压电自适应微细电火花加工技术及机理研究

【摘要】：微细电火花加工是一种非接触式的、宏观切削力很小的加工过程,大大减轻了工具与工件之间的力学负担,并且微细电火花加工可控性好、能加工任何强度和硬度的导电材料,使其在微细轴、微小孔及微三维结构等微细制造方面具有独特的技术优势和广阔的应用前景。但微细电火花加工过程也存在因放电能量及放电间隙微小而导致的放电状态不稳定、加工效率低、电极损耗大的缺点,严重制约着该技术在微细加工领域的广泛应用。因此,迫切需要研究开发高效率、高稳定性、低电极损耗的新型微细电火花加工技术,以适应微细制造领域的发展需要。 本文查阅了大量的微细电火花加工的相关文献资料,系统分析了当前微细电火花加工技术研究现状及未来发展趋势。在此基础上,基于压电陶瓷的逆压电效应提出了一种新型微细电火花加工方法——压电自适应微细电火花加工。该加工方法通过压电致动器将放电间隙调节装置与放电能量发生装置有机集成在一起,实现了加工过程中放电问隙与放电状态的自适应调节。该方法原理及结构简单,控制方便,能有效提高微细电火花的加工效率、降低其电极损耗,为高深径比的微小孔及异型孔的加工提供了很好的解决方案,是一种有着广阔前景的微细电火花加工技术。 压电自适应微细电火花加工的加工原理、加工过程及加工特性与常规电火花加工相比有一定的特殊性,为了进一步揭示其本质,本文对压电自适应微细电火花的加工机理进行了深入研究。通过单脉冲放电凹坑的分析,建立了压电自适应微细电火花单脉冲放电凹坑直径的回归模型,并在此基础上建立了压电自适应微细电火花微小孔加工的材料去除率模型。分别从介质击穿、放电通道形成、放电能量的转换与分配、电蚀产物的抛出、介质消电离等方面对压电自适应微细电火花的放电机理进行了深入研究。研究结果表明在压电自适应微细电火花加工过程中电蚀产物的抛出主要是由热爆炸力、磁流体动力等综合作用的结果；压电自适应微细电火花加工能够实现短路自消除,提高了系统的控制效率,降低系统对微细电火花伺服控制的灵敏度要求；工件与电极之间的周期性自适应伸缩运动能够在一定程度上促进电蚀产物的抛出及工作液的消电离,改善放电环境,从而提高放电状态的稳定性,并且能够增加工具电极与工件之间的火花放电频率,进而提高加工效率。 本文针对压电自适应微细电火花的独特特点,设计并研制了一套压电自适应微细电火花加工系统。该系统由机械与电气两大部分组成。机械部分主要由花岗岩基座、宏微伺服系统、精密旋转主轴、微细电极的在线反拷及检测系统等部分组成。电气部分主要包括微能脉冲电源、电路检测与反馈回路、接触感知回路等组成部分。 伺服控制系统是微细电火花加工系统中不可或缺的组成部分,性能优良的伺服控制系统是实现微细电火花加工过程稳定进行的可靠保证。本文研究的伺服控制系统采用压电致动器与直流伺服电机驱动的滚珠丝杠宏微结合的方式,既能实现较大行程的进给,又能实现很高的进给分辨率和定位精度。在加工过程中压电致动器利用其高频特性根据放电状态对放电间隙进行自适应调节,使放电间隙始终保持在最佳范围之内,保证电火花高效稳定加工。 微细电极的在线制作与检测是制约微细电火花加工技术发展的瓶颈。本文在分析各种电极在线制作的优缺点的基础上,采用切向反拷法实现电极的在线制作。并充分利用机床本身的接触感知功能及数控系统来实现电极直径的在线精确测量。 较高的材料去除率、较低的电极损耗及良好的表面质量一直是微细电火花加工追求的目标。本文围绕微小孔电火花加工过程中各项工艺目标的实现途径,基于正交试验利用信噪比分析法研究了开路电压、电容值、限流电阻、主轴转速、初始进给速度等加工参数对加工时间、电极损耗、表面粗糙度等各项工艺目标的影响规律,并在此基础上对单目标工艺参数进行了优化。研究结果表明对工艺目标的要求不同,所得到的工艺参数的优化组合也有所不同,甚至有时是相互矛盾的。针对这一问题本文引入了灰关联分析法。在正交试验的基础上,利用信噪比分析法对试验结果进行分析,然后利用灰关联度对计算结果进行优化分析,将多目标工艺参数的优化问题转化为单目标灰关联度的工艺参数的优化,得到压电自适应微细电火花微小孔加工的多项工艺目标下的参数优化组合。验证试验结果表明,基于信噪比及灰关联度的优化方法可以在一定程度上提高加工效率、加工表面质量,降低工具电极损耗。 系统的试验研究是评价所研制的微细电火花加工系统性能的最佳方法,本文最后针对所研制的压电自适应微细电火花加工系统进行了加工实验研究。验证了该系统加工微细轴、微小孔及简单微三维结构的能力,充分说明了本加工系统的广泛实用性。

【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：TG661