壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工技術(shù)及機(jī)理研究.pdf

1、微細(xì)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(xué)負(fù)擔(dān)，并且微細(xì)電火花加工可控性好、能加工任何強(qiáng)度和硬度的導(dǎo)電材料，使其在微細(xì)軸、微小孔及微三維結(jié)構(gòu)等微細(xì)制造方面具有獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢和廣闊的應(yīng)用前景。但微細(xì)電火花加工過程也存在因放電能量及放電間隙微小而導(dǎo)致的放電狀態(tài)不穩(wěn)定、加工效率低、電極損耗大的缺點(diǎn)，嚴(yán)重制約著該技術(shù)在微細(xì)加工領(lǐng)域的廣泛應(yīng)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(xì)電火花加工技術(shù)，以適應(yīng)微細(xì)制造領(lǐng)域的發(fā)展需要。
　　 本文查閱了大量的微細(xì)電火花加工的相關(guān)文獻(xiàn)資料，系統(tǒng)分析了當(dāng)前微細(xì)電火花加工技術(shù)研究現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，基于壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)提出了一種新型微細(xì)電火花加工方法——壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工。該加工方法通過壓電致動器將放電間隙調(diào)節(jié)裝置與放電能量發(fā)生裝置有機(jī)集成在一起，實(shí)現(xiàn)了加工過程中放電間隙與放電狀態(tài)的自適應(yīng)調(diào)節(jié)。該方法原理及結(jié)構(gòu)簡單，控制方便，能有效提高微細(xì)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(xì)電火花加工技術(shù)。
　　 壓電自適應(yīng)微細(xì)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(jìn)一步揭示其本質(zhì)，本文對壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花的加工機(jī)理進(jìn)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(yīng)微細(xì)電火花單脈沖放電凹坑直徑的回歸模型，并在此基礎(chǔ)上建立了壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花微小孔加工的材料去

4、除率模型。分別從介質(zhì)擊穿、放電通道形成、放電能量的轉(zhuǎn)換與分配、電蝕產(chǎn)物的拋出、介質(zhì)消電離等方面對壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花的放電機(jī)理進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明在壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工過程中電蝕產(chǎn)物的拋出主要是由熱爆炸力、磁流體動力等綜合作用的結(jié)果;壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工能夠?qū)崿F(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(xì)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(yīng)伸縮運(yùn)動能夠在一定程度上促進(jìn)電蝕產(chǎn)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(jìn)而提高加工效率。
　　 本文針對壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花的獨(dú)特特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并研制了一套壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花加工系統(tǒng)。該系統(tǒng)由機(jī)械與電氣兩大部分組成。機(jī)械部分主要由花崗巖基座、宏微伺服系統(tǒng)、精密旋轉(zhuǎn)主軸、微細(xì)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(xì)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(shí)現(xiàn)微細(xì)電火花加工過程穩(wěn)定進(jìn)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(jī)驅(qū)動的滾珠絲杠宏微結(jié)合的方式，既能實(shí)現(xiàn)較大行程的進(jìn)給，又能實(shí)現(xiàn)很高的進(jìn)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(jù)放電狀態(tài)對放電間隙進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，使放電間隙始終保持在最佳范圍之內(nèi)，保證電火花高效穩(wěn)定加工。
　　 微細(xì)電極的在線制作與檢測是制約微細(xì)電火花加工技術(shù)

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(diǎn)的基礎(chǔ)上，采用切向反拷法實(shí)現(xiàn)電極的在線制作。并充分利用機(jī)床本身的接觸感知功能及數(shù)控系統(tǒng)來實(shí)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(zhì)量一直是微細(xì)電火花加工追求的目標(biāo)。本文圍繞微小孔電火花加工過程中各項(xiàng)工藝目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)途徑，基于正交試驗(yàn)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(zhuǎn)速、初始進(jìn)給速度等加工參數(shù)對加工時間、電極損耗、表面粗糙度等

8、各項(xiàng)工藝目標(biāo)的影響規(guī)律，并在此基礎(chǔ)上對單目標(biāo)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。研究結(jié)果表明對工藝目標(biāo)的要求不同，所得到的工藝參數(shù)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(guān)聯(lián)分析法。在正交試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，利用信噪比分析法對試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，然后利用灰關(guān)聯(lián)度對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化分析，將多目標(biāo)工藝參數(shù)的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)灰關(guān)聯(lián)度的工藝參數(shù)的優(yōu)化，得到壓電自適應(yīng)微細(xì)電火花微小孔加工的多項(xiàng)工藝目標(biāo)下的參數(shù)優(yōu)化組合。驗(yàn)證試驗(yàn)結(jié)果表明，基