微结构的铣削与电火花复合精密加工系统及工艺基础研究

【摘要】：工业产品的微型化是机械加工技术的一个重要研究领域,而复合微细加工技术是微小零部件实现的有效途径。微铣削和微细电火花复合加工技术以独特的工艺优势,在微结构的加工中越来越重要,逐步成为微细加工领域的重要研究分支。本文以微小型零件微细铣削和微细电火花复合加工为研究对象,对微铣削和微细电火花复合精密加工系统,微铣刀在线磨损检测技术,间隙放电状态检测技术,和微细轴、微小孔以及中空微针阵列等典型微结构的复合加工技术进行了重点研究。在分析了微铣削和微细电火花加工的特点及对加工装备要求的基础上,研制了微铣削与电火花复合精密加工系统。该加工装置的控制系统硬件采用工业控制计算机搭载NS6100数据采集卡和PMAC PC104多轴运动控制卡;软件系统利用VC++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、机床状态显示和在线显微测试等功能。针对微铣刀不同磨损状态下的分形特性,提出了应用一维曲线分形维数、盒维数和关联维数来表征微铣刀的不同磨损状态,并对一维曲线分形维数进行了理论推导和算法编写。最后构建了基于神经网络的微铣刀磨损状态模式识别分类器,并对微铣刀不同磨损特征进行模式识别。针对微细电火花放电过程中的复杂干扰及放电信号畸变严重等现象,提出了基于相关性分析的微细电火花放电状态检测方法,并进行了间隙电压规范相关系数及算法的推导,详细阐述了基于相关性分析的脉冲放电状态识别方法的原理,最后进行了实验验证。在此基础上提出了基于相关性分析的放电状态检测技术,并建立了放电状态辨识规则和加工控制方法。提出了一种新的双螺旋形貌结构的电极来进一步改善电火花加工微小孔的性能。在相同工艺参数条件下,与旋转削边电极加工微小孔的相同指标进行了比较,结果表明双螺旋电极加工微孔的深径比和加工速度均优于削边电极。通过对削边电极和双螺旋电极加工过程中间隙流场的仿真分析,发现双螺旋电极随主轴旋转形成了正、负阿基米德螺旋,促进了新鲜工作液的流入和含电蚀碎屑工作液的流出,提高了加工过程中的稳定性。在本文研制的复合微细加工系统上,实现了典型微细特征结构零件的加工,如微细轴、微小深孔和经皮给药用微针阵列。通过这些典型微细结构零件的加工充分验证了复合微细加工系统的微小复杂零件的多工序、多工艺加工中的能力和优势。