PZT激勵(lì)同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工技術(shù)研究.pdf

1、隨著市場(chǎng)對(duì)微小零件及精細(xì)模具產(chǎn)品需求的增加和微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用，微細(xì)加工技術(shù)得到迅速發(fā)展。微細(xì)電火花加工作為一種非接觸加工方法，具有宏觀切削力小，材料適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在液壓氣動(dòng)產(chǎn)品、燃油噴射噴嘴及高精度光學(xué)產(chǎn)品加工應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢(shì)。由于微細(xì)電火花加工精密度高，工具電極微細(xì)，放電能量小，極易造成排屑困難等影響加工狀態(tài)的缺點(diǎn)，導(dǎo)致微細(xì)電火花加工狀態(tài)不穩(wěn)定、加工效率低、加工質(zhì)量差等問(wèn)題，影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。針對(duì)這一問(wèn)題

2、，在查閱國(guó)內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料，分析微細(xì)電火花加工技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于PZT壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，提出了PZT激勵(lì)同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工方法。本文主要研究了PZT同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工技術(shù)的放電加工機(jī)理，微能同步脈沖電源及加工系統(tǒng)研制，加工規(guī)律及成因分析，以及針對(duì)加工目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化。
　　PZT激勵(lì)同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工中，高頻微能同步脈沖晶體管電源為火花放電加工回路和PZT致動(dòng)器回路提供同頻驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了

3、火花放電加工同時(shí)壓縮放電通道的技術(shù)。利用PZT致動(dòng)器在驅(qū)動(dòng)電壓增大時(shí)產(chǎn)生微小量伸長(zhǎng)，電壓減小時(shí)回縮的特性，在放電加工時(shí)壓縮放電通道，改善了放電間隙的狀態(tài)。這一方法原理簡(jiǎn)單，便于實(shí)現(xiàn)，能夠有效的改善微細(xì)電火花加工的質(zhì)量，提高加工效率，降低電極損耗，是一種新型的微細(xì)電火花加工技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。
　　論文從電火花加工極間介質(zhì)的擊穿和放電通道的形成入手，開展同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工機(jī)理研究。論文分析了放電通道的形成

4、及帶電粒子在放電通道中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，建立了放電通道的磁流體模型，證明了壓縮放電通道對(duì)放電通道外加電場(chǎng)增強(qiáng)，從而可以提高放電通道中電子運(yùn)動(dòng)的速度;通過(guò)分析放電通道的擴(kuò)張和位形變化，闡述了壓縮放電通道對(duì)加劇放電通道振蕩，增強(qiáng)放電通道波動(dòng)性從而引起放電間隙狀態(tài)變化的現(xiàn)象，從理論上解釋了同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工方法可以擴(kuò)大放電面積，增加放電點(diǎn)，提高加工效率的特性;放電通道實(shí)際是高溫電離氣體，根據(jù)氣體查理定律分析了壓縮放電通道對(duì)通道內(nèi)部壓力的

5、影響，證明了采取同步壓縮放電通道的方法可以提高放電通道內(nèi)部壓力，增強(qiáng)火花加工的爆破力，促進(jìn)極間蝕除產(chǎn)物的排出;對(duì)放電通道中的放電能量進(jìn)行研究，揭示了壓縮放電通道能夠增強(qiáng)通道中電位梯度，增加放電通道中帶電粒子能量，提高加工效率。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，證明了采用PZT激勵(lì)同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工方法具有極間火花放電狀態(tài)穩(wěn)定，材料去除率高，工具電極損耗率低，能促進(jìn)極間電蝕產(chǎn)物排出，增加極間火花放電率的特點(diǎn)。
　　在研制基于PZT激勵(lì)的同步

6、壓縮放電通道加工系統(tǒng)過(guò)程中，微能同步脈沖電源是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。本文詳細(xì)介紹了微能同步脈沖晶體管電源的研制過(guò)程。在分析同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工對(duì)脈沖電源放電能量的要求和對(duì)制動(dòng)器回路驅(qū)動(dòng)電壓要求的基礎(chǔ)上，利用PIC系列單片機(jī)作為脈沖發(fā)生源，輸出可同時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電火花加工放電回路和PZT致動(dòng)器驅(qū)動(dòng)回路的基礎(chǔ)脈沖信號(hào)，利用MOSFET功率管作為直流電路的開關(guān)元件，形成用于火花放電的脈沖信號(hào)。采用逆變電路和方波-正弦波轉(zhuǎn)換電路，保證了PZ

7、T致動(dòng)器回路獲得了單相正弦驅(qū)動(dòng)電壓，使放電加工時(shí)PZT致動(dòng)器產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了放電通道的壓縮。
　　在設(shè)計(jì)制造微能同步脈沖晶體管電源的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適合PZT激勵(lì)同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工的加工系統(tǒng)，包括高頻高精度PZT致動(dòng)器、花崗巖基座、高速精密主軸、高精度運(yùn)動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)、放電間隙平均電壓檢測(cè)及數(shù)據(jù)采集、運(yùn)動(dòng)控制器、數(shù)控CAM系統(tǒng)，微細(xì)電極在線制作系統(tǒng)等。
　　利用自行研制的同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工系統(tǒng)樣機(jī)，開展

8、單因素試驗(yàn)研究。針對(duì)被加工工件材料去除率、工具電極相對(duì)損耗率和被加工工件表面粗糙度三個(gè)方面的電火花加工質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，對(duì)比了壓縮放電通道與不壓縮放電通道微細(xì)電火花加工時(shí)開路電壓、脈沖寬度、脈沖放電頻率和峰值電流對(duì)加工質(zhì)量的不同影響，得出了給定條件下改變單一加工因素參數(shù)水平對(duì)材料去除率、工具電極損耗、加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并分析了其原因。試驗(yàn)采用電子顯微鏡、白光干涉儀和掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)設(shè)備和手段，獲得了不同單因素水平下工件材料去除率、工具電

9、極相對(duì)損耗率和被加工工件表面粗糙度的數(shù)據(jù)變化曲線，以及被加工工件表面的微觀形貌照片。研究表明，給定單因素試驗(yàn)條件下，采取同步壓縮放電通道的加工方法可以獲得比常規(guī)微細(xì)電火花加工更加穩(wěn)定的加工狀態(tài)，提高工件材料的去除率，降低工具電極的相對(duì)損耗率，形成更好的表面加工質(zhì)量。
　　為了獲得更加理想的加工試驗(yàn)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)材料去除率高、工具電極損耗率低，加工表面質(zhì)量好的加工目標(biāo)，本文在單因素試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，借助正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法和信噪比分析法開展了P

10、ZT激勵(lì)同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工目標(biāo)優(yōu)化研究。采用望大特性信噪比計(jì)算公式獲得以提高工件材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)正交試驗(yàn)結(jié)果的信噪比值，采用望小特性信噪比計(jì)算公式獲得了以降低工具電極損耗和被加工工件表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)的正交試驗(yàn)結(jié)果的信噪比值，根據(jù)各因素對(duì)優(yōu)化目標(biāo)信噪比均值的影響關(guān)系得到獲得最大工件材料去除率、最小工具電極相對(duì)損耗率和最小工件表面粗糙度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并利用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
　　利用各因素對(duì)優(yōu)化