超聲振動——氣體介質(zhì)電火花復合加工技術(shù)及機理研究.pdf

1、氣體介質(zhì)電火花加工摒棄了傳統(tǒng)電火花加工使用的液體介質(zhì)，是一種新的綠色電火花加工技術(shù)，但其工藝、機理尚需進一步深入研究。超聲振動一氣體介質(zhì)電火花加工技術(shù)是在其基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型復合加工技術(shù)。工具或者工件附加超聲振動不僅顯著提高了氣體介質(zhì)電火花的加工效率，而且有效地避免了加工過程短路、電弧放電現(xiàn)象的發(fā)生。 對氣體介質(zhì)電火花加工理論進行了較為深入的研究。從氣體介質(zhì)的電導與擊穿、氣體介質(zhì)電火花加工的極性效應以及氣體介質(zhì)電火花加工電極材

2、料的蝕除過程等三個方面闡述了氣體介質(zhì)電火花加工理論。氣體介質(zhì)的放電過程是由Townsend擊穿開始，逐步過渡到流光擊穿的。系統(tǒng)分析了氣體介質(zhì)電火花加工極性效應的成因。氣體介質(zhì)電火花加工的極性效應與傳統(tǒng)液體介質(zhì)電火花加工有著根本的不同，當工具電極接脈沖電源負極、工件接脈沖電源正極時，工具電極的損耗非常少，并且這一規(guī)律不受脈沖寬度變化的影響。從氣體介質(zhì)電火花加工放電通道的形成與擴展、放電能量的轉(zhuǎn)換與分配、電極材料的拋出過程以及介質(zhì)的消電離過

3、程等幾個方面對電極材料的蝕除過程進行了研究。 提出了工具電極超聲振動一氣體介質(zhì)電火花復合加工新技術(shù)。加工過程將工具電極附加超聲振動，其最大優(yōu)點在于加工過程不受工件體積大小的限制，適用范圍廣。設(shè)計了超聲振動一氣體介質(zhì)電火花復合加工實驗設(shè)備。該設(shè)備主要由床身、脈沖電源系統(tǒng)、旋轉(zhuǎn)超聲供氣系統(tǒng)、超聲振動系統(tǒng)以及工作臺等幾個模塊組成，既可以進行工件超聲振動一氣體介質(zhì)電火花復合加工實驗，又可以進行工具電極超聲振動一氣體介質(zhì)電火花復合加工實驗

4、。其中旋轉(zhuǎn)超聲供氣系統(tǒng)的設(shè)計是本實驗設(shè)備的難點。 系統(tǒng)研究了材料去除率(MRR，material removal rate)隨著脈沖寬度、脈沖間隔、峰值電流、峰值電壓、氣體介質(zhì)壓力、電極壁厚等加工參數(shù)的變化規(guī)律。實驗結(jié)果表明，在其它條件不變時，材料去除率隨著脈沖寬度、峰值電流、峰值電教育部高等學校博士學科點專項科研基金(20030422014)以及國家自然科~(50575128)資助項目壓以及氣體介質(zhì)壓力的增大而增大，但隨著脈間

5、寬度、工具電極壁厚的增加而降低。實驗結(jié)果表明，最佳電極壁厚為0.3 mm，而且工件超聲振動加工時材料去除率要高于工具超聲振動加工時的材料去除率，這是因為工件超聲振動時，振動作用在工件上，起到了強化材料拋出的作用。綜合考慮了超聲振動等因素對材料拋出的影響，推導并建立了超聲振動一氣體介質(zhì)電火花加工材料去除率模型。該模型表明，材料去除率隨著脈沖寬度、峰值電流、峰值電壓以及氣體介質(zhì)壓力的增大而增大，隨著脈間寬度的增大而減小。提出了超聲振動一氣體

6、介質(zhì)電火花銑削加工技術(shù)，分析了管狀工具電極的損耗過程，研究了電極損耗的補償策略并對電極軌跡進行了優(yōu)化。實驗研究了放電參數(shù)對加工表面粗糙度的影響。實驗結(jié)果表明，加工表面粗糙度隨著脈沖寬度、峰值電流、峰值電壓的增大而增大。這是因為，電火花加工表面是由無數(shù)放電凹坑組成的，放電能量是影響放電凹坑體積的主要因素，而影響單脈沖放電能量的主要參數(shù)是脈沖寬度、峰值電流、峰值電壓。 系統(tǒng)研究了超聲振動-氣體介質(zhì)電火花復合加工過程工具電極的損耗。研

7、究結(jié)果表明，超聲振動-氣體介質(zhì)電火花加工電極損耗率較小，工件超聲振動加工時電極損耗率在5﹪以內(nèi)，并且不受脈沖寬度變化的影響。研究發(fā)現(xiàn)，工具電極超聲振動加工時電極損耗率要大于工件超聲振動加工時電極損耗率。從超聲振動作用影響工具電極強度的角度，分析了超聲振動影響工具電極損耗的機理。 對不同工件材料以及不同氣體介質(zhì)中的超聲振動-氣體介質(zhì)電火花復合加工進行了系統(tǒng)的研究。氮氣中電火花加工時，材料去除率明顯低于空氣中電火花加工。這是因為空氣

8、中加工時，空氣中的氧氣與工件材料發(fā)生的氧化作用促進了材料的去除。加工硬脆材料時，Nd-Fe-B材料的加工效率大于硬質(zhì)合金。 設(shè)計了超聲振動-氣體介質(zhì)環(huán)境下的單脈沖放電實驗，闡述了超聲振動改善氣體介質(zhì)電火花加工效果的機理。從超聲振動對氣體介質(zhì)電火花加工放電通道形成、放電凹坑形貌以及強化熔融電極材料拋出的影響等幾個方面闡述了超聲振動改善氣體介質(zhì)電火花加工效果的機理。分析了熔融液滴的受力模型，提出了超聲振動強化材料拋出的機理。分析結(jié)果

9、表明，超聲振動引起的慣性力能起到強化熔融材料拋出的作用。系統(tǒng)分析了超聲振動一氣體介質(zhì)電火花復合加工表面微觀形貌以及組織成分的變化情況。研究了超聲振動-氣體介質(zhì)電火花復合加工硬脆材料的表面裂紋特性，分析了加工表面顯微裂紋的形成機理。建立了氣體介質(zhì)電火花加工硬脆材料時的熱應力蝕除模型。硬脆材料熱應力蝕除過程可以分為熱應力形成、微裂紋形成、晶粒脫落、顆粒拋出四個階段。 對氣體介質(zhì)電火花加工單脈沖放電溫度場以及氣體流場進行了研究。建立了

10、氣體介質(zhì)電火花加工單脈沖放電溫度場的物理模型以及高斯分布熱流密度輸入模型，用ANSYS有限元分析軟件對氣體介質(zhì)電火花加工單脈沖放電溫度場進行了模擬，并與單脈沖放電實驗結(jié)果進行了比較。模擬結(jié)果表明，放電能量越大，放電中心溫度越高，放電凹坑越大，材料去除率也越大。對氣體介質(zhì)電火花加工氣體流場進行了較為深入的研究。建立了氣體介質(zhì)電火花加工氣體流場模型，并用FLUENT有限元軟件對氣體流場進行了模擬，得出了氣體流速、壓力等參數(shù)在放電間隙的分布規(guī)