工程陶瓷引弧微爆炸加工沖擊力建模及實(shí)驗(yàn)分析＊

張保國，田欣利，王健全，唐修檢，李富強(qiáng)

（1.裝甲兵工程學(xué)院再制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100072；2.94669部隊(duì)，安徽 蕪湖 241007）

工程陶瓷材料的鍵性以離子鍵、共價(jià)鍵為主，這決定了工程陶瓷材料同時(shí)具有脆性大、斷裂韌性低和彈性模量高等特點(diǎn)。在加工時(shí)當(dāng)材料承受的載荷超過彈性極限時(shí)，就會(huì)在已加工表面形成裂紋和凹坑，給成形加工帶來了很大困難［1］。目前加工陶瓷的主要手段是用金剛石砂輪磨削。但由于陶瓷燒結(jié)后收縮變形量大于20%，結(jié)構(gòu)尺寸很難像金屬那樣精確控制，所以一般加工余量比金屬要大50%左右，且磨削深度僅是金屬的1／10～1／8，完全依靠磨削這種精加工方法去完成粗加工的材料去除工作，加工效率很低，且金剛石砂輪耗損過快，致使加工成本很高。據(jù)統(tǒng)計(jì)，工程陶瓷加工工藝的80%由磨削加工完成，其加工成本占到陶瓷元件總成本的60%～90%［2］。缺乏適應(yīng)陶瓷特性的粗加工方法是導(dǎo)致工程陶瓷材料加工效率低、加工成本高的根本原因，也是制約先進(jìn)陶瓷廣泛應(yīng)用的瓶頸。

針對(duì)工程陶瓷加工缺乏粗加工技術(shù)的現(xiàn)狀，我們提出了一種新型的物理爆炸加工方法，即引弧微爆炸加工技術(shù)。加工時(shí)，在微爆炸發(fā)生器噴嘴處發(fā)生的微爆炸具有高溫高壓特性，作用于陶瓷工件，在極短的時(shí)間內(nèi)，其高密度能量使陶瓷表面材料熔化、汽化及裂紋擴(kuò)展形成蝕坑，從而去除材料。實(shí)驗(yàn)證明，該技術(shù)能用于加工陶瓷孔、平面、槽、外圓、復(fù)雜異型面等多種形狀的工件，工作穩(wěn)定可靠［3］。

在前期研究中發(fā)現(xiàn)，在工程陶瓷的引弧微爆炸加工過程中，爆炸產(chǎn)生的高溫和高沖擊力是實(shí)現(xiàn)材料去除的根本因素。其中，高溫去除是通過燒蝕作用使陶瓷材料軟化、熔化或分解；高沖擊力去除則是通過沖蝕作用將軟化或熔化的材料從被加工區(qū)域去除。因此，對(duì)沖擊力進(jìn)行研究不僅可以揭示加工機(jī)理、優(yōu)化加工參數(shù)、校核沖擊力理論計(jì)算的準(zhǔn)確性，還可以通過沖擊力的變化來監(jiān)控加工過程，反映微爆炸發(fā)生器的燒損、加工參數(shù)的合理性、設(shè)備故障等加工狀態(tài)，從而控制加工過程。

1 沖擊力產(chǎn)生理論

在引弧微爆炸加工時(shí)，以微爆炸發(fā)生器的內(nèi)部芯極（鉿）為陰極，以微爆炸發(fā)生器的噴嘴為陽極，利用專用脈沖電源對(duì)兩電極施加脈沖高壓，在很高的峰值電流作用下，高頻電壓擊穿兩電極間的氣隙產(chǎn)生火花放電，在電極間造成一個(gè)極小的離子化通路，此時(shí)的工作氣體介質(zhì)變成良導(dǎo)體，工作氣體被電離為數(shù)量大體相等的正離子和電子以及中性粒子（原子或分子）組成的等離子體。高密度的電子與離子在電場作用下得到加速度和動(dòng)能，這些帶電粒子高速運(yùn)動(dòng)時(shí)相互碰撞，產(chǎn)生大量的熱；由于放電時(shí)電流會(huì)產(chǎn)生磁場，磁場會(huì)反過來對(duì)電子流產(chǎn)生向心的磁壓縮效應(yīng)，等離子體射流受到很大的束縛；電弧由于高溫會(huì)發(fā)生熱膨脹，進(jìn)入狹窄的噴嘴后，射流又會(huì)受到機(jī)械壓縮作用，從而壓力急劇增大并達(dá)到臨界值。在沖出噴嘴時(shí)，高溫高壓的等離子射流突破束縛急劇向外擴(kuò)展從而產(chǎn)生微爆炸，并產(chǎn)生強(qiáng)烈的沖擊波，沖擊波作用到下方的試件，對(duì)試件產(chǎn)生了沖擊力。

