质的控制。且由于其熔点较高，不管是电化学或机械化学方法，只要对其进行研磨，其脆性就会引起材料的相变、残余应变、崩边、裂纹等问题。采用电化学与机械化学方法相结合，可以很好地处理某些问题。目前,对玻璃的铣削性实验的研究比较多,而对工程陶瓷的铣削性加工则相对较少见，而目前国外的主要工作是对工程陶瓷磨削、钻孔和切割。基作者简介：王健，（1 9 8 8-），男，汉，辽宁省本溪市，本科，工程师从事机械加工方向研究。于此，本文章重点阐述了电解机械复合铣削工程陶瓷的机理。2.1电解机械复合加工原理脉冲电压图1 电解机械复合加工原理电解机械复合工艺是将电解与机械相结合的有机组合，包括电解反应，气泡破裂释放能量及机械处理。其工作机理是：以刀具电极为阴极，并与供电端的负极相连；副极用作阳极,并与供电端的正极相连。在此过程中，副电极与工件会被浸泡在电解质中。工具电极,工作液，辅助电极形成循环。在连接上电后，两个极发生了化学反应，电解质会生成大量的气泡，这些气泡会在刀具上转动，然后通过离心的力量附着在刀具上，从而释放出巨大的电能。当电压升高时，气泡不断增多,从刀具的下端向溶液的表层移动。随着气泡数量的增加,电解过程中的电解过程会变得更加激烈，而电解过程中的反应会产生较旋转工具电极电解液工件辅助电极电解槽2023年第7 期（第32 4期）1 佛山陶瓷91高的热，从而加速了电解质和工件的电解过程。由于被电解加工的工件的表面会产生其它的杂质，从而使工件的表面的硬度下降。在刀具的快速铣削下，刀具的铣削过程中，铣削出硬度下降零件的表面。见图1。2.2电解机械复合铣削陶瓷原理常规的陶瓷加工用普通工具难以完成，主要通过两种方式改善。第一种方法是一般的陶瓷必须进行特别的加工以确保其足够的硬度。通过对材料组成的变化及对其进行调控,确保常规工具能够对其进行铣削。例如玻璃陶瓷，复合陶瓷，多相陶瓷，氟金云母构造陶瓷，但其价格很高。第二种方法是用高强度的自定义工具对陶瓷进行处理。通常用于定制化的工具有FIB和WEDG两种。普通的高速钢、合金材料在处理陶瓷时容易发生断裂、陶瓷破碎。一般工具难以对陶瓷进行铣削,可以通过电解来辅助一般的工具进行铣削。利用氢氧化钠电解质对陶瓷进行了辅助处理。在没有电源的情况下,氢氧化钠溶液与陶瓷的表面发生了很小的化学反应。用微型钻机加工是很困难的。在装置上电时，电解质中的氢氧化溶液会产生较高的温度，从而加速氢氧化氢钠与氧化铝之间的化学反应，从而产生一个偏铝酸钠区。电解机械复合铣削工程陶瓷原理：工具电极与供电装置的阴极相连；采用石墨作副电极，并将副电极与供电端的正极相连。石墨的尺寸是1 40 mm140mm30mm,放置于水池的上方。在NaOH电解质溶液的作用下,副电极与工件都浸泡在水中。工具电极，工作液,辅助电极形成循环。打开电源后，刀具的电极附近会出现大量的气泡,从而引发电解质的化学反应,在刀具的四周聚集，在刀具的四周形成一个气罩，气罩会破碎，从而使电解质的高温释放出来，最终由刀具的高速铣削加工而成。工具电极发生化学反应：得到电子2H+2e-(溢出氢气)得到电子2H,O+2e-2(OH)+H2陶瓷表面发生的化学反应：Al,Og+2NaOH=2NaA1O2+H0在工程陶瓷的铣削加工中，通过压力释放能量，气泡破裂释放能量，工具电极来回的机械移动来实现。其次，高压放电温度范围能加速陶瓷零件的表面与NaOH的电解作用，从而使加工过程中的机械加工同步进行，从而避免了高速铣削时的直接变形和破碎。在铣削工程陶瓷中，必须采取逐级分段铣削工艺，以免刀具电极附近的陶瓷表面产生较大的氧化还原区，使刀具的刀具极易断裂，或使其产生裂纹。3工具电极铣削仿真3.1几何模型建立通过分析刀具电极在铣削加工中的作用，探讨刀具电极在铣削加工中的流动特性。假定刀具用刀具铣出一条长x宽xx高的狭缝：1.4mm0.4mm2mm。利用Fluent中的动态网格法建立了一个铣加工原理和一个3D建模图。刀具电极与工件下表面之间的间隔为2 5 um，左侧的缝隙为5 0 um,刀具电极由左侧至右侧以固定的转速进行铣削，大约5 s左右即可结束铣削。3.2边界设置通过CATIA软件实现了模拟模型的3D建模,并将其引人到workbench中进行网格生成。具体过程如下：(1)利用CATIA建立一个3D建模系统,根据所述建立工件区域、工作液区域和工具电极区域。(2）向workbench内的Geometry中引人3D建模,并集成了该模型块。(3)在Geometry中引人集成后的建模,分割了工作液体的工作液体区，将刀具和刀具的上表面分为固体区：将工件处理的内部和磨削水池的上部水面区域作为固定的墙壁，以转动的刀具电极作为轴线。刀具电极提升区的一端作为压力进口,而刀具电极提升刀区的另外一端作为提升刀具的出口。(4）在ICEMCFD中引人集成的建模，通过Tetra-/Mixed 的方式分割了3D建模，并对其进行了分类,并对其进行了分类,并对其进行了分类。