（机械制造及其自动化专业论文）工程陶瓷wedm加工工艺参数优化及表面粗糙度预测研究.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 在了解国内外电火花线切割( w i r ee l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g ，简称w e d m ) 加工工程陶瓷材料现状的基础上，以常用的导电工程陶瓷材料a 1 2 0 3 t i c 为研究 对象，分析了电加工理论及工程陶瓷材料电加工表面粗糙度、表面残余应力和表 面变质层的产生机理，探讨脉冲宽度、脉冲间隔、工作电压、功率管数等工艺因 素对工程陶瓷材料电加工的影响。 研究了模糊推理知识和人工神经网络的理论基础，考虑到人工神经网络存 在收敛速度慢，容易陷入局部极小值及全局搜索能力弱等问题，提出了模糊 m o d u l a r 算法来构建神经网络结构。本文采用模糊m o d u l a r 神经网络，t a g u c h i ( 口式) 试验规划方法和标准变量分析技术( a n o v a ) ，对工程陶瓷材料电加工理论 及试验进行研究，实现了工艺参数的优化，建立了工程陶瓷材料电加工表面粗糙 度随工艺参数变化的预测模型，为实现w e d m 高效精密加工工程陶瓷材料提供 理论与技术支持。利用t a g u c h i ( 田口式) 试验规划方法，对脉冲宽度、脉冲间隔、 工作电压、功率管数等工艺因素进行正交试验排序，设计了l 1 6 正交试验矩阵。 在不同的工况下，按照正交试验矩阵来进行工程陶瓷材料放电加工试验。试验过 程中，为了排除噪声等于扰，引入信嗓比s n 来对试验数据进行处理，以提高数 据的准确性。运用标准变量分析技术( a n o v a ) ，分析了四个电参数对工程陶瓷 材料电加工表面质量和加工速度的影响，并优化了工艺参数。 研究结果表明，在所选择的工艺因素中，对表面粗糙度的影响程度依次为 工作电压( f = 3 7 1 6 ) 、功率管数( f = 2 7 7 ) 、脉冲问隔( f = 1 9 o ) 、脉冲宽度 ( f = 1 6 1 4 ) ，而对加工速度的影响程度依次为脉冲间隔( f = 4 4 4 2 ) 、功率管数 ( f _ 2 5 4 5 ) 、工作电g ( f = 2 0 ，7 】) 、脉冲宽度( f = 9 ，4 2 ) 。在优化电加工工艺参数 组合下，分别得到了优化的最小表面卡h 糙度( 1 2 1 5 i t m ) 和最大加工速度( 2 4 7 8 m m 2 m i n ) 优化值与试验结果吻合得较好。电加工后工件表面残余应力均为拉应 力，表面变质层组织疏松，强度较差，厚度一般为5 0 1 0 m 。表面残余应力和 表面变质层，都随着脉冲能量( 脉冲宽度、功率管数、工作电压) 的增加而增加， 江苏大学硕士学位论文 随着脉冲间隔的增加而减小。通过w e i b u l l 函数分析表明，经电加工后的陶瓷材 料，其抗弯强度降低，威布尔系数低于，表面质量和表面完整性变差，需要进 行表面改性或强化处理。以j 下交试验数据为输入学习样本，试验和仿真结果表明， 基于模糊m o d u l a r 神经网络不仅可以克服单纯使用人工神经网络容易陷入局部极 小值等问题而且预测精度比较高，误差大约在7 之内，对工程陶瓷材料电加 工获得较佳的表面粗糙度有着重要的指导意义，具有一定的实用价值。 关键宇：工程陶瓷，电加工工艺参数， m o d u l a r 神经网络，t a g u c h i 方法，表面 粗糙度 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t b a s e do nt h er e a l i z i n go fn a t i o n a li n s i d ea n do u t s i d ee n g i n e e r i n gc e r a m i c s m a t e r i a lo fw e d m ( w i r ee l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ) ，t a k i n ge l e c t r i ca 1 2 0 3 t i c a se x a m p l e ，a n a l y z i n g t h e t h e o r y o f w e d ma n d t h e t h e o r yo fs u r f a c er o u g h n e s s 、 s u r f a c er e m n a n ts t r e s s 、s u r f a c ed e c a y i n gl a y e ro f e n g i n e e r i n gc e r a m i c so fw e d m ，i t s t u d i e do nt h ee f f e c to f i m p u l s ew i d t h 、i m p u l s es e p a r a t i o n 、w o r kv o l t a g e 、t h en