微爆炸產(chǎn)生的沖擊波波形為典型的p－t曲線，如圖1所示［4］。由圖1可知，在沖擊波到達(dá)之前，該處的壓力等于大氣壓力p0，沖擊波在ta時(shí)刻到達(dá)該處后，在tb時(shí)刻到達(dá)最大值pmax，壓力最大值與p0的差值即超壓Δp。波陣面通過后壓力迅速下降，在tc時(shí)刻壓力呈指數(shù)衰減到大氣壓力并繼續(xù)下降，直至出現(xiàn)負(fù)超壓峰值后又逐漸回升到大氣壓力。

沖擊波超壓可用下式來計(jì)算［5］

圖1 沖擊波的p－t曲線Fig.1 p－t curve of shock wave

式中：Δp為沖擊波超壓；p0為低壓段初始?jí)毫?，一般情況下為大氣壓；Ma為沖擊波馬赫數(shù)

式中：D為沖擊波速度，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得；c0為低壓段的聲速，與溫度有關(guān)，c0＝331.6＋0.54T，T為低壓段初始溫度。

在測(cè)得沖擊波速度后可利用式（1）～（2）計(jì)算沖擊力。但由于式（1）是針對(duì)理想氣體提出的，存在諸多誤差，另外測(cè)量引弧微爆炸產(chǎn)生的沖擊波速度有一定的困難，因此直接測(cè)量沖擊波對(duì)試件的沖擊力。

2 沖擊力實(shí)驗(yàn)及建模

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)與研究方法

測(cè)量引弧微爆炸加工過程的沖擊力的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由引弧微爆炸加工系統(tǒng)和沖擊力測(cè)量系統(tǒng)組成。其中，引弧微爆炸加工系統(tǒng)主要由空壓機(jī)、專用脈沖電源、三維數(shù)控工作臺(tái)和微爆炸發(fā)生器組成［3］。沖擊力測(cè)量系統(tǒng)由單向測(cè)力傳感器（中國航天空氣動(dòng)力技術(shù)研究院的BK－2B型）、信號(hào)放大器、數(shù)據(jù)采集卡（中泰研創(chuàng)科技有限公司PCI－8360B型）和自行開發(fā)的測(cè)量軟件組成。

試件材料為Si3N4陶瓷，尺寸為60mm×30mm×10mm，該材料具有高溫強(qiáng)度好、韌性好、高硬度、耐腐蝕、耐磨損、抗熱震和自潤滑性能良好等優(yōu)點(diǎn)，作為機(jī)械耐磨材料使用具有較大的潛力［6］。

引弧微爆炸加工技術(shù)的加工參數(shù)主要包括工作電流I、工作氣壓pw、工作脈寬τ、噴嘴直徑d以及噴嘴與工件間的距離h，工作氣體為壓縮空氣。實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先通過單因素實(shí)驗(yàn)，研究幾個(gè)加工參數(shù)對(duì)沖擊力的影響規(guī)律，確定影響沖擊力的主要加工參數(shù)；在此基礎(chǔ)上，以選擇出的加工參數(shù)為因素，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，建立沖擊力模型。

