【摘 要】
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碳纤维增强复合材料(以下简称CFRP)具有质轻高强、耐磨、耐蚀等特点,现已逐步应用于微机电系统当中作为主要的结构部件。在CFRP实际应用时,通常需要进行微孔、微槽等加工以满足装配需要。但由于CFRP独特的材料特性,传统的机械加工方法难以有效实现微细层面的加工,且电火花和激光等特种加工方法目前也都存在较多不足。电化学放电加工(简称ECDM)作为一种针对难导电材料的特种加工方法,它在微细加工领域具有其
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碳纤维增强复合材料(以下简称CFRP)具有质轻高强、耐磨、耐蚀等特点,现已逐步应用于微机电系统当中作为主要的结构部件。在CFRP实际应用时,通常需要进行微孔、微槽等加工以满足装配需要。但由于CFRP独特的材料特性,传统的机械加工方法难以有效实现微细层面的加工,且电火花和激光等特种加工方法目前也都存在较多不足。电化学放电加工(简称ECDM)作为一种针对难导电材料的特种加工方法,它在微细加工领域具有其独特的优势,可实现CFRP的微细加工。但ECDM目前尚存在加工不稳定、加工精度低等问题。针对以上问题,作者进行了 ECDM加工稳定性和阴极损耗研究分析,并在此基础上进行了 CFRP的微细加工,进而改善了加工质量。文中首先在研究和总结了 ECDM加工机理和工艺技术的基础上,对ECDM加工的稳定性进行了研究,以ECDM加工电流信号为研究对象,分析了各主要工艺参数对ECDM加工平均电流、火花放电和气膜质量的影响;之后进行了工具电极的损耗的单因素试验,研究了各加工参数对其的影响关系,并借助扫描电镜对损耗形貌进行了分析;最后结合上述研究开展了 CFRP的微孔及微槽的加工试验,讨论了不同工艺参数对CFRP孔径、槽宽和槽粗糙度值的影响,并采用合理的加工参数组合有效的改善了孔和槽的加工质量。针对ECDM加工稳定性的研究结果表明:脉冲电压的增大增加了放电密度,并且有效地减少了 ECDM加工过程中气膜形成时间,但其最终会趋于稳定,而由于有电解电流的影响平均电流则通常会表现出“增大-减小-增大”的现象,并在“减小-增大”(40V-50V)这一区间达到稳定的放电状态。电源频率和占空比的增加都能降低气膜形成速率和平均电流的大小,而且高频率下会产生较大的放电密度。电解液浓度的提升有助于提高气膜质量降低平均电流和气膜形成时间。工具电极转速对气膜形成时间和平均电流无显著影响。阴极损耗的研究结果表明:ECDM中的工具电极(碳化钨螺旋微电极)损耗主要与加工热能相关,其损耗形貌主要表现为球形颗粒的熔融、脱落,并且损耗优先发生于电极末端、边缘和凸起处等放电集中部位。脉冲电压作为主要影响因素,其增加加剧了碳化钨电极的损耗,44V后工具电极质量开始损失,58V以后发生长度损失。电源频率和占空比以及电解液浓度的提升都对刀具的损耗产生影响,但与电压相比并不显著。工具电极转速对工具电极损耗无显著影响。与刀具损耗前相比,损耗后气膜形成时间会减小,火花放电平均电流仅在刀具长度损失阶段会出现降低。电化学放电微孔微槽加工工艺实验研究结果表明:CFRP的微孔和微槽加工质量受到多个因素的影响。脉冲电压较低时(低于44V)材料去除效果较差产生纤维丝束暴露、加工不完全等缺陷,与低电压相比,增加脉冲电压可以提高材料去除效果,但CFRP加工表面会产生热影响区、过切和树脂熔融堆积现象。增加脉冲电源频率可有效减小孔径和槽宽并降低粗糙度值,过高的电源频率(>5000Hz)会导致火花放电不稳定,不利于加工质量的提高。转速增加促使电解液循环,提高了火花放电均匀性、增加侧面放电频率从而增大孔径。在保证材料去除效果的同时提高进给速度可减少加工时间,从而减小孔径、槽宽和材料所受热影响,降低微槽的粗糙度。
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