u m b e r o f p o w e rt r a n s i s t o r so nt h ee n g i n e e r i n gc e r a m i c so f w e d m s t u d y i n gf a i n t n e s ss y s t e ma n da r t i f i c a ln e u r a ln e t w o r k s ，f o c u s i n go ns o m e d i s a d v a n t a g e si nn e u r a ln e t w o r k sa l g o r i t h m ，s u c ha sl o wc o n v e r g e n c er a t e 、e a s i l y f a l l i n gi n t ol o c a lm i n i m u mp o i n ta n dw e a kg l o b a ls e a r c hc a p a b i l i t y ，t h ea u t h o ru s e da n e wl e a r n i n gp r e s e n t e da l g o r i t h mt h a tu s e dt h ef a i n t n e s sa n dm o d u l a ra r i t h m e t i ct o t r a i nn e u r a ln e t w o r k s ，t a g u c h im e t h o da n das t a n d a r da n a l y s i so fv a r i a n c e ( a n o v a ) t os t u d yo nt h e o r yo fw e d ma n dt h ee x p e r i m e n t d u r i n gt h ee x p e r i m e n t ，i t i n t r o d u c e di n s n i no r d e rt od e a lw i t hd a t aa n de l i m i n a t ed i s t u r b t h ep r e d i c t i o n m o d e lo fs u r f a c er o u g h n e s si ne n g i n e e r i n gc e r a m i c so fw e d mb a s e do nf a i n t n e s s m o d u l a rn e u r a ln e t w o r k sw a sp r o p o s e di nd e t a i l a nl 1 6e x p e r i m e n t a lm a t r i xd e s i g n b a s e do nt a g u c h im e t h o dw a sc o n d u c t e dt op r o c e s sa 1 2 0 3 t i cc e r a m i c so fe l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g b a s e do nas t a n d a r da n a l y s i so fv a r i a n c e ( a n o v a ) ，i th a sb e e nf o u n dt h a tt h e r e l a t i v es i g n i f i c a n c eo fe a c hf a c t o ro ns u r f a c er o u g h n e s sw a sa r r a n g e di nd e c r e a s i n g o r d e ro fw o r kv o l t a g e ( f = 3 7 16 ) ，t h en u m b e ro fp o w e rt r a n s i s t o r s ( f = 2 7 7 ) ， i m p u l s es e p a r a t i o n ( f = 1 9 o ) ，i m p u l s ew i d t h ( f 2 1 6 1 4 ) ，w h i l eo np r o c e s sr a t ew a s a r r a n g e di nd e c r e a s i n go r d e ro fi m p u l s es e p a r a t i o n ( f = 4 4 4 2 ) t h en u m b e ro fp o w e r t r a n s i s t o r s ( f = 2 5 4 5 ) ，w o r kv o l t a g e ( f = 2 0 7 l ) ，i m p u l s ew i d t h ( f - - 9 4 2 ) u n d e rt h e o p t i m u mf a c t o r sl e v e l s ，i th a dl e a s ts u r f a c er o u g h n