超聲振動(dòng)——?dú)怏w介質(zhì)電火花復(fù)合加工技術(shù)及機(jī)理研究.pdf

1、氣體介質(zhì)電火花加工摒棄了傳統(tǒng)電火花加工使用的液體介質(zhì)，是一種新的綠色電火花加工技術(shù)，但其工藝、機(jī)理尚需進(jìn)一步深入研究。超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花加工技術(shù)是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型復(fù)合加工技術(shù)。工具或者工件附加超聲振動(dòng)不僅顯著提高了氣體介質(zhì)電火花的加工效率，而且有效地避免了加工過(guò)程短路、電弧放電現(xiàn)象的發(fā)生。 對(duì)氣體介質(zhì)電火花加工理論進(jìn)行了較為深入的研究。從氣體介質(zhì)的電導(dǎo)與擊穿、氣體介質(zhì)電火花加工的極性效應(yīng)以及氣體介質(zhì)電火花加工電極材

2、料的蝕除過(guò)程等三個(gè)方面闡述了氣體介質(zhì)電火花加工理論。氣體介質(zhì)的放電過(guò)程是由Townsend擊穿開(kāi)始，逐步過(guò)渡到流光擊穿的。系統(tǒng)分析了氣體介質(zhì)電火花加工極性效應(yīng)的成因。氣體介質(zhì)電火花加工的極性效應(yīng)與傳統(tǒng)液體介質(zhì)電火花加工有著根本的不同，當(dāng)工具電極接脈沖電源負(fù)極、工件接脈沖電源正極時(shí)，工具電極的損耗非常少，并且這一規(guī)律不受脈沖寬度變化的影響。從氣體介質(zhì)電火花加工放電通道的形成與擴(kuò)展、放電能量的轉(zhuǎn)換與分配、電極材料的拋出過(guò)程以及介質(zhì)的消電離過(guò)

3、程等幾個(gè)方面對(duì)電極材料的蝕除過(guò)程進(jìn)行了研究。 提出了工具電極超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工新技術(shù)。加工過(guò)程將工具電極附加超聲振動(dòng)，其最大優(yōu)點(diǎn)在于加工過(guò)程不受工件體積大小的限制，適用范圍廣。設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)設(shè)備。該設(shè)備主要由床身、脈沖電源系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)超聲供氣系統(tǒng)、超聲振動(dòng)系統(tǒng)以及工作臺(tái)等幾個(gè)模塊組成，既可以進(jìn)行工件超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)，又可以進(jìn)行工具電極超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)

4、。其中旋轉(zhuǎn)超聲供氣系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是本實(shí)驗(yàn)設(shè)備的難點(diǎn)。 系統(tǒng)研究了材料去除率(MRR，material removal rate)隨著脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、峰值電壓、氣體介質(zhì)壓力、電極壁厚等加工參數(shù)的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在其它條件不變時(shí)，材料去除率隨著脈沖寬度、峰值電流、峰值電教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20030422014)以及國(guó)家自然科~(50575128)資助項(xiàng)目壓以及氣體介質(zhì)壓力的增大而增大，但隨著脈間

5、寬度、工具電極壁厚的增加而降低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，最佳電極壁厚為0.3 mm，而且工件超聲振動(dòng)加工時(shí)材料去除率要高于工具超聲振動(dòng)加工時(shí)的材料去除率，這是因?yàn)楣ぜ曊駝?dòng)時(shí)，振動(dòng)作用在工件上，起到了強(qiáng)化材料拋出的作用。綜合考慮了超聲振動(dòng)等因素對(duì)材料拋出的影響，推導(dǎo)并建立了超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花加工材料去除率模型。該模型表明，材料去除率隨著脈沖寬度、峰值電流、峰值電壓以及氣體介質(zhì)壓力的增大而增大，隨著脈間寬度的增大而減小。提出了超聲振動(dòng)一氣體

