摘要：微细电火花加工是一种非接触式的、宏观切削力很小的加工历程,大大减轻了工具与工件之间的力学负担,并且微细电火花加工可控性好、能加工任何强度和硬度的导电材料,使其在微细轴、微小孔及微三维结构等微细制造方面具有独特的技术优势和广阔的运用前景。但微细电火花加工历程也有着因放电能量及放电间隙微小而导致的放电状态不稳定、加工效率低、电极损耗大的缺点,严重制约着该技术在微细加工领域的广泛运用。由此,迫切需要探讨开发高效率、高稳定性、低电极损耗的新型微细电火花加工技术,以适应微细制造领域的进展需要。本论文查阅了大量的微细电火花加工的相关文献资料,系统浅析了当前微细电火花加工技术探讨近况及未来进展走势。在此基础上,基于压电陶瓷的逆压电效应提出了一种新型微细电火花加工策略——压电自适应微细电火花加工。该加工策略通过压电致动器将放电间隙调节装置与放电能量发生装置有机集成在一起,实现了加工历程中放电问隙与放电状态的自适应调节。该策略原理及结构简单,制约方便,能有效提升微细电火花的加工效率、降低其电极损耗,为高深径比的微小孔及异型孔的加工提供了很好的解决案例,是一种有着广阔前景的微细电火花加工技术。压电自适应微细电火花加工的加工原理、加工历程及加工特性与常规电火花加工相比有一定的特殊性,为了进一步揭示其本质,本论文对压电自适应微细电火花的加工机理进行了深入探讨。通过单脉冲放电凹坑的浅析,建立了压电自适应微细电火花单脉冲放电凹坑直径的回归模型,并在此基础上建立了压电自适应微细电火花微小孔加工的材料去除率模型。分别以介质击穿、放电通道形成、放电能量的转换与分配、电蚀产物的抛出、介质消电离等方面对压电自适应微细电火花的放电机理进行了深入探讨。探讨结果表明在压电自适应微细电火花加工历程中电蚀产物的抛出主要是由热爆炸力、磁流体动力等综合作用的结果；压电自适应微细电火花加工能够实现短路自消除,提升了系统的制约效率,降低系统对微细电火花伺服制约的灵敏度要求；工件与电极之间的周期性自适应伸缩运动能够在一定程度上推动电蚀产物的抛出及工作液的消电离,改善放电环境,以而提升放电状态的稳定性,并且能够增加工具电极与工件之间的火花放电频率,进而提升加工效率。本论文针对压电自适应微细电火花的独特特点,设计并研制了一套压电自适应微细电火花加工系统。该系统由机械与电气两大部分组成。机械部分主要由花岗岩基座、宏微伺服系统、精密旋转主轴、微细电极的在线反拷及检测系统等部分组成。电气部分主要包括微能脉冲电源、电路检测与反馈回路、接触感知回路等组成部分。伺服制约系统是微细电火花加工系统中不可或缺的组成部分,性能优良的伺服制约系统是实现微细电火花加工历程稳定进行的可靠保证。本论文探讨的伺服制约系统采取压电致动器与直流伺服电机驱动的滚珠丝杠宏微结合的方式,既能实现较大行程的进给,又能实现很高的进给分辨率和定位精度。在加工历程中压电致动器利用其高频特性根据放电状态对放电间隙进行自适应调节,使放电间隙始终保持在最佳范围之内,保证电火花高效稳定加工。微细电极的在线制作与检测是制约微细电火花加工技术进展的瓶颈。本论文在浅析各种电极在线制作的优缺点的基础上,采取切向反拷法实现电极的在线制作。并充分利用机床本身的接触感知功能及数控系统来实现电极直径的在线精确测量。较高的材料去除率、较低的电极损耗及良好的表面质量一直是微细电火花加工追求的目标。本论文围绕微小孔电火花加工历程中各项工艺目标的实现途径,基于正交试验利用信噪比浅析法探讨了开路电压、电容值、限流电阻、主轴转速、初始进给速度等加工参数对加工时间、电极损耗、表面粗糙度等各项工艺目标的影响规律,并在此基础上对单目标工艺参数进行了优化。探讨结果表明对工艺目标的要求不同,所得到的工艺参数的优化组合也有所不同,甚至有时是相互矛盾的。针对这一不论文引入了灰关联浅析法。在正交试验的基础上,利用信噪比浅析法对试验结果进行浅析,然后利用灰关联度对计算结果进行优化浅析,将多目标工艺参数的优化不足转化为单目标灰关联度的工艺参数的优化,得到压电自适应微细电火花微小孔加工的多项工艺目标下的参数优化组合。验证试验结果表明,基于信噪比及灰关联度的优化策略可以在一定程度上提升加工效率、加工表面质量,降低工具电极损耗。系统的试验探讨是评价所研制的微细电火花加工系统性能的最佳策略,本论文最后针对所研制的压电自适应微细电火花加工系统进行了加工实验探讨。验证了该系统加工微细轴、微小孔及简单微三维结构的能力,充分说明了本加工系统的广泛实用性。关键词：微细电火花加工论文压电致动器论文自适应论文短路自消除论文参数优化论文