e s s ( 1 215 1 x m ) a n dm o s tp r o c e s s r a t e ( 2 4 7 8h i m 2 m i n ) ，t h ep r e d i c t i o nv a l u ei ng o o da g r e e m e n tw i t he x p e r i m e n t a l r e s u l t a n di ta l s oa n a l y s e dt h er e m n a n ts u r f a c es t r e s sa n dt h ed e c a y i n gl a y e ra f t e r lt i 江苏大学硕士学位论文 c e r a m i c si sm a c h i n e dw i t he l e c t r i c a lc h a r g e s t h er e s u l ti n d i c a t e st h a tt h er e m n a n t s u r f a c es t r e s so fe n g i n e e r i n gc e r a m i ca f t e re l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gi st e n s i o n s t r e s s ，a n dt h ed e c a y i n gl a y e ro ft h es u r f a c ea v e r a g i n g5 0 1 0 0 l x mb e c o m e sl o o s ea n d w e a k e n e d t h er e m n a n ts u r f a c es t r e s sa n dt h ed e c a y i n gl a y e ro ft h es u r f a c ew i l l i n c r e a s ew i t ht h ei n c r e s a s eo fp u l s ee n e r g y ( i m p u l s ew i d t h ，t h en u m b e ro fp o w e r t r a n s i s t o r s w o r kv o l t a g e ) w h e r e a sd e c r e a s e “t ht h ei n c r e a s eo fi n t e r v a lb e t w e e nt w o p u l s e s n l er e s u l ts h o w st h a tt h ee l e c t r o - d i s c h a r g em a c h i n i n gh a sad a m a g i n ge f f e c t o nt h es u r f a c eo fc e r a m i c s g i v i n gl o wf l e x u r a ls t r e n g t ha n dl o ww e i b u l lm o d u l u sb y w e i b u l ls t a t i s t i c a lm e t h o d t a k i n ge n g i n e e r i n gc e r a m i c so f w e d mf o rl 1 6o r t h o g o n a la r r a ya n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sa st h es t y l e b o o k ，t h ee x p e r i m e n t a la n ds i m u l a t i n g r e s u l t ss h o w e dt h a tt h ei m p r o v e df a i n t n e s sm o d u l a rn e u r a ln e t w o r k sc a nn o to n l y e f f e c t i v e l yo v e r c o m et h ep r o b l e m so fe a s i l yf a l l i n gi n t ol o c a lm i n i m u mp o i n t ，b u ta l s o t h em o d e lc a no b t a i nh i g h e ra c c u r a c yo fp r e d i c t i o n , e r r o r7 c e r t a i n l yh a v i n gp r a c t i c a l v a l u e k e yw o r d s e n g i n e e r i n gc e r a m i c s ，e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n gt e c h n o l o g i c a l p a r a m e t e r s ，m o d u l a rn e u r a ln e t w o r k s ，t a g u c h im e t h o d ，s u r f a c er o u g h n e s s 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密b y 。 