6、介質(zhì)電火花銑削加工技術(shù)，分析了管狀工具電極的損耗過(guò)程，研究了電極損耗的補(bǔ)償策略并對(duì)電極軌跡進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)研究了放電參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加工表面粗糙度隨著脈沖寬度、峰值電流、峰值電壓的增大而增大。這是因?yàn)椋娀鸹庸け砻媸怯蔁o(wú)數(shù)放電凹坑組成的，放電能量是影響放電凹坑體積的主要因素，而影響單脈沖放電能量的主要參數(shù)是脈沖寬度、峰值電流、峰值電壓。 系統(tǒng)研究了超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工過(guò)程工具電極的損耗。研

7、究結(jié)果表明，超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)電火花加工電極損耗率較小，工件超聲振動(dòng)加工時(shí)電極損耗率在5﹪以內(nèi)，并且不受脈沖寬度變化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，工具電極超聲振動(dòng)加工時(shí)電極損耗率要大于工件超聲振動(dòng)加工時(shí)電極損耗率。從超聲振動(dòng)作用影響工具電極強(qiáng)度的角度，分析了超聲振動(dòng)影響工具電極損耗的機(jī)理。 對(duì)不同工件材料以及不同氣體介質(zhì)中的超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。氮?dú)庵须娀鸹庸r(shí)，材料去除率明顯低于空氣中電火花加工。這是因?yàn)榭諝?/p>

8、中加工時(shí)，空氣中的氧氣與工件材料發(fā)生的氧化作用促進(jìn)了材料的去除。加工硬脆材料時(shí)，Nd-Fe-B材料的加工效率大于硬質(zhì)合金。 設(shè)計(jì)了超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)環(huán)境下的單脈沖放電實(shí)驗(yàn)，闡述了超聲振動(dòng)改善氣體介質(zhì)電火花加工效果的機(jī)理。從超聲振動(dòng)對(duì)氣體介質(zhì)電火花加工放電通道形成、放電凹坑形貌以及強(qiáng)化熔融電極材料拋出的影響等幾個(gè)方面闡述了超聲振動(dòng)改善氣體介質(zhì)電火花加工效果的機(jī)理。分析了熔融液滴的受力模型，提出了超聲振動(dòng)強(qiáng)化材料拋出的機(jī)理。分析結(jié)果

9、表明，超聲振動(dòng)引起的慣性力能起到強(qiáng)化熔融材料拋出的作用。系統(tǒng)分析了超聲振動(dòng)一氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工表面微觀形貌以及組織成分的變化情況。研究了超聲振動(dòng)-氣體介質(zhì)電火花復(fù)合加工硬脆材料的表面裂紋特性，分析了加工表面顯微裂紋的形成機(jī)理。建立了氣體介質(zhì)電火花加工硬脆材料時(shí)的熱應(yīng)力蝕除模型。硬脆材料熱應(yīng)力蝕除過(guò)程可以分為熱應(yīng)力形成、微裂紋形成、晶粒脫落、顆粒拋出四個(gè)階段。 對(duì)氣體介質(zhì)電火花加工單脈沖放電溫度場(chǎng)以及氣體流場(chǎng)進(jìn)行了研究。建立了

10、氣體介質(zhì)電火花加工單脈沖放電溫度場(chǎng)的物理模型以及高斯分布熱流密度輸入模型，用ANSYS有限元分析軟件對(duì)氣體介質(zhì)電火花加工單脈沖放電溫度場(chǎng)進(jìn)行了模擬，并與單脈沖放電實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了比較。模擬結(jié)果表明，放電能量越大，放電中心溫度越高，放電凹坑越大，材料去除率也越大。對(duì)氣體介質(zhì)電火花加工氣體流場(chǎng)進(jìn)行了較為深入的研究。建立了氣體介質(zhì)電火花加工氣體流場(chǎng)模型，并用FLUENT有限元軟件對(duì)氣體流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，得出了氣體流速、壓力等參數(shù)在放電間隙的分布規(guī)