圖2 沖擊力測(cè)量系統(tǒng)Fig.2Measurement system of impact force

2.2 加工參數(shù)對(duì)沖擊力的影響

前期通過大量試驗(yàn)，以加工過程穩(wěn)定性和工件安全性為目標(biāo)，確定了各個(gè)加工參數(shù)的取值范圍。單因素實(shí)驗(yàn)的各加工參數(shù)在取值范圍內(nèi)選取。采用控制變量法，當(dāng)pw＝0.12MPa，τ＝80ms，h＝3mm，d＝2.5mm時(shí)，分別選取I＝50，60，70，80，90A進(jìn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)；當(dāng)I＝70A，τ＝80ms，h＝3mm，d＝2.5mm時(shí)，分別選取pw＝0.10，0.12，0.14，0.16，0.18MPa進(jìn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)；當(dāng)I＝70A，pw＝0.12MPa，h＝3mm，d＝2.5mm時(shí)，分別選取τ＝40，60，80，100，120ms進(jìn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)；I＝70A，pw＝0.12MPa，τ＝80ms，d＝2.5mm時(shí)，分別選取h＝1，2，3，4，5mm 進(jìn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)；當(dāng)I＝70A，pw＝0.12MPa，τ＝80ms，h＝3mm時(shí)，分別選取d＝2，2.5，3mm進(jìn)行測(cè)試并采集數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)過程中，當(dāng)加工進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，才開始對(duì)沖擊力F的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，取3次的平均值，以保證結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖3 加工參數(shù)對(duì)沖擊力的影響Fig.3Influences of processing parameters on impact force

圖3（a）中，隨著工作電流的增大，沖擊力明顯減小。當(dāng)工作電流增大時(shí)，微爆炸產(chǎn)生的等離子體射流半徑隨之增大，射流溫度升高，使陶瓷工件表面產(chǎn)生的蝕坑半徑增大并導(dǎo)致材料去除量的增加。但射流半徑的增大同時(shí)使射流內(nèi)部壓力減小，因此對(duì)試件的沖擊力減小。

圖3（b）中，沖擊力隨著工作氣壓的增大而增大。壓縮空氣在引弧微爆炸加工過程中有2個(gè)作用，一是在兩極間作為工作氣體發(fā)生電離進(jìn)而引發(fā)微爆炸，二是對(duì)工件的加工區(qū)域進(jìn)行冷卻。當(dāng)工作氣壓增大時(shí)，電離程度增強(qiáng)，因此引起沖擊力的增大。

由圖3（c）可知，隨著工作脈寬的變長，沖擊力增減趨勢(shì)不定，無明顯變化規(guī)律，說明工作脈寬對(duì)沖擊力的影響不顯著。工作脈寬的變長增加了微爆炸等離子體射流在陶瓷工件表面的作用時(shí)間，導(dǎo)致材料去除量的增大，但并不會(huì)引起沖擊力的升高。

由圖3（d）可知，在射流的長度范圍內(nèi)，隨著工作距離的增大，沖擊力在很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，無顯著變化，說明工作距離對(duì)沖擊力的影響不明顯。但工作距離不能無限增大，若接近射流的噴射范圍（大于10mm），則沖擊力會(huì)逐漸減小。

圖3（e）中，沖擊力隨著噴嘴直徑的增大而增大。這是由于噴嘴直徑增大時(shí)，在工作氣壓不變的情況，氣體流量增加，因此氣體電離程度增強(qiáng)，射流內(nèi)部壓力升高，因此沖擊力增大。

2.3 沖擊力模型的建立

2.3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)及方案

為建立沖擊力模型，增強(qiáng)經(jīng)驗(yàn)公式的準(zhǔn)確性，采用多因素正交回歸實(shí)驗(yàn)方法。在正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)，以工作電流I、工作氣壓pw和噴嘴直徑d這3個(gè)對(duì)沖擊力有明顯影響的參數(shù)為因素，每個(gè)因素考慮3個(gè)值，利用正交表設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案和結(jié)果見表1。

表1 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果Table 1Orthogonal test scheme and results

2.3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果的方差分析

分析結(jié)果如表2所示，通過查F檢驗(yàn)表，與計(jì)算得到的F1值進(jìn)行比較，可知各參數(shù)對(duì)沖擊力影響的主次順序和顯著水平。α為顯著性水平，α取0.05時(shí)，若F1大于表值，則該因素是顯著的；α取0.025時(shí)，若F1大于表值，則該因素是特別顯著的；α取0.01時(shí)，若F1大于表值，則該因素是異常顯著的。

表2 沖擊力方差分析Table 2Analysis of variance for impact force

由表2可知，工作電流和工作氣壓對(duì)沖擊力影響特別顯著，噴嘴直徑對(duì)沖擊力影響顯著，其影響的主次順序?yàn)椋汗ぷ麟娏?、工作氣壓、噴嘴直徑?/p>