学位论文作者签名：导师签名 士呵 ，仞 签字r 期：扣年f 2 月肜日 签字日期： 乇年i 咱哆同 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话： 邮编： 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 分。，、角 日期：弘i 年 1 2 月1 j 日 江苏大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1w e d m 加工工程陶瓷材料国内外的现状及发展趋势 1 1 1w e d m 加工技术 在国外，自从1 9 5 6 年，前苏联研制出第一台靠模电火花线切割机床，接着 又研制出光电跟踪式线切割加工机。尽管这种线切割机床的切割速度慢，但在当 时解决了一些机械加工难以加工的微细加工问题。一直到6 0 年代中期，真正意 义上的数控电火花线切割加工机床被i ；i 苏联首先研制成功。在国内，我国对电火 花线切割加工的起步还是比较早的，5 0 年代末就开始进行简易电火花线切割加 工机床的设计与制造，1 9 6 1 年研制出靠模电火花线切割机床，1 9 6 4 年研制出光 电跟踪高速走丝电火花线切割机床，1 9 6 9 年研制出数字控制电火花线切割机床， 7 0 年代开始生产出m o s 集成电路组成的电火花线切割数控系统，相继研制出大 型的和具有斜度加工的数控电火花线切割加工机床。1 9 7 8 年后，我国发展了单 片机、单板机、中型计算机组成的数控电火花线切割机床，并开始研制低速走丝 电火花线切割机床。在此之后，低速走丝电火花线切割加工技术发展很快，由于 脉冲电源的不断改进，机床机械部分的科学设计，计算机数控功能的完善，使加 工工艺指标得到了显著提高，在加工尺寸精度方面，低速走丝线切割加工也由 士o 0 1 m m 提高n + o 0 2 r a m ，被加工工件的表面粗糙度最低可达到o 3 p m 。 近年柬，瑞士阿奇公司推出各种不同型号的电火花线切割机床【2 j ，并且提 供的软硬件更加丰富、可靠。瑞士夏米尔公司推出的各种机床不仅改进了走丝系 统，使运丝更平稳，张力更稳定，而且实现了自动穿丝与自动重穿丝技术，减少 机床的热变形，提高热稳定性。为了提高电火花线切割加工工艺水平，提高机床 自动化程度和智能化程度，满足市场的不同要求，国内外电加工研究人员及制造 商都在积极采用现代研究手段和先进技术进行深入开发研究，向电火花线切割加 工信息化、智能化和绿色化方向发展，不断提高电火花线切割加工精度。 江苏大学硕士学位论文 1 1 2 w e d m 加工工程陶瓷材料国外现状 工程陶瓷材料与会属材料的特有差掣3 , i i ，决定了两者在w e d m 蚀除机理， 加工工艺和过程控制方面的不同，因此需要单独建立工程陶瓷材料电加工相应 的基本理论和方法。由于工程陶瓷材料电加工的复杂性以及涉及的领域很多， 为此，国内外专家学者展开了一系列有关导电工程陶瓷材料电加工的试验研究 【5 6 ，7 ，8 9 1 0 ，il ，1 2 ，1 3 l 目前，在国外，m a s u z a n a 等人以水为工作液，发现m r r ( 材料蚀除率) 低， 而通过液中放电表面改性处理方法可大副度提高加工速度，因为大多数有机化合 物在放电产生的高温下容易分解产生气体和碳，有助于移除陶瓷碎片和防止表面 粘结。c h i e n c h e n gl i u l 7 l 等人运用t i n s i 3 n 4 复合陶瓷来进行电加工试验研究，探 讨了工作电压、脉冲电流等电参数对抗弯强度和表面质量的影响。西班牙的纳瓦 拉公立大学i p u e r t a s l l 4 1 等人利用多线性回归分析方法来对复合陶瓷材料电加工 进行了试验研究，探讨了电加工过程对陶瓷材料的影响和建立了多线性回归分析 预测模型。s h a n k a rs i n g h 等人已经采用复合加工方法，即结合电极前表面的超声 波作用和w e d m 对工程陶瓷材料进行放电加工研究。但是为了保证加工过程中 的f 常稳定，提高加工效率，还需要将过程控制引入工程陶瓷材料电加工中，并 和电加工建立关联。k u n i e d a 等人利用氧化反应和向放电间隙通人氧气的方法来 提高材料蚀除率，对工程陶瓷材料进行加工研究。另外对放电阳j 隙中蚀除微粒运 动方向与工作液吸入方向也进行了研究，得到了稳定电弧形成区域。m t y a n 【1 5 i 提出了将模糊控制理论和神经网络应用于w e d m ，但是由于电加工的复杂性和 随机性。研究只能停留在模型建立上。y s 1 i a o l l 6 l 等人也对电加工工艺参数进行 了在线优化研究，取得了一定的成果。t a k a y u k i t a n i i n l 等人也研究了用人工神经 网络柬识别w e d m 加工过程，但是由于缺乏供网络训练的典型优化参数成为其 发展的瓶颈。 