钛合金冷电极电火花加工关键技术研究

发布时间：2021-03-03 22:33

钛合金作为一种具有优异性能的难切削加工金属材料,对其便捷有效的加工方法一直是科研人员关注的重点。电火花加工技术是一种没有宏观加工力的特种加工方法,非常适合对比强度大、耐磨性好的钛合金材料进行加工。但钛合金材料的低热导率特性使其在电火花成型精加工过程中稳定性较差且电极损耗较大。本文提出了一种通过对工具电极进行强制散热的冷电极电火花加工方法,利用电火花加工中两极的不对称散热方式强化工具电极散热并以此达到提高钛合金电火花加工极间冷却、排屑及消电离作用的目的,并进一步降低工具电极损耗,达到改善钛合金电火花成型加工稳定性及提高工艺指标的目的,为此本文进行了以下工作:(1)设计了基于热管高效换热以及基于半导体PN结Peltier效应的冷电极结构,对两种类型冷电极性能进行了对比分析,最终使用半导体制冷片型冷电极实现了电极温度的有效控制。设计了基于放电电流检测的电火花单脉冲放电检测控制系统,为研究钛合金冷电极电火花放电特性奠定了良好基础。(2)对比分析了冷电极与常规电极放电时电压、电流波形,研究表明冷电极放电时存在明显的通道热量补偿阶段。建立了冷电极放电通道模型,阐述了冷电极压缩放电通道机理。(3)分别采用冷电极和常规电极在相同放电条件下进行单脉冲放电试验,分析了电极温度对电火花放电间隙的影响以及对电极抗蚀系数影响。采用ANSYS有限元分析对极间温度场进行了仿真,从理论上论证了冷电极低损耗的特性。(4)进行了冷电极与常规电极加工拐角精度对比试验,证实了冷电极能缩小放电间隙,提高仿形加工的拐角精度。对冷电极和常规电极加工后工件表面微观形貌进行了研究。(5)对冷电极电火花加工的工艺规律进行探索,分析了电极温度,极性效应,电参数(脉宽,脉间,峰值电流)及介质特性对冷电极电火花加工指标(材料蚀除效率,电极相对损耗)的影响并进行了优化。
【学位授予单位】：南京航空航天大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG661

文章目录

摘要

Abstract

注释表

第一章绪论

1.1 钛合金性能特点及应用

1.1.1 钛合金材料的分类及性能特点

1.1.2 钛合金材料的应用

1.2 钛合金材料机械加工技术

1.2.1 钛合金材料机械加工难点

1.2.2 钛合金材料机械加工技术研究现状

1.3 钛合金材料电火花加工技术

1.3.1 电火花加工技术简介

1.3.2 钛合金电火花加工技术研究现状

1.4 强制冷却技术在机械加工中应用研究

1.4.1 强制冷却在常规机械加工工艺应用研究

1.4.2 强制冷却在电火花加工工艺应用研究

1.5 本课题研究意义及主要内容

1.5.1 课题研究意义

1.5.2 课题主要研究内容

第二章试验系统及设备

2.1 冷电极电火花加工单脉冲试验平台

2.1.1 单脉冲放电检测系统

2.1.2 极间放电状态的判断

2.2 冷电极结构及原理

2.2.1 热管型冷电极

2.2.2 半导体制冷片—Peltier效应

2.3 试验机床及辅助测量设备

2.3.1 试验机床

2.3.2 辅助测量设备

2.4 本章小结

第三章钛合金冷电极电火花放电特性

3.1 钛合金冷电极电火花单脉冲试验

3.1.1 单脉冲试验原理

3.1.2 单脉冲试验条件及参数

3.2 冷电极放电加工极间状态

3.2.1 极间电子发射形成放电通道

3.2.2 电场作用下极间电子发射电流密度

3.2.3 温度场和电场共同作用下极间电子发射电流密度

3.3 冷电极对极间维持电压的影响

3.3.1 最小电压原理

3.3.2 高温状态下的极间维持电压

3.3.3 低温状态下的极间维持电压

3.4 冷电极对放电通道的压缩作用

3.4.1 冷电极压缩放电通道原理

3.4.2 冷电极压缩放电通道验证试验

3.5 本章小结

第四章钛合金冷电极电火花加工工艺性能

4.1 冷电极低损耗特性

4.1.1 冷电极抗蚀能力分析

4.1.2 冷电极低损耗验证

4.2 冷电极温度场有限元分析

4.2.1 热力学分析基础理论及ANSYS简介

4.2.2 放电间隙有限元模型

4.2.3 冷电极有限元仿真结果分析

4.3 冷电极小放电间隙特性

4.3.1 电极温度对放电间隙的影响

4.3.2 冷电极电火花加工拐角精度

4.4 钛合金冷电极电火花加工对比试验

4.4.1 材料蚀除效率与相对损耗对比

4.4.2 加工表面质量

4.4.3 表面裂纹分析

4.5 本章小结

第五章钛合金冷电极电火花加工工艺试验

5.1 电极温度对冷电极电火花加工指标的影响

5.2 冷电极电火花加工中的极性效应

5.3 电参数对冷电极电火花加工指标的影响

5.3.1 脉冲宽度的影响

5.3.2 脉冲间隔的影响

5.3.3 峰值电流的影响

5.4 介质特性对冷电极电火花加工指标的影响

5.5 本章小结

第六章总结与展望

6.1 论文完成的主要工作

6.2 后续研究工作展望

参考文献

致谢

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