基于表面微结构电极丝的SiCp/Al复合材料慢走丝线切割加工机理研究

SiC particulate reinforced aluminum metal matrix composite (SiCp/Al) has extensive prospects of application in aerospace, military-industrial, precision instruments and other fields. Low-speed wire electrical discharge machining (LS-WEDM) is widely considered as the effective method for processing ultrahard SiCp/Al composite. However, due to the effects of insulating SiC particulate, there are some problems of unstable discharge status and poor processing performance when brass wire is used as electrode. This project proposes a novel surface microstructures wire electrode (SMWE) for realizing high-efficiency machining SiCp/Al (SiC 60-70 vol.%) composite with good surface quality. The main research works are as follows: the discharge process of machining SiCp/Al composite using SMWE will be analyzed for revealing the improvement mechanism of wire electrode surface feature on the discharge characteristics. Based on the discharge characteristics and the random distribution model of SiC particulate, the multi-pulse discharge machining thermal model will be established to clarify the removing mechanism of SiCp/Al composite under SMWE. On the basis of mechanism research, the regulation methods of SMWE will be implemented to obtain the optimal wire electrode surface feature for SiCp/Al composite. This project can not only contribute to the promotion of LS-WEDM in processing SiCp/Al composite filed, but also provide some theoretical basis for developing new wire electrode.

碳化硅颗粒增强铝基复合材料(SiCp/Al)在航空航天、军工、精密仪器等领域具有广泛的应用前景，慢走丝线切割被认为是超高硬度SiCp/Al加工的有效方法。然而，由于绝缘碳化硅颗粒的影响，现有黄铜丝加工SiCp/Al存在放电状态不稳定、加工性能差等问题。针对上述问题，本项目提出一种新型表面微结构电极丝，旨在实现SiCp/Al(SiC体分比60-70%)的高效加工并获得高表面质量。重点研究工作包括：研究表面微结构电极丝加工SiCp/Al的放电过程，揭示电极丝表面特征对放电特性的影响机制；基于放电特性和碳化硅颗粒随机分布模型，建立连续脉冲放电过程热物理模型，阐明表面微结构电极丝加工SiCp/Al的蚀除机理；在机理研究的基础上，研究表面微结构电极丝的表面特征调控方法，从而得到适用于SiCp/Al加工的最佳表面特征。本项目研究不仅有助于慢走丝线切割在SiCp/Al复合材料加工领域的推广，也为新型电极丝的研发提供一定理论基础。

本项目针对现有黄铜丝加工SiCp/Al复合材料存在放电状态不稳定、加工性能差等问题，提出一种新型表面微结构电极丝，旨在实现慢走丝线切割SiCp/Al复合材料的高效加工并获得高表面质量。开展了表面微结构电极丝加工SiCp/Al复合材料的放电特性研究、蚀除机理研究、SiCp/Al复合材料加工的表面微结构电极丝表面特征调控方法研究。. 放电特性方面：(1) 放电击穿：黄铜丝、镀锌丝和表面微结构电极丝的击穿介质时间为3.1μs、2.4μs和0.8μs，临界放电距离分别为2.8μm、2.9μm和3.4μm。(2)放电点分布：搭建了多功能放电过程监测平台，获得黄铜丝放电点位置标准差为0.044-0.137，表面微结构电极丝标准差为0.039。(3) 放电波形：黄铜丝、镀锌丝和表面微结构电极丝正常放电概率分别为42.6%、58.6%和69.3%。由此可知，表面微结构电极丝具有更均匀的放电火花位置分布、更高的正常放电概率、更短的击穿时间、更宽的击穿间隙。. 蚀除机理方面：(1) 温度场仿真方面：建立了单脉冲/多脉冲SiC颗粒随机分布温度场模型；(2) 在线温度测量平台：通过测量平台测量加工温度，建立了误差在4μm内重铸层厚度预测模型；(3) 蚀除机理：基于模型仿真温度场结果和实验表征结果，获得蚀除机理，主要包括熔化、汽化、脱落、氧化和分解。. 电极丝特征调控方面：(1) 调控方式：对线芯添加微量元素和退火；在100-215℃和350-650℃退火和保温；进行拉伸和退火，获得表面纵向裂纹和γ相；(2) 表面特征：因微量元素和细化晶粒，线芯强度获得提升；因生成的纵向裂纹，电极丝强度获得提升；因过渡层和元素分布，镀层稳定性和放电条件得到了改善。. 通过本项目的研究，有效提高了电火花线切割加工SiCp/Al复合材料的加工效率和表面质量，阐明了SiCp/Al复合材料的蚀除机理。本项目研究促进慢走丝线切割加工SiCp/Al复合材料应用的推广，为新型电极丝的研发提供理论基础。. 依托本项目，发表期刊论文16篇，其中SCI论文14篇，中文核心论文2篇；申请发明专利4项，授权发明专利2项；作学术报告3次；毕业硕士研究生1名，在读在读博士生1名，硕士研究生8名。