平面及空间复杂曲线涂层电火花数控制备方法研究

摘要

电火花沉积工艺作为一种金属表面强化工艺，因具有独特的工艺优点使其近年在再制造技术领域得到快速的推广。然而，传统手工操作式电火花沉积技术造成了沉积工艺过程的可控性、沉积涂层的精确性与再现性极差，更无法实现工业生产中平面及空间复杂曲线涂层的精确制备。电火花—计算机集成沉积系统的出现实现了传统电火花沉积的数控化，利用点焊式沉积方法的试验结果证明了该工艺可以制备出均质的平面及空间复杂曲线涂层，但点焊式沉积在沉积过程中具有较多的空行程，沉积效率有待进一步提高。针对点焊式沉积方法具有较多空行程的特点，基于电火花—计算机集成沉积系统，在点焊式沉积方法的基础上，提出了一种新的沉积方法—近恒间隙式沉积。为了确定沉积方法中的放电间隙，试验选择CoCuFeNiCr高熵合金电极和LY12铝合金基体。试验发现，沉积电压为80V时，放电间隙选择0.13mm沉积过程最为稳定。为了确定高熵合金电极的消耗规律，在铝合金基体上制备直线涂层，得到电极消耗规律。借助Matlab软件算法，将电极的消耗规律带入参数化编程中，即可输出利用近恒间隙式沉积方法的数控程序。
　　基于电火花数控沉积工艺，利用点焊式沉积方法已经成功制备出显微结构稳定的高熵合金涂层。因此，采用近恒间隙式沉积方法和点焊式沉积方法在相同实验条件下分别在45＃钢基体上用CoCuFeNiCr电极制备直线涂层，通过X射线衍射仪和电子显微镜对两种沉积方法获得的Co-Cu-Fe-Ni-Cr高熵合金涂层的相组成及表面形貌进行研究和比较。结果表明，与点焊式沉积方法相比，近恒间隙式沉积方法可以制备出相同相组成及表面形貌的涂层，并且效率提高了5倍以上，为电火花数控沉积提供了一种高效制备方法。
　　基于电火花—计算机集成沉积系统，利用点焊式沉积方法和等弧长插补算法已成功制备出平面及空间复杂曲线涂层，并提出了NURBS函数映射曲线。因此，为验证近恒间隙式沉积方法的可行性，首先以非均匀有理B样条(NURBS)模型描述复杂曲线曲面。接着，在保证电极-基体间隙近似恒定的情况下，运用Matlab软件编程输出利用等弧长插补算法的数控程序，实现在平面上利用近恒间隙式沉积方法沉积NURBS曲线涂层。其次，基于NURBS函数映射曲线将NURBS曲线投影到预先设计并铣削好的NURBS曲面上，实现在曲面上利用近恒间隙式沉积方法沉积出运用等弧长插补算法的NURBS函数映射曲线涂层。最后基于电火花—计算机集成沉积系统成功制备出平面NURBS曲线与空间NURBS曲线(NURBS函数映射曲线)涂层，证明了近恒间隙式沉积方法的可行性。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 论文背景

1．2 国内外研究现状

1．3 论文研究的内容

2 试验平台与方法

2．1．1 电火花—计算机集成沉积系统

2．1．2 X射线衍射仪

2．1．3 扫描电镜分析

2．2 试验方法

2．2．1 点焊式沉积

2．2．2 近恒间隙式沉积

3 NURBS曲线曲面

3．1 B样条的定义和性质

3．1．1 B样条基函数的定义和性质

3．1．2 B样条曲线的定义和性质

3．1．3 B样条曲面的定义和性质

3．2 NURBS曲线的定义及其性质

3．2．1 NURBS曲线的定义

3．2．2 NURBS曲线的性质

3．3 NURBS曲面的定义及其性质

3．3．2 NURBS曲面的性质

4 平面近恒间隙式沉积

4．1．1 试验过程

4．1．2 试验结果分析

4．2 平面NURBS曲线近恒间隙式沉积

4．2．1 等弧长插补算法

4．2．2 试验结果

4．2．3 内圈NURBS曲线的设计、仿真与试验

5 空间NURBS曲线近恒间隙式沉积

5．2 空间NURBS曲线涂层沉积

5．2．1 NURBS函数映射曲线

5．2．2 NURBS函数映射曲线的等弧长插补

5．2．3 空间NURBS曲线涂层的试验过程和结果

6 结论与展望

6．1 全文总结

6．2 前景展望

致谢

参考文献

附录 NURBS曲线曲面参数

攻读学位期间的研究成果