1 1 3 w e d m 加工工程陶瓷材料国内现状 在国内，很多学者也对电加工工程陶瓷材料进行了研究1 5 9 】。大连理工大学 徐文骥等人采用等离子的方法切割工程陶瓷材料，结果表明，用附加阳极等离子 切割工程陶瓷材料是可行的，但是出于等离子弧柱的可控性差，其加工精度差， 2 江苏大学硕士学位论文 因此需进一步在其弧柱形态的保持、喷嘴结构和附加阳极选用上做进一步的研 究。山东工业大学吴春丽等人用激光的方法加工工程陶瓷材料，激光加工具有速 度快、效率高等特点，由于加工过程中的高温会在加工表面产生大量气孔和微裂 纹，因此加工表面的耐磨性较差。北京科技大学郭中杰等人也对工程陶瓷材料进 行放电加工研究，取得了一定的进展和成果，但没有对加工工艺参数进行优化选 择，得到比较理想的加工表面质量。哈尔滨工业大学利用人工神经网络预测了 w e d m 放电状态，上海交通大学也进行了w e d m 机理的仿真研究，并能得到优 化的加工参数，但是缺乏供网络训练的典型优化参数且适用性还有待提高和论 证。 1 1 4 w e d m 加工工程陶瓷材料急需解决的问题 综上所述，可以看出国内外专家学者只是将新的加工方法( 激光加工、复合 加工和等离子方法等) 和现代方法技术( 模糊数学、非线性回归分析和神经网络) 综合起来，来对工程陶瓷材料进行加工研究，解决了对脆、硬等工程陶瓷材料的 加工困难问题。工程陶瓷材料电加工在国内外都有所研究，但是对所用的w e d m ( 电火花线切割) 加工工艺参数进行深入优化和表面质量预测研究，来得到较好的 工程陶瓷材料电加工表面质量这一方面尚不多见。在w e d m 加工工程陶瓷材料 方面，要实现高效高精度的优化控制和得到较好的加工表面质量，必须解决如下 关键问题： ( 1 ) ：加工工艺参数优选方法： ( 2 ) ：建立加工目标性能到优选加工工艺参数之间的函数映射关系； ( 3 ) ：利用模糊人工神经网络的自学习和预测能力强等特点，来建立工 程陶瓷材料电加工表面粗糙度随工艺参数变化的预测模型； 很好的解决这些关键问题，已经成为当前国内外学者研究的主要任务之一。 1 2w e d m 加工工程陶瓷材料的目的及意义 近年来，开发了许多新材料，并且逐步应用于各个不同的领域。工程陶瓷 材料就是其中之一。由于工程陶瓷材料具有高强度、高硬度、低密度、低膨胀 系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热化学稳定性好等优良特性，已成为广泛应用于航 江苏大学硕士学位论文 天航空、石油化工、仪器仪表、机械制造及核工业等领域的新型工程材科。它 已继会属材料、工程塑料之后，被作为第三类工程材料逐步进入各个高技术领 域。在光学、电子器件及耐热、耐腐蚀零件领域中具有广泛的应用前景。采用 传统的车、铣、刨、磨等方法很难达到对工程陶瓷材料进行精确加工的要求， 甚至不能进行加工。传统的加工方法是以延性金属为对象的金属切削理论，对 于这些硬、脆性的材料以不尽适用，因此根据这些非金属硬、脆材料的特性， 寻求合适的加工方法，对生产实践是很有必要的。相对于传统的切削加工技术 而言，电火花线切割加工技术的研究与开发的历史并不长，对其加工机理与使 用范围的研究还并不充分。一般认为，这是限制其发展与应用的主要因素。但 是同时也应该看到，正因为如此，它才可能具有较大的想象空间。 工程陶瓷材料n i 技术的发展推动了工程陶瓷材料的广泛应用，有其十分 重要的实际意义。目前，工程陶瓷材料加工技术的研究方向可以概括为两个主要 方面： 1 ) 对现有工程陶瓷材料加工技术进行深入研究，开发专用的陶瓷加工机 床。优化工艺参数，提高加工质量和加工效率，降低生产成本，以扩大其应用范 围。 2 ) 丌发和推广工程陶瓷材料加工新技术。目前主要是把两种或几种加工 方法复合在起形成一种新的加工方法，如超声放电复合加工、电解放电复合加 工、电解电火花磨削、电气机械磨削等。 随着工程陶瓷材料加工技术的不断进步，工程陶瓷材料的应用将不断扩大。 目前，在实际生产中对工程陶瓷材料所采用的精加工方法通常为机械磨削。仅限 于对平面和回转平面进行加工，这就极大地限制了工程陶瓷材料的应用。由于现 代经济和科学技术的迅速发展，加工的产品形状日益复杂化，加工精度要求高， 且加工周期短，这给机械制造行业提出了i ； 所未有的挑战，就必须考虑运用新的 加工方法来对陶瓷材料进行研究，不仅能得到较好的加工表面质量，而且能提高 生产效率。 i 2 i 工程陶瓷材料的应用及性能 工程陶瓷足精细陶瓷的一个分支，也可以称为新型陶瓷、高技术陶瓷或特 4 江苏大学硕士学位论文 种陶瓷。工程陶瓷可以分为功能陶瓷和结构陶瓷两大类【l3 1 。功能陶瓷利用其绝缘 性、介电性、半导体和磁性等功能柬制造各种传感器，以满足汽车电子化的迅猛 发展；结构陶瓷具有高温工况下强度高、耐磨性好、隔热性好、低密度和低膨胀 系数等特点，被广泛用于发动机和热交换零件的制造。就化学成分而占，传统陶 瓷主要由单一的和复合的氧化物组成，近几年出现的新型陶瓷，其成分除了氧化 物外，主要还有氮化物、碳化物、硼化物、硅化物、砷化物等，而我们所说的导 电陶瓷，其化学成分主要是二硼化钛、氮化硼、氮化硅、氮化铝等，其形成方式 主要是在高温、高压条件下先压制然后烧结而成。