去除电火花切割工件表面凹坑和再凝固物质方法研究

发布时间：2020-04-12 07:58

【摘要】：当使用电火花线切割技术切割工件时,材料是通过熔化和汽化被去除的,由于这样的材料去除机理,电火花切割后的工件表面布满着无数火花凹坑和再凝固物质组成的重铸层,导致工件表面质量不高。重铸层对材料的其他性能,例如疲劳强度,抗腐蚀性能和使用寿命也会造成不良的影响。针对此问题,本文研究去除电火花切割工件表面凹坑和再凝固物质的方法,提高工件表面质量。针对电火花切割金属导电材料,提出电火花-电解复合线切割(Wire Electrical Discharge-Electrochemical Machining,WEDCM)的方法,将电解加工和电火花切割结合起来,利用电解阳极溶解的方法去除电火花切割工件表面产生凹坑和再凝固物质,提高工件表面质量。分析WEDCM改善表面形貌和粗糙度的机理并进行了实验验证。分析了电解阶段电极丝的进给速度和工件在电极丝两次进给之间的移动距离,对工件最终表面质量的影响;探索了电极丝在电解阶段采用高速、多次进给的情况下提高工件表面质量的方法。针对WEDCM方法工艺复杂的问题,提出慢速进给-WEDCM以简化其工艺过程,并进行了实验研究;对比了WEDCM和慢速进给-WEDCM对于提高工件表面质量的差异。随后,基于双电层模型和法拉第定律,针对WEDCM和慢速进给-WEDCM两种方法建立起分析模型,在WEDCM方法中,模型建立目标是为了确定在电解阶段电极丝合适的进给速度。研究得到了在相同厚度再凝固物质需要被溶解的条件下电极丝在电解阶段的进给速度和工件移动距离之间的关系,以及它们对工件表面质量的影响规律,并且得到了工件为了获得良好的表面质量,电极丝在电解阶段的进给速度和工件移动距离的合理的取值范围。在慢速进给-WEDCM方法中,通过建立模型找到电极丝合适的进给速度从而利用电解溶解来去除再凝固物质提高工件表面质量。研究了电极丝进给速度对工件表面质量的影响及合理的取值范围。分析了工件表面条纹的成分和产生的原因,以及条纹去除的方法和原理。对两种方法的模型进行了实验验证,并且对误差进行了分析。结果表明,计算模型能够反应两种加工方法中电极丝合适的进给速度。两种模型的误差均来自于加工过程中电极丝的振动而导致加工的不稳定性。由于电解加工无法加工半导体材料,因此针对半导体材料的电火花切割,提出了线锯-电火花复合切割(Wire Saw WEDM,W-WEDM)半导体去除表面凹坑和再凝固物质,在切割过程中,采用带有金刚石磨粒的线锯丝作为工具,并使线锯丝和工件相互接触,使用火花放电和金刚石磨粒共同去除材料,进而去除电火花切割后产生的凹坑和再凝固物质。首先从理论上分析了W-WEDM的原理,随后用实验验证了其可行性,对W-WEDM的材料去除机理进行了分析,是电火花和金刚石磨粒共同去除材料的,由于有金刚石磨粒的磨削作用,W-WEDM能够去除电火花切割产生的火花凹坑和再凝固物质,降低电火花切割工件表面粗糙度。同时结合相关实验,对三种切割方法,即W-WEDM、线锯切割和WEDM在切割效率、表面元素残留、切缝宽度、线锯丝的磨损等方面进行了对比。
【图文】：

研究背景加工加工(Electrical discharge machining,EDM)是一种常见的特种加工方造、机械加工等行业，一般可以分为电火花成型加工(EDM)和电trical discharge machining,WEDM)。电火花加工最早可以追溯到 17oseph Priestly 发现了放电产生火花的侵蚀现象[1]。然而直到 1943 年enko 夫妇才发明了电火花加工。到 1980 年代，随着数控机床加工时在加工效率上得到了很大的提高[1]。火花加工中材料的去除技术仍有争议，但目前广泛接受的电火花加基础的材料去除机理，即电火花加工是一个热的过程，材料去除是量的热来去除的。图 1-1 所示的是电火花加工的原理。

000℃，甚至高达 20，000℃，远远高于常见材料的熔于熔化和汽化从而被去除[3; 4]，如图 1-1(d)所示。两极间的每一次材料，每次放电去除材料的体积的大约为 10-6-10-4mm3，材料去除mm3/min 之间[1]，材料去除后，工件表面上会形成放电凹坑。在加极间每次只会产生一个电火花[5]，即单通道放电（加工半导体材料）。但是火花产生的频率可以达到每秒 2000~500,000 次，因此在电火起来在一瞬间有很多的火花同时产生[5]。在放电的最终阶段，等离介质气体爆炸，从两极的材料中喷射出材料形成碎屑，由于工作液的带走，本次放电结束，，如图 1-1(e)所示。电火花在加工过程中，材当中去除的，而且从电极当中也进行了去除，因此电极会产生磨极和工件当中同时去除材料的，这样会增大电极和工件之间的距离在两极之间更近的点发生的，如图 1-1(f)所示。这个加工过程反复线切割（WEDM）是传统电火花加工的一种特殊形式，它是一种加工的变体，图 1-2 是它的切割原理。
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN305

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本文编号：2624475