PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工技术研究

发布时间：2017-05-05 08:12

  本文关键词：PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工技术研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着市场对微小零件及精细模具产品需求的增加和微机电系统的应用,微细加工技术得到迅速发展。微细电火花加工作为一种非接触加工方法,具有宏观切削力小,材料适用范围广等优点,在液压气动产品、燃油喷射喷嘴及高精度光学产品加工应用中具有广泛的应用前景和技术优势。由于微细电火花加工精密度高,工具电极微细,放电能量小,极易造成排屑困难等影响加工状态的缺点,导致微细电火花加工状态不稳定、加工效率低、加工质量差等问题,影响了该技术的推广和应用。针对这一问题,在查阅国内外大量文献资料,分析微细电火花加工技术研究现状的基础上,基于PZT压电陶瓷的逆压电效应,提出了PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工方法。本文主要研究了PZT同步压缩放电通道微细电火花加工技术的放电加工机理,微能同步脉冲电源及加工系统研制,加工规律及成因分析,以及针对加工目标的参数优化。PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工中,高频微能同步脉冲晶体管电源为火花放电加工回路和PZT致动器回路提供同频驱动,实现了火花放电加工同时压缩放电通道的技术。利用PZT致动器在驱动电压增大时产生微小量伸长,电压减小时回缩的特性,在放电加工时压缩放电通道,改善了放电间隙的状态。这一方法原理简单,便于实现,能够有效的改善微细电火花加工的质量,提高加工效率,降低电极损耗,是一种新型的微细电火花加工技术,具有广阔的应用前景和推广价值。论文从电火花加工极间介质的击穿和放电通道的形成入手,开展同步压缩放电通道微细电火花加工机理研究。论文分析了放电通道的形成及带电粒子在放电通道中的运动规律,建立了放电通道的磁流体模型,证明了压缩放电通道对放电通道外加电场增强,从而可以提高放电通道中电子运动的速度；通过分析放电通道的扩张和位形变化,阐述了压缩放电通道对加剧放电通道振荡,增强放电通道波动性从而引起放电间隙状态变化的现象,从理论上解释了同步压缩放电通道微细电火花加工方法可以扩大放电面积,增加放电点,提高加工效率的特性；放电通道实际是高温电离气体,根据气体查理定律分析了压缩放电通道对通道内部压力的影响,证明了采取同步压缩放电通道的方法可以提高放电通道内部压力,增强火花加工的爆破力,促进极间蚀除产物的排出；对放电通道中的放电能量进行研究,揭示了压缩放电通道能够增强通道中电位梯度,增加放电通道中带电粒子能量,提高加工效率。通过对比试验,证明了采用PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工方法具有极间火花放电状态稳定,材料去除率高,工具电极损耗率低,能促进极间电蚀产物排出,增加极间火花放电率的特点。在研制基于PZT激励的同步压缩放电通道加工系统过程中,微能同步脉冲电源是本系统中的关键部件。本文详细介绍了微能同步脉冲晶体管电源的研制过程。在分析同步压缩放电通道微细电火花加工对脉冲电源放电能量的要求和对制动器回路驱动电压要求的基础上,利用PIC系列单片机作为脉冲发生源,输出可同时控制驱动电火花加工放电回路和PZT致动器驱动回路的基础脉冲信号,利用MOSFET功率管作为直流电路的开关元件,形成用于火花放电的脉冲信号。采用逆变电路和方波-正弦波转换电路,保证了PZT致动器回路获得了单相正弦驱动电压,使放电加工时PZT致动器产生简谐振动,实现了放电通道的压缩。在设计制造微能同步脉冲晶体管电源的基础上,开发了适合PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工的加工系统,包括高频高精度PZT致动器、花岗岩基座、高速精密主轴、高精度运动伺服机构、放电间隙平均电压检测及数据采集、运动控制器、数控CAM系统,微细电极在线制作系统等。利用自行研制的同步压缩放电通道微细电火花加工系统样机,开展单因素试验研究。针对被加工工件材料去除率、工具电极相对损耗率和被加工工件表面粗糙度三个方面的电火花加工质量技术指标,对比了压缩放电通道与不压缩放电通道微细电火花加工时开路电压、脉冲宽度、脉冲放电频率和峰值电流对加工质量的不同影响,得出了给定条件下改变单一加工因素参数水平对材料去除率、工具电极损耗、加工表面质量的影响规律,并分析了其原因。试验采用电子显微镜、白光干涉仪和扫描电镜等实验设备和手段,获得了不同单因素水平下工件材料去除率、工具电极相对损耗率和被加工工件表面粗糙度的数据变化曲线,以及被加工工件表面的微观形貌照片。研究表明,给定单因素试验条件下,采取同步压缩放电通道的加工方法可以获得比常规微细电火花加工更加稳定的加工状态,提高工件材料的去除率,降低工具电极的相对损耗率,形成更好的表面加工质量。为了获得更加理想的加工试验参数,实现材料去除率高、工具电极损耗率低,加工表面质量好的加工目标,本文在单因素试验的基础上,借助正交试验设计方法和信噪比分析法开展了PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工目标优化研究。采用望大特性信噪比计算公式获得以提高工件材料去除率为优化目标正交试验结果的信噪比值,采用望小特性信噪比计算公式获得了以降低工具电极损耗和被加工工件表面粗糙度为优化目标的正交试验结果的信噪比值,根据各因素对优化目标信噪比均值的影响关系得到获得最大工件材料去除率、最小工具电极相对损耗率和最小工件表面粗糙度的最优工艺参数组合,并利用实验验证了目标优化结果的可靠性。利用各因素对优化目标的信噪比均值极差,得出了各加工因素对优化目标的影响显著性顺序。文章最后利用所研制的同步压缩放电通道微细电火花加工系统样机进行了样件加工试验,成功进行了微细轴、微细孔、微孔阵列和微观图形的铣削加工,加工状态稳定,效率高,充分证明了该加工系统的可靠性和实用性。
【关键词】：微细电火花 PZT激励 压缩放电通道 加工机理 参数优化
【学位授予单位】：山东大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG661
【目录】：

