磨料水射流徑向模式車削工程陶瓷材料工藝優(yōu)化研究.pdf

1、工程陶瓷材料的傳統(tǒng)加工技術(shù)存在加工成本高，表面質(zhì)量不易控制，生產(chǎn)率低等問題。磨料水射流加工技術(shù)具有工藝適應(yīng)性強(qiáng)，切削力小，無熱影響區(qū)，加工效率高等特點(diǎn)，可用于加工各種難加工材料。因此本文研究了磨料水射流車削工程陶瓷時(shí)的材料去除機(jī)理，優(yōu)化了加工工藝參數(shù)，為磨料水射流車削工程陶瓷材料的實(shí)際應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。
　　設(shè)計(jì)了磨料水射流車削加工回轉(zhuǎn)工作臺(tái)，工作臺(tái)由底座、頂尖、三爪卡盤、主軸箱、電機(jī)和控制面板六部分組成?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)采用電機(jī)直驅(qū)主軸

2、式，選用交流異步電動(dòng)機(jī)和變頻調(diào)速系統(tǒng)。通過計(jì)算電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量、轉(zhuǎn)矩和功率，確定了所選用異步電機(jī)的型號(hào)為Y90-4，其額定功率為1.5kw，額定轉(zhuǎn)速為1400rpm。通過分析磨料水射流車削加工過程中的主軸功率、主軸轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，設(shè)計(jì)了軸承裝置和主軸結(jié)構(gòu)，確定了主軸上零件的裝配方案。該工作臺(tái)最高轉(zhuǎn)速可達(dá)3000rpm，可夾持零件最大直徑為110mm，完全滿足本研究的實(shí)驗(yàn)要求。
　　實(shí)驗(yàn)研究了磨料水射流徑向模式車削氧化鋁和氧化鋯陶瓷時(shí)各加工

3、工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)工件為96％Al2O3陶瓷時(shí)，各加工工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響程度為磨料流量＞進(jìn)給速度＞壓力＞沖蝕角度＞工件表面線速度;當(dāng)工件為95％ZrO2陶瓷時(shí)，各加工工藝參數(shù)對(duì)材料去除率的影響程度為壓力＞磨料流量＞沖蝕角度＞工件表面線速度＞進(jìn)給速度。當(dāng)材料以脆性斷裂的方式去除時(shí)，材料的去除率較高;當(dāng)材料以塑性方式去除時(shí)，材料去除率較低。材料去除率隨壓力和磨料流量的變化趨勢(shì)不受材料性質(zhì)的影響。
　　實(shí)驗(yàn)

4、研究了各工藝參數(shù)間的交互作用對(duì)材料去除率的影響。結(jié)果表明，當(dāng)車削96％Al2O3陶瓷時(shí)，對(duì)材料去除率影響較大的工藝參數(shù)間的交互作用包括壓力與磨料流量的交互作用（P×ma）、沖蝕角度與壓力的交互作用(β×P)和磨料流量與表面線速度的交互作用（ma×Vs）。
　　建立了加工96％Al2O3陶瓷時(shí)車削深度h、材料去除率MRR和車削表面粗糙度Ra的響應(yīng)曲面模型。利用序列近似規(guī)劃法(Sequential Approximation Opti

5、mization)優(yōu)化了工藝參數(shù)，可保證在一定車削深度和表面粗糙度要求下，獲得較高的材料去除率。本文中保證車削深度在490μm到510μm之間，粗糙度在3μm到5μm之間，材料去除率最大時(shí)最優(yōu)工藝參數(shù)組合為:u:0.06mm/s;P:310MPa;ma:11.5g/s;Vs:6.8m/s;β:105°，此時(shí)材料去除率MRR為6616.95μm3/μs，表面粗糙度Ra為4.18μm，車削深度h為509.6μm。
　　利用壓痕斷裂力學(xué)

6、的理論對(duì)單顆磨料粒子的沖蝕過程進(jìn)行了力學(xué)分析，得出了工件材料產(chǎn)生徑向/中位裂紋和側(cè)向裂紋的臨界條件。實(shí)驗(yàn)研究了磨料水射流徑向模式車削96％Al2O3陶瓷和95％ZrO2陶瓷時(shí)，材料去除率隨沖蝕角度的變化情況和車削表面微觀形貌。結(jié)果表明，96％Al2O3陶瓷的材料去除率隨沖蝕角度的增大而增大并在沖蝕角度為90°附近時(shí)達(dá)到最大值;95％ZrO2陶瓷的材料去除率隨沖蝕角度的增大而減小。96％Al2O3陶瓷主要是通過脆性斷裂方式去除的，其車削表

7、面存在大量的晶間斷裂和晶間裂紋導(dǎo)致的材料片狀剝落的痕跡;95％ZrO2陶瓷是通過塑性變形方式去除的，其車削表面存在大量塑性變形痕跡。
　　研究了磨料水射流垂直(β=90°)車削工程陶瓷材料時(shí)，96％Al2O3陶瓷和95％ZrO2陶瓷的材料去除體積與磨料粒子沖蝕動(dòng)能之間的關(guān)系。結(jié)果表明，材料的去除體積隨磨料粒子沖蝕動(dòng)能的增加而線性增大。但是無論材料以脆性去除方式還是以塑性變形方式去除時(shí)，去除單位體積材料所需要的能量都是一定的。分別建