微细电火花加工过程中的尺度效应研究

发布时间：2020-10-10 11:27

　　 随着微机电系统的快速发展,微尺度零部件和微型结构的应用越来越广泛,精度要求越来越高,这对微细加工技术也就提出了更高的要求。传统的微细切削技术均为接触式加工,具有较大的切削力,在微尺度切削时会导致工件变形,影响加工精度。作为特种加工技术之一,微细电火花加工属于非接触式加工,宏观作用力极小,依靠火花放电产生的局部高温实现材料去除,非常适合微小零部件的加工。微细电火花加工技术通常被看作是宏观电火花加工技术在微尺度领域的应用,然而,大量的研究表明,由于尺度效应的影响,微细电火花加工在加工机理和加工性能方面呈现出了许多与宏观电火花加工完全不同的特性。对微细电火花加工中的尺度效应进行系统研究,揭示其形成机制、作用机理和影响规律,有利于更好地应用该加工技术,提高加工性能的可预测性和可控性。本文从形成机制、作用机理和影响规律三个方面对微尺度放电条件下的尺度效应进行了系统研究。从介质击穿和放电通道扩展的角度,研究了尺度效应的形成机制。对现有的电介质击穿机制进行了对比分析,提出了一种适用于微细电火花加工的新的气泡-电子击穿机制。从放电通道内带电粒子受力的角度,对等离子放电通道扩展阶段进行了理论分析,推导了放电通道扩展加速度的变化规律。基于放电通道平衡条件,得到了放电通道内部磁感应强度和压强分布表达式。理论分析结果表明,微尺度电火花加工和宏观电火花加工在电介质击穿和放电通道扩展方面均存在较大差异,这些差异必将会引起能量传递的不同,进一步导致加工性能的差异,从而引起微尺度放电条件下的尺度效应。研究微尺度放电过程中的能量分配,分析了尺度效应的作用机理。分析了微尺度与宏观尺度电火花加工在材料去除方式上的差异,提出了适用于微细电火花加工的电热理论模型。基于电热理论模型,提出了通过对比微细电火花加工单脉冲放电凹坑尺寸和计算得到的温度分布规律来确定放电过程中的能量分配和放电通道直径的方法。开发了最小脉宽可达1μs的微能脉冲电源,并利用微能脉冲电源分别进行了正极性加工和负极性加工单脉冲放电实验,研究了放电持续时间和放电电流对放电凹坑深径比、放电通道直径和能量分配的影响规律。研究结果表明,在微尺度放电条件下,阳极表面放电通道半径大于阴极表面放电通道半径,而且放电持续时间越短,二者之间的差异越大。此外,传入电极的能量百分比随放电持续时间的增长而增大,而且放电电流越小,放电持续时间对放电能量分配的影响越明显,这种电参数尺度对能量分配的影响是导致微尺度放电过程中尺度效应的重要原因。研究了工具电极形状和旋转对微细电火花加工性能的影响,随着放电能量的微小化,工具电极最佳转速呈现明显的尺度效应。对放电间隙内的电蚀产物进行了受力分析,仿真分析了电极形状和转向对电介质流动特性的影响。螺旋电极正转和反转所获得的加工效果存在很大差异,螺旋电极正转能够获得较高的加工精度,而螺旋电极反转能够获得较大的材料去除率。此外,在不同的放电能量下进行了电火花钻削实验,选取材料去除率、相对电极损耗率和短路次数作为加工性能的评价指标,实验结果表明,随着放电能量的微小化,在最佳转速方面呈现出了明显的尺度效应,最佳转速随放电能量的减小而逐渐减小,这是因为较小的放电能量对放电通道的维持能力不强,放电通道很容易被“拉断”,所以对应较小的最佳转速。研究了电火花加工中工具电极尺度微小化引起的尺度效应。理论分析了工具电极直径对极间电场强度和放电能量的影响规律,并对极间电场强度进行了仿真分析,采用微尺度(直径小于500μm)和宏观尺度(直径大于500μm)的工具电极进行电火花加工实验,研究了工具电极直径对材料去除率、表面粗糙度和材料迁移等加工性能的影响。研究结果表明,电极直径的微小化会导致极间局部电场强度的增大和放电能量的减小,从而导致材料去除率和电极损耗率降低;相对电极损耗率呈现出了显著的尺度效应,在微细电火花加工范畴内,相对电极损耗率随电极直径的减小而减小,而在宏观电火花加工范畴内,相对电极损耗率随电极直径的减小而增大;此外,表面粗糙度和材料迁移也呈现出了不同程度的尺度效应现象,而且放电能量越小,尺度效应越明显。定量评估了微尺度放电条件下的尺度效应。基于正交实验和相似理论,提出了微细电火花加工中的尺度效应评估方法,并通过正交实验验证了该方法的有效性,对尺度效应的类型和程度进行了分析。研究结果表明,开路电压、电容和电极直径尺度的微小化导致在材料去除率、相对电极损耗率和过切方面呈现出了不同程度的尺度效应,开路电压是对微细电火花加工中尺度效应影响最显著的因素;随着加工尺度的微小化,加工方式由宏观电火花加工逐渐转变为微细电火花加工,由此产生的尺度效应属于正尺度效应,而且,加工尺度微小化程度越高,尺度效应越显著。
【学位单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TG661
【部分图文】：