(5)在Fluid 中引人资料,利用动态网格建模进行暂态模拟。主轴的移动定义在沿铣削沟x方向移动的过程中，其运动的形式由UDF输出至Fluent解算子。在ViscousLaminar中选取k-epsilon模型，设置Material,在Fluent数据库中选取water-liquid、在单元zoneconditions中选取water-liquid、设置Boundary conditions 的边界设置。(6)在用户定义中开启function,添加了先前在VisualStdio2017中所写的软件,构建器。3.3结果分析刀具的加工速度为1 um/s、1.5 u m/s、2 u m/s、2.5 u m/s。刀具用的是0.3um的直径和1.5 um的刀具用的电极。用fluent模拟,重复次数：1 0,0 0 0 次。截面积y=0mm,并且流速曲线如下：92FOSHAN CERAMICS I Vol.33No.07(Serial No.324)参考文献2158-0126-012.40-0123k-012.20-0120-0110-011701151-011-01130-01124-011.10-01三2180从图2 可以看出：刀具的转动电极沿z方向钻孔，并从右侧起铣削。铣削速率的变化对铣削流场的作用是不相同的。刀具的旋转速度是不变的，刀具的刀片以特定的研磨速率从左侧铣入刀具的右侧，在刀具的四周形成一个由左至右的旋转速度。刀具的旋转速度在 1 5 0 0 0rpm,20000rpml时，刀具的电极附近的有效粒子数量最多，粒子的侵蚀最大。在电极铣刀的铣削空腔流动过程中,如果不考虑铣削时的轴向作用力,则铣削过程中的流动速率较大，可以有效地清除铣削过程中的冲刷粒子，使铣削间隙的电解溶液得到及时的补充，从而改善加工后的工件的表面品质和工作性能。并对陶瓷的温度场进行了模拟。4电解机械复合铣削工程陶瓷试验4.1设备介绍实验台包括：计算机，示波器，高速摄像机，运动台，加工槽，工件，高频脉冲直流电源，1 欧姆电阻，示波器，电主轴,运动控制器,工作液体，变频器，等等。在图3中显示了测试平台和实际搭建的平台。示波器运动控制器一电主轴计算机一床身电源工具电极一高速摄像头一工作槽一工件一电解液图3电解机械复合铣削设备4.2试验内容选择脉冲电压、刀具电极横向进给速度、刀具电极旋转速度、氧化钠溶液的含量等。本文采用四种不同的实验方法，探讨了影响陶瓷表面处理品质及沟槽宽度的主要因素，以求最佳工艺条件。实验步骤：用压克力平板将陶瓷薄片与金属槽中的218-01251e-012.48-01234-012.20-012.05-01-01139-01151-01-0113-01120-011.10-0182-0260-02L.13-025.0-2210-0130图2 速度图石墨相连接，在该金属薄片与电解溶液的表面相隔34um，刀具电极位于一个静止的地方,然后用磨床加工成一个狭长的凹口:0.7 mm1.4mm0.3mm。采用四种不同的实验方法。用M4螺钉将水池钉在了水池上，然后开始切割刀具。手工慢慢地将刀具电极与瓷板表面进行触摸，不要用力太大，以免造成瓷板破裂。开启动作控制器，利用软件对电动主轴进行2 5 um的上下移动，起到缓冲的作用。开启高压脉冲直流功率开关,对其进行研磨。从上述的微沟槽曲线可以看出,在加工的微槽附近有一个显著的在电解过程中,刀具四周的气泡会发生破碎，而在此过程中所形成的温度会对工件表面造成很大的影响。研磨后的陶瓷薄板周围存在着被加热过的高温氧化现象，在这些金属之间有大量的磨蚀的黑色微粒。整体加工的微沟处为中等深度。四面都是低矮的。经处理后的表层有浅黄色和黑色。对一系列的试件进行处理,不仅增加了陶瓷的研磨困难,而且还使陶瓷材料易于受到电轴的机械力而粉碎。采用三维光学阶梯面扫描系统对四个实验数据进行了测试,并在实验过程中对铣削后的凹槽宽度和表面粗糙程度进行了测试。在此基础上,采用PS50型三维曲面形貌机对沟道进行了测量。4.3脉冲电压对结果影响脉冲电流对气泡的生成起重要作用。在电解温度下，脉冲电压起到了很大的促进作用。实验中，通过实验测量了不同的实验条件：lum/s的刀具电极、2 5 um的刀具电极、2 5 um的刀具、2 0 kHz的工作电流、2 0 kHz的电源电压、1 0 0 kHz的工作电流、0.0 1 mol/L的电解质溶液、1微米/秒的刀具电极的转速、2 5 微米的处理间隔、2 0kHz的供电电压和1 0 0%的工作循环。运动台1褚旭阳.微细电火花集成加工技术的研究 D.哈尔滨工业大学,2 0 1 0.2王丹.硬脆非金属材料微结构微细加工关键技术研究 D.上海交通大学,2 0 1 1.3曲远方.功能陶瓷的物理性能 M.北京化学工业出版社,2 0 0 7.4田欣利,徐西鹏,袁巨龙,张宝国,邓朝晖.工程陶瓷先进加工与质量控制技术 M.北京：国防工业大学,2 0 1 4,9-1 7