电极引弧诱导微爆轰击高效加工陶瓷的技术基础研究

针对工程陶瓷等硬脆材料加工目前缺乏高效、低成本加工方法的实际，提出了电极引弧诱导微爆炸轰击波加工陶瓷的新方法。以微爆轰加工过程为研究对象，采用电弧物理理论描述高频引弧瞬间的过渡行为和物理特征，用爆轰动力学构建微爆轰击波的理论模型，用有限元方法对轰击过程中冲击波高压气流的流场、爆炸焰流的温度场以及二者的偶合作用进行模拟。探讨轰击加工过程中表面去除材料的相变行为、重结晶过程、表面变质层的产生机理和组织性能等基础问题。建立以保证陶瓷材料安全和表面完整性为评价标准的表面质量评价体系。揭示轰击去除加工表面的创成规律，探讨轰击变质层的可加工性。为陶瓷等硬脆材料的高效、低成本加工技术提供新的途径，为工程陶瓷的广泛应用提供技术基础。

由于工程陶瓷的硬脆特性，加工难度极大，目前国内外加工陶瓷的主要手段为金刚石砂轮磨削，但存在加工成本高、率低等问题。因此，陶瓷加工领域急需一种高效低成本的粗加工技术。针对此现状，本课题开发出一种新型的特种加工技术—引弧微爆炸加工技术，并重点对该技术基础进行了深入研究。. 构建了微爆炸等离子体射流性能测试系统平台，对引弧微爆炸加工过程中的电流、电压信号进行测定，用高速摄像技术对微爆炸等离子体射流形态和材料去除过程进行观测，利用光谱诊断技术对微爆炸等离子体射流的电子密度和电子温度进行了测试，从而实现了微爆炸等离子体射流的综合测试。基于热传导理论建立了工程陶瓷引弧微爆炸加工温度场理论模型和有限元模型，对陶瓷工件的温度场进行了三维数值模拟，同时对微爆炸冲击力进行了实验测试，结合微观形貌观察和微区元素的能谱分析，揭示了工程陶瓷材料在引弧微爆炸加工时的加工机理。通过对工程陶瓷几种典型特种加工技术的能量密度进行定量计算，从能量角度对陶瓷材料加工时的去除机理进行了研究，揭示了工程陶瓷加工时材料去除的物理本质。以表面完整性、弯曲强度、加工效率和加工成本为评价指标，建立了工程陶瓷引弧微爆炸加工效果的综合评价体系。. 针对加工后工件表面粗糙、安全性能差、边缘碎裂等缺陷，对工程陶瓷引弧微爆炸加工质量控制技术进行了研究。提出了激光加热辅助引弧微爆炸加工技术，使加工质量得到提升，边界损伤得到有效地控制。提出了一种利用低熔点合金周向包封施加预应力控制工程陶瓷加工边缘碎裂的方法。对包封后的陶瓷工件进行引弧微爆炸加工，在预压应力作用下，边缘碎裂现象得到了有效控制。对引弧微爆炸加工后的工件采用小砂轮轴向大切深缓进给磨削加工技术进行精加工，以坦克发动机柱塞偶件中的柱塞套为加工对象，综合两项技术的优势实现了陶瓷柱塞套的高效精密加工。