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《大连理工大学》 2010年
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深微孔电火花加工关键技术研究

郑新毅  
【摘要】: 深微孔被广泛应用在航空航天、能源动力、运载、医疗等重要行业的核心装备的关键零件中,由于其直径小、深径比大且工件多为难加工材料,深微孔的高效稳定加工成为目前加工领域的一个难点。电火花加工因具有无宏观作用力、不受材料机械性能影响以及工具电极制备方便等优点而成为深微孔加工的一种方法。但是由于深微孔电火花加工具有放电能量微、脉冲电源频率高、放电间隙小、波形畸变严重以及放电碎屑多而小等特性,决定了其加工过程仍然存在一些问题如:放电碎屑排出困难、放电状态难于准确辨识、加工过程难于稳定控制、加工系统精度提高困难、加工过程的工艺规律复杂、加工效率低等,亟待突破和解决。本论文针对上述多项关键性技术问题,即:深微孔间隙碎屑有效排出方法、高精度高灵敏度深微孔电火花加工系统的开发、放电状态实时检测方法和加工过程智能控制策略的研究与应用、深微孔电火花加工工艺规律的研究以及深微孔质量评定等工作展开研究。 以放电碎屑的有效排出为目标采用流体动力学方法进行了间隙碎屑排除机理研究。首先,采用扫描电镜对碎屑颗粒形貌进行了观测,观测结果指出去离子水工作液中产生的碎屑颗粒大部分为球形。其次,选择激光粒度仪对碎屑颗粒的尺寸进行了测量,通过对测量结果—颗粒尺寸分布直方图的拟合,得到了碎屑颗粒尺寸符合Weibull分布。最后,采用Weibull函数描述碎屑颗粒建立了碎屑运动仿真的流体动力学分析模型,并对电极旋转、电极旋转振动、工件振动、电极旋转工件振动四种方式的碎屑排出情况进行了计算,计算结果指出电极旋转工件振动的方式更容易促进间隙碎屑的排出。 根据深微孔电火花加工对电极进给的高精度和高灵敏度要求,构建了基于直线电机驱动的深微孔电火花加工伺服进给系统;根据流体动力学分析的结果设计了由电主轴和压电陶瓷组成的旋振机构以辅助加工过程排屑;为降低深微孔电火花加工电极损耗对加工效率的影响,选择长度30cm的冷拉金属丝为电极并配备相应的导向装置进行连续加工;为减少加工过程杂散电容的干扰选择大理石材料为基座,最后整合上述机构构建了一台深微孔电火花加工装置。该加工装置的控制系统硬件采用工业控制计算机搭载PCI1714数据采集卡和PMAC多轴运动控制卡;软件系统利用VC++语言在Windows平台上设计开发,集成了数据采集、脉冲电源控制、机床运动控制、机床状态显示等功能。 围绕深微孔电火花加工的高效高稳定性控制,提出了两阶模糊逻辑深微孔电火花加工控制方法。根据深微孔电火花加工的特点建立了单点放电状态判别规则,第一阶模糊逻辑通过建立的规则对采样点的放电状态进行分类,然后统计一个计算周期内各种放电状态的数量,从而得到每个计算周期的放电状态;第二阶模糊逻辑以前一阶得到的周期放电状态作为输入推理出伺服进给策略。基于此方法设计了深微孔电火花加工的双闭环控制系统,建立了深微孔电火花加工模糊控制器。为提高深微孔电火花加工模糊控制质量,采用加工过程中采集到的数据作为训练数据,利用神经网络结合BP算法对两阶模糊逻辑隶属度函数进行了优化。 针对深微孔加工过程复杂、工艺规律不明显的特点采用非电参数和电参数分开的原则对工艺规律进行研究。对于非电参数—工作液的合理选择问题,采用大量的加工试验研究了适宜不同工件材料加工的最佳工作液;针对非电参数—电极材料的选择问题,首先通过电蚀产物的化学成分分析确定不同电极材料和工件材料之间的损耗比,然后结合加工效率试验确定了加工不同材料工件时的最佳电极材料;最后,在电极材料和工件材料为最优配对的情况下选用最适宜的工作液通过正交试验研究了电参数对加工效率、电极损耗和放电间隙的影响规律。 最后,结合本文第二章提出的排屑方式、在第三章设计的加工系统上、采用第四章提出的放电状态检测和加工过程控制方法、以第五章得到的工艺规律为指导进行了深微孔电火花加工试验。试验成功地加工出平均深径比为10.71,21.2和23.25的三个微孔,且加工过程稳定。试验结果同时显示加工的深微孔存在一定锥度,因此为了控制加工误差提高深微孔电火花加工的质量,进行了深微孔圆度和圆柱度评定的研究。根据深微孔直径小直接测量难的问题,提出了基于数字显微图像处理技术的圆度、圆柱度评定方法,测量结果的误差分析指出本文提出的圆度评定和圆柱度评定的最大测量相对误差分别为11.98%和9.07%。 本文设计的深微孔电火花加工系统可以稳定获得直径尺寸为0.1~0.5mm、深径比大于10的深微孔,说明基于放电碎屑有效排除方法建立的加工系统是有效的;证明了提出的加工过程智能控制方法适于深微孔电火花加工,通过工艺规律优化对于提高深微孔电火花加工的效率也是一种非常有效的手段。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TG661

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【引证文献】
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