电火花线切割加工（Ｗｉｒｅ?Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，简称?Ｗｉｒｅ?ＥＤＭ）??技术是采用直径为０．１？〇．３ｍｍ的工具电极丝进行放电加工，通过数控系统实现??走丝运动和进给运动，如图１－１所示，钼丝、钨丝和铜丝是最常用的工具电极［１３，??１４］。线电极通常垂直于工件表面，在数控系统的精确控制下，电火花线切割加工??技术可在二维平面内加工出复杂的几何形状［１５］，通过改变电极丝导向轮的角度，??也可用于简单的三维形貌加工，但无法用于盲孔加工。??储丝筒??放电间隙??导向轮??储丝筒??图ｉ－ｉ线切割加工示意图Ｍ??根据走丝速度的差异，将电火花线切割技术分为低速走丝线切割技术、高速??走丝电火花线切割技术和自旋转线切割技术。低速走丝线切割技术也就是通常所??说的“慢走丝”线切割技术，电极丝单向运动，不重复使用，走丝速度通常低于??０．２ｍｍ／ｓ，由于走丝速度较小，电极丝基本不存在抖动的问题，因此，该方法具??有较高的加工精度。高速走丝线切割技术的走丝速度通常为６？１２ｍｍ／ｓ，在电极??丝的往复运动过程中

电解电火花复合加工技术??统的电火花加工不同，电解电火花复合加工（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ，简称ＥＣＤＭ）中所使用的工作液并不是电介质，而是含有解液。在该加工方法中，在电极表面首先发生电解反应，氢离极）表面获得电子，发生还原反应，产生氢气，氢气分子逐渐渐扩大，在工具和工件之间形成气泡桥，从而在电极之间产生导致气泡被击穿并产生火花放电，从而实现工件材料的去除，件电极）表面发生的氧化反应同样能够起到蚀除工件材料的作去除是电解反应和火花放电共同作用的结果。??助电极的帮助下，该加工方法还可用于非导电材料的加工如图和工具电极分别作为电解反应的阳极和阴极，在工具表面产生花放电不再发生于工具与工件之间，而是在工具和电解液之间生的瞬时高温和冲击力蚀除工件材料［３２］。??电源??

第１章绪论??当背吃刀量（图１－４中的／０减小至与晶粒同等量级时，切削过程即变成圆弧状??的切削刃对单个晶粒的切割去除［＠。??（ａ）?（ｂ）??／ＩＸａ?—ｈ???ｘ?ｆ?丁、，－?■?．?‘?？?？?／?■?￣：￣：￣ａ，??■ｗ〇ｒｋｐｉｆｔ＜＾／ｙＶｘ?ｘｘ?／?Ｋ入Ｘ．Ｘ产０ｒｋｐｔｅｃ＇０ＸＸＸＡ＂Ａ??ｙ＼／ｖ?＼／?＼／?ｙ?Ｖ?＼／Ｎ?＾?Ｖ｜?．．．?／?／??图１＊４切削加工示意图：（ａ）宏观尺度切削；（ｂ）微尺度切削［６Ｑ］??晶粒和晶界是液态金属材料在结晶过程中逐渐形成的，它们之间的物理性能??和力学性能存在较大差异，但这种差异对宏观切削过程的影响不大。在微切削中，??当刀具经过晶界时，加工条件发生变化，引起切削力变化，从而加剧刀具的振动??和磨损［６１，６２］。??Ａｒａｍｃｈａｒｏｅｎ等［６Ｇ］研究了微细切削中的主切削力随背吃刀量与刀尖圆弧半??径比值的变化规律。随着背吃刀量与刀尖圆弧半径比值的减小，微细切削中的主??切削力逐渐增大，当该比值小于１时，主切削力急剧增大，呈现出了明显的尺度??效应。Ｌｉｕ等［６３］通过微切削实验研究发现尺度效应对微切削中的切削力、切削厚??度、切屑类型和表面粗糙度等指标均有明显的影响。??由以上分析可知
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本文编号：2835119