由于它是在高温、高压下形成 的，所以它具有较高的使用温度( 一股可达到2 0 0 0 。c 左右) 和较高的抗压强度( 一 般可达到2 0 5 0 k n7 m ) ；其化学组成也决定了它具有导电性；另外，硬，脆也是 工程陶瓷材料的主要特点。 因为工程陶瓷材料以其突出的物理化学性能，如高强度、高硬度、低密度、 低膨胀系数以及耐磨、耐腐蚀、隔热化学稳定性好等优良特性及质量轻等特点在 工业领域中的应用越来越广泛，将它作为工程设备中的某个零件已有逐步取代金 属零件之势，如陶瓷刀具、陶瓷轴承、发动机上的零件等，特别是随着近年来材 料科学的发展，陶瓷材料的综合性能大为提高，抗弯强度及断裂韧性得到显著改 善，详细见表1 1 ，已成为广泛应用于航天航空、能源、交通、石油化工、仪器 仪表，机械制造及核工业等领域的新型工程材料。 表1 - 1 某些陶瓷材料与c r l 2 钢的力学性能 材料种类街度熔点抗弯强度弹性模量维氏硬度断裂韧度 p ，i gc m )t 水o , a m p a e ，g p ah v ，m p a k i c ( m p a - m 1 4 ) a 1 2 0 ) 一t i c 42 - 4 33 6 8 68 5 03 7 0 4 2 02 2 05 2 z r 0 2 y 2 0 3 - t i c 59 - 602 9 7 3 3 8 0 - 6 0 0 1 7 01 251 0 5 s i ：n 4 t i c 3 2 - 3 42 4 7 36 0 0 - 9 5 03 0 0 3 8 02 0 05 7 s i - s i c3 0 72 4 5 03 6 03 9 02 1 04 t i b 2 4 33 8 0 05 5 02 6 0 b d c 2 52 6 2 34 0 0 4 5 0 2 7 0 c r l 2 7 61 8 1 33 1 5 5 2 02 1 06 0 h r c 5 0 江苏大学硕士学位论文 1 2 2 降低工程陶瓷材料电加工表面粗糙度的意义 目前，有资料表明，当工程陶瓷材料的电阻率小于l o o q m m 时，就可应用 电加工方法对工程陶瓷材料进行放电加工，工程陶瓷材料放电加工技术研究已经 成为当今各国研究的重点和热点课题。但由于工程陶瓷材料同时具有商脆性、低 断裂韧性及材料弹性极限与强度非常接近等特点，因此工程陶瓷材料的加工难度 很大，加工方法稍有不当便会引起工件表面层组织的破坏，从而很难实现高精度、 高效率、高可靠性的电加工，进而限制了工程陶瓷材料应用范围的进一步扩展。 陶瓷材料电加工后的表面质量成为零件使用性能的关键因素。表面粗糙度和表面 残余应力作为衡量电加工工件表面质量的两个主要方面，探讨表面粗糙度和表面 残余应力有着很重要的实际意义。 下面主要探讨工程陶瓷材料电加工表面粗糙度的意义： 表面粗糙度对陶瓷零件的性能和寿命有着重要的影响。因为表面粗糙度反 映的是材料表面的微观轮廓，当两零件接触时表面粗糙度值的高低决定实际接触 面积的大小，若表面粗糙度值高，意味着实际接触面积小，单位面积上零件承受 的实际载荷要高于理论计算载荷。而陶瓷材料与金属材料不同，突出表现为陶瓷 材料位错运动困难，很难发生塑性变形，如果产生微裂纹，裂纹的尖端将产生很 大的应力集中，应力集中的能量不能通过塑性变形释放，裂纹将快速扩展最终导 致陶瓷脆性断裂。因此，在高载荷并有相对运动时，由于波峰、波谷的摩擦和碰 撞很容易产生磨损，脆断的工程陶瓷材料碎削在零件配合面l 日j 构成三体磨料磨 损。所以加工后的表面粗糙度决定了工程陶瓷材料的耐磨性和使用寿命，研究如 何降低陶瓷材料加工后的表面粗糙度有着重要的实际意义。 1 2 3 减小工程陶瓷材料电加工表面残余应力的意义 由于在工程陶瓷材料电加工的时候，位于工件浅表部分的材料因受热膨胀， 当放电结束后，工件逐渐冷却，该部分材料要收缩，但是受到未变形区域的阻碍， 因而在工件浅表生成残余拉应力区，而在工件内部一定范围内生成残余压应力 区。由于工件表层存在拉伸残余应力会影响疲劳强度、尺寸稳定性和使用寿命。 表面残余应力对零件最主要的影响就是断裂强度。作为特殊的硬、脆工程材料。 陶瓷零件的断裂强度和韧性对表面应力状念非常敏感，残余_ 哐应力在一定程度上 6 江苏大学硕士学位论史 可以提高断裂韧性残余拉应力的作用则相反。然而田欣利指出，表面残余应力 只有在作用深度较大、变化梯度较小的情况下，对断裂强度的影响才会显著。目 前国外一些学者采用负温深冷的表面改性技术使工程陶瓷材料表面产生一定的 残余压应力以提高断裂强度。残余压应力在一定程度上可以提高零件的磨损性 能，使表面硬度增大，残余拉应力则相反。研究了残余应力对陶瓷零件疲劳强度 的影响。当压力载荷卸掉之后，在残余应力集中处产生裂纹，而且裂纹扩展速率 与残余应力成指数函数关系，因此残余集中应力成为裂纹扩展的驱动力。零件在 动载荷作用下，残余集中应力与动载荷的综合作用使零件发生疲劳现象。为此将 残余应力考虑进脆性材料的疲劳方程，这是近年来陶瓷材料断裂动力学的新突 破。以此为基础，可以预测各种陶瓷零件在交变循环应力作用下的使用寿命。