摘要11-14
Abstract14-17
第1章 绪论17-33
1.1 电火花加工技术的进展走势及工艺进展17-23
1.1.1 电火花加工技术的进展走势17-20
1.1.2 电火花加工工艺进展20-23
1.2 电火花用于微细加工的技术优势23-25
1.3 微细电火花加工技术的最新探讨与进展25-31
1.3.1 微细电火花加工的最新探讨25-26
1.3.2 微小型电火花加工装置的最新探讨与进展26-31
1.4 本课题的探讨目的和作用31-32
1.5 本课题的来源及探讨内容32-33
第2章 压电自适应微细电火花加工机理探讨33-59
2.1 压电自适应电火花加工原理及加工历程33-35
2.1.1 加工系统33-34
2.1.2 加工历程34-35
2.2 压电自适应微细电火花加工机理探讨35-43
2.2.1 极间介质的击穿及放电通道的形成35-37
2.2.2 极间放电能量的转换与分配37-41
2.2.3 电蚀产物的抛出41-42
2.2.4 极间介质的消电离42-43
2.3 压电自适应微细电火花加工材料去除率模型探讨43-51
2.3.1 单脉冲放电凹坑直径的试验回归模型43-47
2.3.2 材料去除率模型47-50
2.3.3 材料去除率模型的试验验证50-51
2.4 压电自适应微细电火花加工特性探讨51-57
2.4.1 实现短路自消除,提升制约效率52-53
2.4.2 提升加工历程稳定性53
2.4.3 提升加工效率53-55
2.4.4 降低电极损耗55-56
2.4.5 实现超低电压下的电火花加工56-57
2.4.6 易于实现伺服制约57
2.5 本章小结57-59
第3章 压电自适应微细电火花加工装置的设计与实现59-77
3.1 微细电火花加工的实现条件59-61
3.1.1 对加工表面质量的要求59-60
3.1.2 对脉冲电源的要求60
3.1.3 对微细电极的在线制作与检测的要求60
3.1.4 对伺服制约系统的要求60-61
3.1.5 对旋转主轴的要求61
3.2 压电自适应微细电火花加工装置的总体案例61-62
3.3 加工装置设计与实现62-73
3.3.1 花岗岩基座62-63
3.3.2 基于压电陶瓷的宏微伺服机构63-64
3.3.3 精密旋转主轴64
3.3.4 工件振动64-65
3.3.5 工具电极的在线制作与检测系统65-69
3.3.6 微能脉冲电源69-70
3.3.7 间隙检测与反馈回路70-73
3.3.8 接触感知回路73
3.4 压电自适应微细加工系统的实现73-75
3.5 本章小结75-77
第4章 压电自适应微细电火花加工工艺探讨77-99
4.1 正交试验设计77-82
4.1.1 正交试验设计策略77-78
4.1.2 试验案例设计78-82
4.2 信噪比浅析82-83
4.2.1 信噪比概念82-83
4.2.2 信噪比计算83
4.3 加工参数对放电效果的影响浅析83-97
4.3.1 各参数对加工时间的影响84-89
4.3.2 加工参数对电极损耗的影响89-92
4.3.3 加工参数对表面粗糙度的影响92-97
4.4 本章小结97-99
第5章 微小孔多目标下的工艺参数的优化探讨99-111
5.1 灰色关联浅析策略99-103
5.1.1 灰色关联浅析概念100
5.1.2 灰色关联浅析步骤100-103
5.2 微小孔工艺参数的优化103-109
5.2.1 正交试验设计103-106
5.2.2 灰关联浅析106-108
5.2.3 多指标下的参数优化108-109
5.3 验证试验109-110
5.4 本章小结110-111
第6章 压电自适应微细电火花加工实验探讨111-117
6.1 微细轴加工实验111-112
6.2 微小孔加工实验112
6.3 简单微结构加工实验112-116
6.3.1 微细电火花分层铣削112-113
6.3.2 电极损耗补偿对策113-114
6.3.3 伺服扫描加工历程114-115
6.3.4 简单微三维结构115-116
6.4 本章小结116-117
结论117-121
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