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超声振动辅助电火花铣削加工技术与机理研究

常伟杰  
【摘要】:与天津大学、清华大学等单位联合研究开发五轴联动复合加工机床,其中超声振动辅助电火花铣削系统主要包括机床进给系统、超声模块、电源及其控制、间隙状态控制、路径规划、电极损耗在线补偿等。 研究开发数控高频脉冲电源,通过间隙电压采集系统实现放电状态的监测,基于分层加工策略设计加工路径存储数据结构,实现主轴的原轨迹回退,并支持断点恢复。电源控制系统集成工艺数据库,实现加工数据的管理。电极损耗在线检测与补偿策略实现电极损耗的实时补偿,通过路径规划策略对电极损耗和电极直径偏置进行补偿,获得较高的加工尺寸精度和形状精度。 系统研究了电火花加工机理,包括放电通道的形成与扩展、材料的去除机理、极性效应等。明确了电火花加工放电通道的形成与扩展机理,对放电通道的形成与扩展起主要作用是自由电子,由于离子的迁移率相对于电子较小,对放电通道的形成与扩展贡献不明显。讨论了基准电压、开路电压、极值电流、脉宽与脉间等放电参数对放电通道扩展的影响,建立了放电通道扩展的数学模型。 研究了极性效应对电极积炭保护、表面粗糙度、材料去除率的影响。电极表面的碳主要来源于工作液的分解和工件材料中的碳元素,部分碳元素在放电爆炸力作用下穿过放电间隙附着在电极表面形成积炭保护,部分碳元素则在放电通道作用下成为碳离子向阴极移动,正极性加工时形成积炭保护。 系统研究了超声振动对电火花加工过程的影响。超声振动能量不能附加到脉冲放电能量中,但超声振动可以增大脉冲放电的区间、减小电弧放电与短路、增加熔融材料的抛出、减小工作液的击穿电压,从而增加材料去除率,提高加工效率。 根据电火花加工和超声振动辅助电火花加工的能量与表面粗糙度形成理论,建立了放电参数与工件表面粗糙度Ra值的数学关系。根据电火花单脉冲放电与电火花加工的理论关系以及表面粗糙度Ra值的定义,建立了电脉冲放电凹坑尺寸与加工表面粗糙度的数学模型,反映表面粗糙度Ra值随凹坑直径与深度的变化趋势。基于试验数据分析加工表面粗糙度Ra值随各放电参数的变化规律,加工表面粗糙度Ra值随基准电压的升高而降低,随极值电流的升高而升高,随脉宽的增大而增大。脉间值对加工表面的粗糙度值Ra值无影响,脉间值太小无法满足消电离条件时由于电弧率的提高,表面粗糙粗Ra值会出现降低现象。负极性加工表面普遍优于正极性加工表面,超声振动辅助加工表面普遍优于无超声振动辅助加工的表面。 对超声振动辅助电火花铣削加工技术进行了系统的研究。仿真研究了极性效应对放电率和加工效率的影响,负极性加工时放电间隙比正极性小,其放电率也比正极性高。在电火花成型加工机床上对仿真研究结果进行了实验验证,验证了极性对加工效率的影响规律。理论分析并建立了材料去除率与放电参数之间的数学关系模型。进行了超声振动辅助电火花铣削45钢正交试验,正交分析和回归分析研究了超声振动对各参数的影响。对工具电极施加超声振动后,加工效率提高,电极损耗率降低,相对电极损耗降低。 实验研究了超声振动辅助电火花铣削加工工程陶瓷,研究了超声振动与放电参数对材料去除率、电极损耗率、相对电极损耗的影响,结果表明,超声振动对加工效率的提高非常明显。陶瓷材料中熔点和沸点较高的碳化钛和碳化钨以固熔体的形式析出,致使材料表面碳含量不均匀,并影响其电阻。加工过程中TiC与WC与去离子水电离产生的氧发生氧化反应生成不导电、硬度相对较低的Ti02和WO3,并在材料表面析出,降低了陶瓷材料表面的导电性。在严重烧伤表面,TiC和WC被完全氧化,其表面基本绝缘,无法继续进行电火花加工,会导致撞刀现象的发生,损坏电极和工件。对材料去除率影响最大的参数是极值电流,电火花铣削加工工程陶瓷材料时,去除方式除了熔化、气化、抛出之外,由于陶瓷材料的脆性,崩裂也是材料的去除方式之一。低极值电流加工时,材料的去除方式以崩裂为主,熔化、气化为辅。随着加工极值电流的增大,氧化还原反应、熔化与抛出为材料去除的主要方式,加工表面不再存在崩裂痕。 应用Ansys对放电间隙电场进行仿真分析,应用Fluent对放电间隙流场进行仿真分析。建立了双针状电极仿真模型并进行仿真分析,两个针状电极的尖端都出现了极高的电场强度和梯度,有利于击穿电介质产生放电。对一个超声振动周期内加工间隙流场的压力场、速度场、颗粒分布场和极间中线颗粒浓度进行了仿真分析,研究超声振动对加工间隙流场的压力场、速度场、颗粒分布场和极间中线颗粒浓度的影响。


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