还 有一些学者研究了残余应力对其它性能的影响，其中残余应力对腐蚀性能影响的 研究是近年来较为活跃的分支。所以，研究如何减小电加工工程陶瓷材料表面残 余应力的有着重要的实际意义，尤其是残余拉应力。 1 3 本论文研究的主要内容及预期效果 1 3 1 论文研究的主要内容及技术路线 工程陶瓷材料由于硬、脆、导电率低等特性，难以获得高效高精密的电火 花线切割加工的效果及较好的工程陶瓷材料电加工表面质量。本文主要通过电 火花线切割加工机床这个平台，以及利用t a g u c h i (口式1 【1 9 0 0 0 1 盈0 3 1 正交试验规 划方法、标准变量分析方法( a n o v a ) 和模糊m o d u l a r 神经网络技术为基础，从而 为实现w e d m 高效高精密加工工程陶瓷材料提供理论与技术支持。本论文主要 解决以下几个关键问题： 1 ) 工艺参数优化和建立加工目标性能到加工参数之间的函数映射关系 利用t a g u c h i ( 口式) 正交试验规划方法，设计出能反映工程陶瓷材料电加 工工艺参数与加工目标性能之间的函数映射关系，来研究分析工程陶瓷材料 a 1 2 0 3 t i c ( 质量分数3 0 0 ) 电加工四个主要工艺参数( 脉冲宽度、工作电压、脉冲 间隙、功率管数) 对工程陶瓷材料的表面质量( 表面粗糙度、表面残余应力、 表面变质层) 、综合性能和加工速度的影响。由于加工过程中存在噪声干扰等 江苏大学硕士学位论文 诸多不确定因素，引入信噪比s n 柬对实验数据进行处理以减少试验误差。提高 数据的准确性。利用变量分析方法( a n o v a ) ，定性分析工程陶瓷材料电加工工 艺参数( 脉冲宽度、工作电压、脉冲间隙、功率管数) 对表面质量的影响，并 进行工艺参数组合优化研究。 2 ) 建立工程陶瓷材科电加工表面租糙度预铡模型 通过将模糊m o d u l a r $ 申经网络技术引入电加工领域，以正交试验数据为学习 样本，本文建立了工程陶瓷材料电加工表面质量( 表面粗糙度) 随电加工工艺参数 变化的预测模型，可以用来预测陶瓷材料电加工表面粗糙度，为以后进行电加 工陶瓷材料实验提供科学依据和参考。 1 3 2 本论文研究的重点及创新之处 在查阅国内外有关工程陶瓷材料电加工资料的基础上，结合作者所做的相 关研究，认为以下几点为本文研究的重点及创新之处： ( 1 ) 运用t a g u c h i ( 田e l 式) 正交试验规划方法对四个主要的电加工工艺参 数进行正交试验排序，设计出能反映工程陶瓷材料电加工工艺参数与加工性能 之间联系的系列试验。运f f l t a g u c h i ( 日q 口式) 正交试验规划方法不仅可以大大的减 小试验次数，重复一些不必要的试验，而且能节省资源，并且能得到优化工艺 参数组合。 ( 2 ) 由于在试验过程中存在噪声干扰等诸多不确定因素，引入信噪比s n 来对试验数据进行处理，减小试验误差，提高数据的准确性。通过优化电加工 工艺参数，找到了最佳工艺组合，进而得到了最优的结果。 ( 3 ) 通过模糊m o d u l a r 神经网络技术的自学习能力，当参数随环境的改变 而飘移时，实现对规则的有效调整，解决控制参数过多，运算时间长等技术难 点。 ( 4 ) 通过将模糊m o d u l a r 神经网络技术引入电加工领域，本文建立了工程 陶瓷电加工表面质量( 表面誊h 糙度) 随电加工工艺参数变化的预测模型，可以用来 预测陶瓷材料电加工表面粗糙度，为以后进行陶瓷材料电加工试验提供科学依 据和参考。 江苏大学硕士学位论文 1 3 3 本论文研究将取得的预期效果 综上所述，本论文主要通过以上现代方法技术来进行工程陶瓷材料电加工 试验研究。利用t a g u e h i 方法来设计正交试验矩阵，解决了工艺参数( 脉冲宽度、 工作电压、脉冲日j 隙。功率管数) 的优化问题，进而得到了较佳的加工表面质量。 利用变量分析方法( a n o v a ) ，完成了工艺参数对工程陶瓷材料电加工表面质量 和加工速度影响的分析，运用模糊m o d u l a r 神经网络来建立了表面质量( 表面粗 糙度) 的预测模型，对试验数据进行了预测研究，得到了可靠的预测结果。 9 江苏大学硕士学位论文 第2 章w e d m 加工工程陶瓷材料机理分析 2 1 电火花线切：言i j ( w e d m ) j j l lt 机理 电火花线切割加工是电火花加工的一种加工形式，是用线状金属丝( 钼丝、 铜丝等) 作为工具电极，与工件电极产生火花放电。工件固定在工作台上，与脉 冲电源正极相连，电极丝沿导轮不断运动，与脉冲电源负极相连。当工件与电极 丝的间隙适应时，它们之问就产生火花放电。而控制器通过进给电机控制工作台 的运动，使工件沿预定的轨迹运动，从而用工件与电极丝之日j 的脉冲放电产生的 高温使工件材料熔化气化而将工件腐蚀成所要求的形状，工作液通过液压泵浇注 在电极丝与工件之问。w e d m 加工的具体示意图，如图2 1 所示。 图2 一l 电火花线切割( w e d m ) ) j t l i 过程示意图 根据大量实验资料的分析来看，每次电火花蚀除的微观过程是热( 主要是表 面热源) 和力( 电场力、磁场力，热力、流体动力) 等综合作用的过程。