基于椭圆振动切削颗粒的不锈钢多孔材料制备技术研究

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烧结不锈钢多孔材料诞生于上个世纪初期,因其兼具有多孔材料的优异轻质性、透过性、毛细性能和不锈钢材料的高强度、稳定性、耐腐蚀性和导电导热性能等优势,是在本世纪新型材料的研究领域中取得高速进步的一位特殊成员。然而由于不锈钢材料的硬度较高、机械加工难度大,现有的烧结不锈钢多孔材料主要以化学还原法制备的球状金属粉末为原料烧结而成,难以在保持较高孔隙率的同时保证材料的高强度,一定程度上限制了其应用和发展。而椭圆振动切削技术(Elliptical Vibration Cutting,EVC)是针对于黑色金属和脆硬性材料的一种新型加工方式,可以用于制取微米级的切屑颗粒,因此本文基于对椭圆振动车削技术过程中产生的切屑颗粒的研究,提出了一种大孔隙比、高强度的新型烧结不锈钢多孔材料制备技术。本研究中首先重点基于柔性机构的动力学建模和刚度计算研制了一套基于压电叠堆驱动、由位移传感器动态监测补偿的高精度二维椭圆振动切削系统,包括装置的整体设计和柔性铰链的尺寸设计计算。并通过有限元软件对装置模型进行了仿真分析,搭建测试系统对装置的静态刚度、固有频率、阶跃响应、正弦响应以及椭圆轨迹合成性能进行了测试,以保证装置性能可以满足切削实验的需求。其次,建立输入信号对刀尖的椭圆振动轨迹数学模型,分析微切屑颗粒的制备条件,推导切屑颗粒在不同平面的厚度公式,以获取各切削参数的合理选用范围。将设计完成的椭圆振动机构安装在精密数控机床上,用以在奥氏体不锈钢棒料端面切削,获取微米级大小的具有丰富微观结构的奥氏体不锈钢微切屑颗粒,通过多组对比实验探究振动频率、名义切深、进给量以及主轴转速等主要切削参数对微切屑颗粒表面微观形态的影响,获得了一组最佳的切削参数用于加工可用于烧结不锈钢多孔材料的微切屑颗粒。最后,设计制作了一套压片模具将制备好的微切屑颗粒在压力机下模压出成型压坯,将模压后获得的压坯在真空环境中采用阶梯升温法开展烧结实验,微切屑颗粒表面的微观结构在烧结过程中有利于颗粒间的烧结颈与细小孔隙的形成,从而能获得一种兼具有大孔隙率和较高强度的特点新型微切屑颗粒烧结不锈钢多孔材料(Micro Chip Particles-Sintered Stainless Steel Porous Material,MCP-SSSPM)。设计不同的实验对制备出的MCP-SSSPM样品的孔隙率、抗压强度和可加工性能进行了测试,多孔材料的孔隙率达到了36%的同时抗压强度达到了82MPa,同时也具有较好的可加工性能,被加工表面不易发生断裂掉渣,对刀具的磨损也较低。这些性能特点有利于其应用于如齿轮传动等轻载机械传动场合,提高机械结构的减振润滑性能。
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