• 摘要11-14
• ABSTRACT14-18
• 第1章 绪论18-38
• 1.1 电火花加工技术的发展研究现状及趋势18-28
• 1.1.1 电火花加工基础理论研究18-19
• 1.1.2 电火花加工工艺理论研究19-25
• 1.1.3 电火花加工的新工艺及发展25-28
• 1.2 微细电火花加工技术的研究及进展28-32
• 1.2.1 微细电火花加工技术的特点28-29
• 1.2.2 微细电火花加工技术研究及进展29-32
• 1.2.3 国内外电火花微细加工的技术水平32
• 1.3 PZT压电陶瓷技术32-35
• 1.3.1 压电陶瓷基本原理33
• 1.3.2 PZT压电陶瓷致动器33
• 1.3.3 压电驱动技术在电火花加工中的应用33-35
• 1.4 课题研究的目的及意义35-36
• 1.5 课题来源及主要研究内容36-38
• 第2章 同步压缩放电通道微细电火花加工机理及特点38-60
• 2.1 PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工原理38-42
• 2.1.1 加工原理简述38-40
• 2.1.2 加工系统组成40-42
• 2.2 同步压缩放电通道微细电火花加工作用机理分析42-51
• 2.2.1 极间介质的击穿与放电通道的形成42-45
• 2.2.2 放电通道的扩张与位形变化45-48
• 2.2.3 对放电通道中的压力的影响48-49
• 2.2.4 对放电通道中能量的影响49-51
• 2.3 同步压缩放电通道微细电火花加工的特点51-57
• 2.3.1 采用晶体管脉冲电源,放电状态稳定51-52
• 2.3.2 有效提高了材料去除率52-54
• 2.3.3 降低电极损耗54-55
• 2.3.4 促进极间电蚀产物的排出55-56
• 2.3.5 增加极间火花放电率56-57
• 2.4 本章小结57-60
• 第3章 同步压缩放电通道微细电火花加工系统设计60-82
• 3.1 微能同步脉冲晶体管电源的研制60-75
• 3.1.1 对所研制微能脉冲电源的基本要求60-63
• 3.1.2 微能同步脉冲晶体管电源的研制63-73
• 3.1.3 同步脉冲电源样机及性能73-75
• 3.2 同步压缩放电通道微细电火花实验装置75-78
• 3.2.1 微细电火花加工对系统的要求75-76
• 3.2.2 同步压缩放电通道微细电火花加工系统构成76-78
• 3.3 微细电火花加工数控系统78-80
• 3.4 微细工具电极的在线制作80-81
• 3.5 本章小结81-82
• 第4章 同步压缩放电通道微细电火花加工规律及成因分析82-98
• 4.1 微细电火花加工质量的衡量指标82-83
• 4.2 单因素试验设计83
• 4.3 加工工艺参数对加工效果的影响规律及成因83-96
• 4.3.1 开路电压的影响83-86
• 4.3.2 脉冲宽度的影响86-91
• 4.3.3 脉冲频率的影响91-94
• 4.3.4 峰值电流的影响94-96
• 4.4 本章小结96-98
• 第5章 同步压缩放电通道微细电火花加工目标优化研究98-110
• 5.1 正交试验设计与试验结果的信噪比分析98-101
• 5.1.1 正交试验设计98-99
• 5.1.2 信噪比分析99-101
• 5.2 同步压缩放电通道微细电火花加工的目标优化研究101-107
• 5.2.1 以提高工件材料去除率为优化目标的正交试验及分析101-103
• 5.2.2 以降低电极相对损耗率为优化目标的正交试验及分析103-105
• 5.2.3 以降低被加工工件表面粗糙度为优化目标的正交试验及分析105-107
• 5.3 加工样件107-108
• 5.4 本章小结108-110
• 结论110-114
• 参考文献114-126
• 致谢126-128
• 攻读博士学位期间所发表的学术论文128-130
• 已发表的英文文章130-146
• 学位论文评阅及答辩情况表146

【引证文献】

中国重要会议论文全文数据库 前3条

1 高正一;王春生;阚绪平;;超声混粉电火花复合镜面加工[A];2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年

2 赵万生;郭永丰;耿春明;;国外电火花加工最新技术[A];2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年

3 徐盛林;;气体中的放电加工工艺[A];2001年中国机械工程学会年会暨第九届全国特种加工学术年会论文集[C];2001年

  本文关键词：PZT激励同步压缩放电通道微细电火花加工技术研究，，由笔耕文化传播整理发布。

本文编号：345995