这一 过程大致可以分为以下相互独立又相互搭接的几个阶段：即电离击穿、脉冲放电、 工件熔化和气化、气泡扩展、工件抛出及消电离恢复绝缘强度。电火花线切割加 工时，每一个脉冲放电释放的能量，使工件表面放电间的介质电离击穿，造成放 电点的熔化甚至气化，最后这些金属被抛出而形成一个凹坑。无数个脉冲连续放 电，在工件上就表现为产生无数个凹坑的叠加，就能沿电极丝的轨迹形成一条缝， 江苏大学硕士学位论文 达到对工件材料的加工。电火花线切割是运动着的电极丝柔性件对刚性件的加 工，击穿放电主要是依靠“疏松”接触击穿，即在电极丝与工件之自j 相接触，但 在不造成短路状态下发生击穿放电。w e d m 加工技术由于能解决具有高熔点、 高硬度、高韧性等特殊机械性能材料和特殊结构零件的加工，因而在模具制造、 成形刀具加工、难加工材料和精密复杂零件的加工中占有重要的地位。 2 2w e d m 加工工程陶瓷材料表面变质层形成原理 在电火花线切割加工过程中，由于工件表面残留熔化成分的变化和固态骤 冷骤热的作用，被加工表面形成了变质层。同时在放电过程中，材料的蚀除是在 工具电极表面和工件问进行的连续的单个脉冲放电完成的，一些熔化、汽化、 热应力作用的物质，一部分随工作液排除，其它剩余物质进行再结晶，在工件表 面形成一层凝固层。同时由于熔化和再凝固的时间非常短，再加上电火花放电坑 及附着物的落点是随机分布的，故工件表面变质层的厚度大小是不等的。表面变 质层的假想示意图，如图2 2 所示。 图2 2 表面变质层假想示意图 图2 2 显示了表面变质层的假想示意图：上面由凝固层和变质层组成；下 面为结合层和基体组成。 2 。2 1 通过s e m 来分析微观组织 图2 3 为电加工a 1 2 0 3 厂r i c ( 3 0 ) t 程陶瓷材料在脉冲间隔3 挡，功率管数2 ， 工作电压11 0 v ，脉冲宽度4 p s 的试验条件下，所得到的微观组织的扫描电镜片， 由于脉冲能量比较小，所以在表层组织破坏比较小，空洞和裂纹也比较小、少。 从图2 4 、2 - 5 、2 - 6 可以看出，随着脉冲宽度的增加，空洞和裂纹在明显的增加。 江苏大学硕士学位论文 主要原因是随着脉冲宽度的增加，电加工机床放电能量也在增加，工件表层温 度增高，而陶瓷材料与金属材料相比，导热系数小，热膨胀系数大，因而增大 内应力，产生了更多、更长、更深的裂纹，导致表面形态不断变化。 图2 3 脉冲宽度4 1 a s 虱2 - 4 脉冲宽度1 5 1 x s 图2 5 脉冲宽度2 5 1 a s图2 - 6 脉冲宽度3 5 9 s 2 2 2 表面变质层的组织成分 以常用的a 1 2 0 3 + t i c ( 3 0 ) t 程陶瓷材料来进行分析，由于工程陶瓷材料电 加工的方式主要以剥落为主，所以在电加工后，陶瓷材料表面形成了许多凹坑， 表明在陶瓷材料中的一部分a j 2 0 3 和t i c 颗粒被剥除了，而且研究结果表明：随 着脉冲能量的增加，t i c 颗粒剥除量也在增加。一部分随工作液排除，另外一部 分冷却再结晶，形成了凝固层。由于热压的作用，在陶瓷材料电加工后，材料表 面形成了温度梯度，进而形成了变质层。由于高温的作用，在电加工过程中发生 了化学反应： t i c + 0 2 _ t i o + c o t 所以可以认为，陶瓷材料电加工后表面变质层主要由：a 1 2 0 3 、t i c 、t i o 等物 质组成。 通过以上研究，可以得出表面变质层的形成机理： 1 ) 陶瓷材料电加工后确实存在变质层。陶瓷材料电加工后的表面变质层 江苏大学硕士学位论文 的形态是随着电加工条件和电加工方式的改变而改变。 2 ) 由于高温和热压的作用，在陶瓷材料电加工过程中发生了化学反应，导 致表面变质层的组织成分和含量与原材料有所不同。 3 1 低脉宽、低工作电压、少功率管数和大脉冲| 日j 隔的条件下，对于表面变 质层的形成和稳定起着重要的作用。 表面变质层严重影响了材料的原有性能，降低了材料抗弯强度等性能。所以 控制表面变质层的大小具有很高的实际意义。 2 3w e d m 加工工程陶瓷材料加工参数分析 在电火花线切割加工工程陶瓷材料中，要想能得到较好的加工表面质量， 必须控制好加工参数。由于电加工机床是通过提供脉冲能量来进行陶瓷材料的 电加工，所以必须控制好影响脉冲能量的相关电参数。脉冲能量的计算公式： e ，= ru ( f ) ，( ，) 西( 2 - 1 ) ，式中 ，。脉冲放电延续时间即脉宽( s ) u ( t 卜一放电间隙的电压 是时蚓t 的函数 i ( t ) 放电间隙的电流 是时间t 的函数 根据电压和电流的波，如果忽略极其短暂的前后沿，则它们的波形近似为矩 形波： u ( t 声“，。l ( t 声i 。 ( 2 - 2 ) 则 e 。g e j f 。t 。 ( 2 - 3 ) 也就是说，影响脉冲能量的电参数主要由：脉冲宽度、功率管数、脉冲间隔、 电流、工作电压等组成。随着脉冲宽度、功率管数、工作电压、电流的增加， 脉冲能量e 。也在增加。随着咏冲间隔的增加，能量e 。而减小。所以，本论文着 重探讨脉冲宽度、功率管数、脉冲间隔、工作电压等电加工参数。 江苏大学硕士学位论文 第3 章工程陶瓷电加工基