壓電自適應微細電火花加工技術及機理研究.pdf

1、微細電火花加工是一種非接觸式的、宏觀切削力很小的加工過程，大大減輕了工具與工件之間的力學負擔，并且微細電火花加工可控性好、能加工任何強度和硬度的導電材料，使其在微細軸、微小孔及微三維結構等微細制造方面具有獨特的技術優(yōu)勢和廣闊的應用前景。但微細電火花加工過程也存在因放電能量及放電間隙微小而導致的放電狀態(tài)不穩(wěn)定、加工效率低、電極損耗大的缺點，嚴重制約著該技術在微細加工領域的廣泛應用。因此，迫切需要研究開發(fā)高效率、高穩(wěn)定性、低電極損耗的新型微

2、細電火花加工技術，以適應微細制造領域的發(fā)展需要。
　　 本文查閱了大量的微細電火花加工的相關文獻資料，系統(tǒng)分析了當前微細電火花加工技術研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。在此基礎上，基于壓電陶瓷的逆壓電效應提出了一種新型微細電火花加工方法——壓電自適應微細電火花加工。該加工方法通過壓電致動器將放電間隙調節(jié)裝置與放電能量發(fā)生裝置有機集成在一起，實現(xiàn)了加工過程中放電間隙與放電狀態(tài)的自適應調節(jié)。該方法原理及結構簡單，控制方便，能有效提高微細電火花

3、的加工效率、降低其電極損耗，為高深徑比的微小孔及異型孔的加工提供了很好的解決方案，是一種有著廣闊前景的微細電火花加工技術。
　　 壓電自適應微細電火花加工的加工原理、加工過程及加工特性與常規(guī)電火花加工相比有一定的特殊性，為了進一步揭示其本質，本文對壓電自適應微細電火花的加工機理進行了深入研究。通過單脈沖放電凹坑的分析，建立了壓電自適應微細電火花單脈沖放電凹坑直徑的回歸模型，并在此基礎上建立了壓電自適應微細電火花微小孔加工的材料去

4、除率模型。分別從介質擊穿、放電通道形成、放電能量的轉換與分配、電蝕產物的拋出、介質消電離等方面對壓電自適應微細電火花的放電機理進行了深入研究。研究結果表明在壓電自適應微細電火花加工過程中電蝕產物的拋出主要是由熱爆炸力、磁流體動力等綜合作用的結果;壓電自適應微細電火花加工能夠實現(xiàn)短路自消除，提高了系統(tǒng)的控制效率，降低系統(tǒng)對微細電火花伺服控制的靈敏度要求;工件與電極之間的周期性自適應伸縮運動能夠在一定程度上促進電蝕產物的拋出及工作液的消電離

5、，改善放電環(huán)境，從而提高放電狀態(tài)的穩(wěn)定性，并且能夠增加工具電極與工件之間的火花放電頻率，進而提高加工效率。
　　 本文針對壓電自適應微細電火花的獨特特點，設計并研制了一套壓電自適應微細電火花加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機械與電氣兩大部分組成。機械部分主要由花崗巖基座、宏微伺服系統(tǒng)、精密旋轉主軸、微細電極的在線反拷及檢測系統(tǒng)等部分組成。電氣部分主要包括微能脈沖電源、電路檢測與反饋回路、接觸感知回路等組成部分。
　　 伺服控制系統(tǒng)是微

6、細電火花加工系統(tǒng)中不可或缺的組成部分，性能優(yōu)良的伺服控制系統(tǒng)是實現(xiàn)微細電火花加工過程穩(wěn)定進行的可靠保證。本文研究的伺服控制系統(tǒng)采用壓電致動器與直流伺服電機驅動的滾珠絲杠宏微結合的方式，既能實現(xiàn)較大行程的進給，又能實現(xiàn)很高的進給分辨率和定位精度。在加工過程中壓電致動器利用其高頻特性根據放電狀態(tài)對放電間隙進行自適應調節(jié)，使放電間隙始終保持在最佳范圍之內，保證電火花高效穩(wěn)定加工。
　　 微細電極的在線制作與檢測是制約微細電火花加工技術

7、發(fā)展的瓶頸。本文在分析各種電極在線制作的優(yōu)缺點的基礎上，采用切向反拷法實現(xiàn)電極的在線制作。并充分利用機床本身的接觸感知功能及數控系統(tǒng)來實現(xiàn)電極直徑的在線精確測量。
　　 較高的材料去除率、較低的電極損耗及良好的表面質量一直是微細電火花加工追求的目標。本文圍繞微小孔電火花加工過程中各項工藝目標的實現(xiàn)途徑，基于正交試驗利用信噪比分析法研究了開路電壓、電容值、限流電阻、主軸轉速、初始進給速度等加工參數對加工時間、電極損耗、表面粗糙度等

8、各項工藝目標的影響規(guī)律，并在此基礎上對單目標工藝參數進行了優(yōu)化。研究結果表明對工藝目標的要求不同，所得到的工藝參數的優(yōu)化組合也有所不同，甚至有時是相互矛盾的。針對這一問題本文引入了灰關聯(lián)分析法。在正交試驗的基礎上，利用信噪比分析法對試驗結果進行分析，然后利用灰關聯(lián)度對計算結果進行優(yōu)化分析，將多目標工藝參數的優(yōu)化問題轉化為單目標灰關聯(lián)度的工藝參數的優(yōu)化，得到壓電自適應微細電火花微小孔加工的多項工藝目標下的參數優(yōu)化組合。驗證試驗結果表明，基