电化学放电线切割加工过程控制系统研究

发布时间：2020-04-24 10:18

【摘要】：随着微电子、半导体和航空航天等领域科技的发展,工业陶瓷、光学玻璃等难导电硬脆材料逐渐起着越来越重要的作用。石英、陶瓷等硬脆材料具有独特的物理性能,如高硬度、高熔点以及高脆性等,且相较于常见的金属材料,它们还具有难导电、低膨胀系数、耐磨损和与有机体相容等优势,所以硬脆材料的应用十分广泛。电化学放电加工(ECDM)方法在难导电硬脆材料的微细加工方面具有巨大优势,该方法不需要复杂的设备,加工成本低,而且加工过程中无机械力,具有良好的加工柔性,通过调节加工参数条件,能够获得良好的加工质量。因此,本文展开了针对该加工方法的机理研究和实验研究。首先,针对微细电化学放电线切割加工方法,分析了加工过程中,气膜的形成过程、放电加工过程以及放电能量的分配渠道等,并使用ANSYS软件对单次放电传热进行了建模仿真,通过高速摄像机对加工过程进行了观察分析。发现放电的发生是高效蚀除材料的前提,且实际加工的放电凹坑小于仿真结果。主要原因是一部分能量会作用于放电通道附近的电解液。当加工工件以SiO_2为主要成分,且碱性溶液作为电解液时,化学反应也是材料去除的主要原理之一,所以加工表面存在很多沟渠现象。其次,搭建了基于电极丝与工件之间的接触力为反馈信号的控制进给的电化学放电线切割加工(WECDM)实验平台,建立了电极丝与工件之间的力与位移的模型分析,并在该实验平台上采用润湿的供液方式对石英材料进行了加工实验,探究了不同电压类型、进给速度、接触力等加工参数对加工效果的影响规律。在该实验平台上加工得到的微槽槽宽约180μm,表面均匀,且相对于开环控制进给方式,减少了过切现象,验证了基于力信号反馈控制进给方式的实用性和稳定性。在以上搭建的实验平台上,通过分析材料蚀除的三个阶段,分别提出了“进给-静止-回退”控制策略和基于PID算法的控制策略,并对进给轴速度和力信号进行了采集分析,通过调节PID参数,达到了较好的控制效果。相对于前者,PID算法控制策略下的进给轴速度波动范围变小,进给更加平稳。从石英玻璃的加工实验中可以看出,开环控制加工到深槽区域时,会出现压丝状况,导致加工无法继续,且加工表面质量不佳;“进给-静止-回退”控制策略下,加工效率随着加工深度的增加而逐渐降低;而基于PID算法的控制策略下,加工效率较为稳定,且运用PID算法的控制策略可以有效提高加工效率,显著改善加工表面质量。针对电化学放电线切割加工方法,设计了基于力信号反馈控制进给的模糊控制系统,以加工过程中的力反馈信号以及其变化率作为输入,根据加工实验制定了模糊控制规则,将进给轴的进给速度作为输出,并使用MATLAB软件对该系统进行了仿真。在此基础上,将模糊控制系统应用到了闭环控制进给的WECDM加工平台上,并进行了微槽加工实验。相较于PID算法控制,模糊控制系统有效的改善了微槽两侧的过切现象,加工得到的工件槽宽约160μm,且加工效率提高了大约五倍,验证了模糊控制策略在电化学放电线切割加工过程中的实用性。
【图文】：

硬脆材料,非导电,绪论

第一章绪论第一章绪论及意义、半导体和航空航天等领域科技的发展，工业陶瓷、光学玻着越来越重要的作用。因为石英、陶瓷等硬脆材料具有独特点以及高脆性等，且相较于常见金属材料，它们还具有难导与有机体相容等优势，故硬脆材料的应用十分广泛，图 1-材料在工业上的一些应用。料特殊的物理性能，使得其机械加工变得困难。因为传统的削等，，在加工过程中存在宏观切削力，因此很难实现微小零是特种加工方法应运而生[1]。

放电加工,电化学,微结构

江南大学硕士学位论文理、气膜的形成与厚度特征、放电强度等过程上；工艺参数方面主要包括电源参数、电解液种类和浓度、工具电极的形状和转速以及进给控制方法等；加工对象包括陶瓷、石英、复合材料等[18]。图 1-3 为应用电化学放电加工方法对非导电硬脆材料进行加工得到的微型工件。
【学位授予单位】：江南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TB30

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