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超声振动—气体介质电火花复合加工技术及机理研究

徐明刚  
【摘要】: 气体介质电火花加工摒弃了传统电火花加工使用的液体介质,是一种新的绿色电火花加工技术,但其工艺、机理尚需进一步深入研究。超声振动—气体介质电火花加工技术是在其基础上发展起来的新型复合加工技术。工具或者工件附加超声振动不仅显著提高了气体介质电火花的加工效率,而且有效地避免了加工过程短路、电弧放电现象的发生。 对气体介质电火花加工理论进行了较为深入的研究。从气体介质的电导与击穿、气体介质电火花加工的极性效应以及气体介质电火花加工电极材料的蚀除过程等三个方面阐述了气体介质电火花加工理论。气体介质的放电过程是由Townsend击穿开始,逐步过渡到流光击穿的。系统分析了气体介质电火花加工极性效应的成因。气体介质电火花加工的极性效应与传统液体介质电火花加工有着根本的不同,当工具电极接脉冲电源负极、工件接脉冲电源正极时,工具电极的损耗非常少,并且这一规律不受脉冲宽度变化的影响。从气体介质电火花加工放电通道的形成与扩展、放电能量的转换与分配、电极材料的抛出过程以及介质的消电离过程等几个方面对电极材料的蚀除过程进行了研究。 提出了工具电极超声振动—气体介质电火花复合加工新技术。加工过程将工具电极附加超声振动,其最大优点在于加工过程不受工件体积大小的限制,适用范围广。设计了超声振动—气体介质电火花复合加工实验设备。该设备主要由床身、脉冲电源系统、旋转超声供气系统、超声振动系统以及工作台等几个模块组成,既可以进行工件超声振动—气体介质电火花复合加工实验,又可以进行工具电极超声振动—气体介质电火花复合加工实验。其中旋转超声供气系统的设计是本实验设备的难点。 系统研究了材料去除率(MRR,material removal rate)随着脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、峰值电压、气体介质压力、电极壁厚等加工参数的变化规律。实验结果表明,在其它条件不变时,材料去除率随着脉冲宽度、峰值电流、峰值电压以及气体介质压力的增大而增大,但随着脉间宽度、工具电极壁厚的增加而降低。实验结果表明,最佳电极壁厚为0.3mm,而且工件超声振动加工时材料去除率要高于工具超声振动加工时的材料去除率,这是因为工件超声振动时,振动作用在工件上,起到了强化材料抛出的作用。综合考虑了超声振动等因素对材料抛出的影响,推导并建立了超声振动—气体介质电火花加工材料去除率模型。该模型表明,材料去除率随着脉冲宽度、峰值电流、峰值电压以及气体介质压力的增大而增大,随着脉间宽度的增大而减小。提出了超声振动—气体介质电火花铣削加工技术,分析了管状工具电极的损耗过程,研究了电极损耗的补偿策略并对电极轨迹进行了优化。 实验研究了放电参数对加工表面粗糙度的影响。实验结果表明,加工表面粗糙度随着脉冲宽度、峰值电流、峰值电压的增大而增大。这是因为,电火花加工表面是由无数放电凹坑组成的,放电能量是影响放电凹坑体积的主要因素,而影响单脉冲放电能量的主要参数是脉冲宽度、峰值电流、峰值电压。 系统研究了超声振动—气体介质电火花复合加工过程工具电极的损耗。研究结果表明,超声振动—气体介质电火花加工电极损耗率较小,工件超声振动加工时电极损耗率在5%以内,并且不受脉冲宽度变化的影响。研究发现,工具电极超声振动加工时电极损耗率要大于工件超声振动加工时电极损耗率。从超声振动作用影响工具电极强度的角度,分析了超声振动影响工具电极损耗的机理。 对不同工件材料以及不同气体介质中的超声振动—气体介质电火花复合加工进行了系统的研究。氮气中电火花加工时,材料去除率明显低于空气中电火花加工。这是因为空气中加工时,空气中的氧气与工件材料发生的氧化作用促进了材料的去除。加工硬脆材料时,Nd-Fe-B材料的加工效率大于硬质合金。 设计了超声振动—气体介质环境下的单脉冲放电实验,阐述了超声振动改善气体介质电火花加工效果的机理。从超声振动对气体介质电火花加工放电通道形成、放电凹坑形貌以及强化熔融电极材料抛出的影响等几个方面阐述了超声振动改善气体介质电火花加工效果的机理。分析了熔融液滴的受力模型,提出了超声振动强化材料抛出的机理。分析结果表明,超声振动引起的惯性力能起到强化熔融材料抛出的作用。 系统分析了超声振动—气体介质电火花复合加工表面微观形貌以及组织成分的变化情况。研究了超声振动—气体介质电火花复合加工硬脆材料的表面裂纹特性,分析了加工表面显微裂纹的形成机理。建立了气体介质电火花加工硬脆材料时的热应力蚀除模型。硬脆材料热应力蚀除过程可以分为热应力形成、微裂纹形成、晶粒脱落、颗粒抛出四个阶段。 对气体介质电火花加工单脉冲放电温度场以及气体流场进行了研究。建立了气体介质电火花加工单脉冲放电温度场的物理模型以及高斯分布热流密度输入模型,用ANSYS有限元分析软件对气体介质电火花加工单脉冲放电温度场进行了模拟,并与单脉冲放电实验结果进行了比较。模拟结果表明,放电能量越大,放电中心温度越高,放电凹坑越大,材料去除率也越大。对气体介质电火花加工气体流场进行了较为深入的研究。建立了气体介质电火花加工气体流场模型,并用FLUENT有限元软件对气体流场进行了模拟,得出了气体流速、压力等参数在放电间隙的分布规律。


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