2.3.3 沖擊力模型的建立

觀察圖3（a）～（b）、（e），可發(fā)現(xiàn)由微爆炸發(fā)生器噴射出的等離子體射流對(duì)陶瓷工件的沖擊力與各加工參數(shù)之間近似呈指數(shù)關(guān)系，可建立指數(shù)型經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/p>

式中：K為常數(shù)，a、b、c為指數(shù)。

應(yīng)用多元線形回歸法進(jìn)行擬合，利用表1中沖擊力實(shí)驗(yàn)結(jié)果，得到?jīng)_擊力模型為

由式（4）表示的沖擊力經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，即可用于?yōu)化加工參數(shù)、校核沖擊力理論計(jì)算的準(zhǔn)確性等，還可以分析各加工參數(shù)對(duì)沖擊力的影響規(guī)律。工作電流項(xiàng)的指數(shù)為負(fù)值，說明它與沖擊力之間的關(guān)系為負(fù)相關(guān)，即它的增大使沖擊力減?。还ぷ鳉鈮喉?xiàng)及噴嘴直徑項(xiàng)的指數(shù)都為正值，說明沖擊力隨著工作氣壓計(jì)噴嘴直徑的增大而增大，這與單因素實(shí)驗(yàn)的結(jié)果是相符的。

2.3.4 回歸方程及系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)

在多元回歸分析中，回歸方程顯著并不意味著每個(gè)自變量對(duì)因變量的影響都是重要的，還需要考察每個(gè)自變量對(duì)因變量作用的顯著程度，以利于更好地預(yù)報(bào)和控制實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因此需對(duì)回歸系數(shù)進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)。應(yīng)用t檢驗(yàn)對(duì)回歸模型的各個(gè)系數(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果如表3所示。

表3 回歸系數(shù)的顯著性檢驗(yàn)結(jié)果Table 3Significance test results of regression coefficients

在t檢驗(yàn)結(jié)果中，顯著水準(zhǔn)P指的是回歸系數(shù)C為0的概率，當(dāng)P＜0.05時(shí)放棄此回歸系數(shù)為0的虛無假設(shè)，當(dāng)P＞0.05時(shí)則將對(duì)應(yīng)的回歸系數(shù)賦值為0。在給定的顯著性水平下，若t的絕對(duì)值大于臨界值，則認(rèn)為該系數(shù)是顯著的。

從表3中可以看到，常數(shù)項(xiàng)及I、pw、d項(xiàng)的回歸系數(shù)的顯著水準(zhǔn)全部小于0.05，故4個(gè)回歸系數(shù)不可省略。t值的計(jì)算結(jié)果顯示，在沖擊力回歸方程中，常數(shù)項(xiàng)、工作電流、工作氣壓及噴嘴直徑回歸系數(shù)的t值都大于臨界值t0.05（5），說明4個(gè)回歸系數(shù)都是顯著的。

3 結(jié) 論

通過對(duì)Si3N4工程陶瓷進(jìn)行加工實(shí)驗(yàn)，介紹了引弧微爆炸加工過程中沖擊力產(chǎn)生原因，分析了沖擊力的變化規(guī)律，有以下結(jié)論：

（1）在引弧微爆炸加工工程陶瓷的加工參數(shù)中，工作電流、工作氣壓和微爆炸發(fā)生器噴嘴直徑是影響沖擊力大小的主要參數(shù)，而工作脈寬和工作距離對(duì)沖擊力大小影響不顯著。

（2）加工參數(shù)對(duì)沖擊力的影響趨勢(shì)為：工作電流增大，沖擊力減小；工作氣壓和噴嘴直徑增大，沖擊力增大?？蓳?jù)此確定不同工況下的加工參數(shù)，若加工目標(biāo)為高效率，應(yīng)減小工作電流，增大工作氣壓和噴嘴直徑；若加工目標(biāo)為高的表面質(zhì)量，應(yīng)增大工作電流，減小工作氣壓和噴嘴直徑。

（3）由于沖擊力的大小只與加工參數(shù)有關(guān)，而與材料性質(zhì)無關(guān)，因此建立的沖擊力模型也可用于Si3N4外其它陶瓷材料引弧微爆炸加工時(shí)的沖擊力預(yù)測(cè)；用正交實(shí)驗(yàn)和回歸分析法建立的沖擊力模型簡單可靠，該實(shí)驗(yàn)方法同樣適用于中其它模型的建立，如加工效率建模、加工質(zhì)量建模等。

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