ZrB2-SiC陶瓷电火花单脉冲放电蚀除凹坑仿真与加工试验研究

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Zr B2-Si C陶瓷因具有高熔点、高硬度和良好的抗热震性等综合性能,可应用于超高音速飞行、再入大气层和火箭推进系统等高温环境中。Zr B2-Si C陶瓷直接烧结成型,产品难以满足实际应用中的精度和表面质量要求,需要进行再加工,然而因其硬度高脆性大,普通机械加工无法实现复杂结构加工,电火花加工因其宏观作用力小不受材料力学性能限制的特点,成为Zr B2-Si C陶瓷复杂成型加工的一种加工方法,但目前对其电火花加工的工艺规律研究很少,因此对Zr B2-Si C陶瓷电火花加工特性进行研究,具有研究意义。本文通过Zr B2-Si C陶瓷电火花单脉冲放电蚀除凹坑仿真,单因素影响试验,工艺参数优化等几个方面对Zr B2-Si C陶瓷的电火花加工进行研究。利用ANSYS APDL建立Si C颗粒随机分布模型,对Zr B2-Si C陶瓷电火花单脉冲放电蚀除凹坑进行仿真,研究了放电参数对蚀除凹坑体积、凹坑轮廓的影响规律;进行了单脉冲放电试验研究,研究了峰值电流、脉宽对蚀除凹坑尺寸的影响,并验证了模型蚀除凹坑半径仿真结果的有效性。进行Zr B2-Si C陶瓷电火花加工单因素试验研究,研究了极性、峰值电流、脉宽、脉间、基准电压、伺服速度、抬刀高度和电极直径对加工速度、侧面间隙和表面粗糙度的影响规律;通过EDS和SEM对Zr B2-Si C陶瓷电火花加工表面进行观测分析,加工表面出现了龟裂层和平坦区,认为龟裂层为热裂解的碳、Zr B2和Si C在冷却凝固过程中因热物理参数差别而形成,平坦区为大能量单次放电的放电通道中心区域;电蚀产物中存在部分Zr O2;加工表面出现Si C蚀除后遗留孔洞,数量随放电能量的增大而增多;Zr B2-Si C陶瓷电火花加工的熔化凝固层厚度随峰值电流和脉宽增大而增大。以加工速度、侧面间隙和表面粗糙度为试验指标,以峰值电流、脉宽、脉间、基准电压、伺服速度和抬刀高度为影响因素,进行Zr B2-Si C陶瓷电火花加工正交试验设计和信噪比分析,单目标优化后,加工速度提高了12.33%,侧面间隙减少了12.38%,表面粗糙度减小了4.75%;基于灰关联的分析方法,进行综合指标多目标优化,优化后,加工速度提高了12.9%,侧面间隙减小了4.27%,表面粗糙度减小了4.87%,影响综合指标最显著的三个因素依次为:脉宽、峰值电流、基准电压。
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