绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工技术及机理研究

Insulating engineering ceramics have found a variety of engineering applications due to their superior properties. However, the high rigidity, brittle nature and low fracture toughness of the insulating engineering ceramics cause them to be difficult to machine. A new process of electrical discharge machining insulating engineering ceramics with high instantaneous energy density is presented in this research. The discharge channel formation, heat partition, temperature field and stress field during machining will be investigated and modeled. The microstructure of the machined insulating engineering ceramics surface with high instantaneous energy density will be examined, and the material removal mechanism will be obtained. The special pulse power and the process database for electrical discharge machining insulating engineering ceramics with high instantaneous energy density will be developed. This research will solve the problem of machining insulating engineering ceramics, speed up the application of electrical discharge machining from conductive material to insulating material, increase the content and theory of nontraditional machining, and have a very important significance in theory and in engineering.

绝缘工程陶瓷因具有优良的特性而广泛应用于多种行业和领域中，但由于其硬度高、脆性大、断裂韧性低，加工十分困难，为此本项目提出高效低成本的绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工新技术。研究绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电通道的形成机理、放电能量的分配关系以及放电温度场和应力场，建立放电通道电离过程、放电能量分配以及温度场和应力场模型；研究绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工表面的微观结构和形貌特性，建立其材料蚀除的理论模型；研制绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工专用脉冲电源；建立绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工工艺数据库。本研究旨在解决绝缘工程陶瓷的加工难题，加快电火花加工技术从导电材料领域到非导电材料领域的推广应用步伐，丰富特种加工的内容和理论，具有重要的理论意义与工程应用价值。

绝缘工程陶瓷因具有优良的力、热、电及化学等性能，被日益广泛地应用于机械、电子、冶金、化工、地质钻探、航空航天和核工业等领域中，并带来了巨大的社会和经济效益。但由于其硬度高、脆性大、断裂韧性低，对其加工十分困难，是影响其推广应用的关键因素。为此本项目开发出了高效低成本的绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工新技术，设计了基于该技术的送片机构及上电装置，实现了绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度的放电加工。基于热传导理论建立了绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电的温度场和应力场模型，并对陶瓷工件、工具电极和辅助电极上的温度场和应力场进行了数值模拟与分析。结果表明，陶瓷工件、工具电极和辅助电极上的温度和应力分布随着电容容量、峰值电压的增加而增加，在相同峰值电压和电容下空气中的温度和应力分布高于煤油中的温度和应力分布。研究得到了绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电通道的形成过程以及放电能量的分配关系。结果表明，在绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电过程中，各加工参数对工具电极、辅助电极和陶瓷上的能量分配影响较小，工具电极、辅助电极和陶瓷上的能量分配系数分别在60-70%、10-20%、20-30%左右。采用扫描电子显微镜、能谱分析仪、X射线衍射仪等对典型加工参数下的绝缘工程陶瓷加工表面进行分析，得到了其表面的微观坑痕、显微裂纹等微观特征及其影响规律关系。结果表明，加工过程中陶瓷材料主要以熔化气化和剥落方式去除，随着峰值电压和电容容量的增加，熔化气化和剥落去除的效果均增强。研制出绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工专用脉冲电源，该电源主要由功率因数校正模块、全桥DC/DC变换模块和加工模块三部分组成，建立了电源的数学模型，完成了并联高能量电容脉冲电源的电路结构、BOOST有源功率因数校正器、PWM控制全桥DC/DC变换器以及放电回路的设计，研制出适于绝缘工程陶瓷高瞬时能量密度放电加工的电源样机，并进行了安装调试，结果表明该电源可以对绝缘陶瓷进行稳定的高瞬时能量密度放电加工。研究了加工极性、峰值电压、砂轮转速、辅助电极厚度、工作液浓度、工作液流量等参数对绝缘工程陶瓷材料去除率、工具电极损耗率、辅助电极损耗率和表面粗糙度的影响，总结出了相应的工艺规律关系。