大气和水雾介质中往复走丝线切割加工机理及实验研究

摘要

大气和水雾介质中线切割加工是以大气和水雾作为加工介质，取代了传统的液体介质，符合绿色制造的潮流，具有广阔的应用前景。由于大气和水雾中线切割加工提高了表面质量和加工效率，因而受到了广泛关注，为线切割加工工艺开辟了新的途径。但大气和水雾介质在物理、化学性能等方面与传统的液体介质存在着较大的差异，其放电加工性能不同于液中加工，因而有必要对大气和水雾介质中线切割加工的放电机理、极间放电特性、材料蚀除机理和加工工艺特性进行系统的研究。
　　本文对大气和水雾介质中线切割加工机理和极间放电特性进行了深入分析。大气放电是由汤逊击穿开始，逐步发展到流注击穿的过程;水雾介质由于雾滴的存在，极间电场发生畸变，致使击穿电压比大气中低，放电间隙增大;根据不同放电状态对应不同的电压和电流特点，提出粒子群优化支持向量机的放电状态检测技术来实时辨别各类放电状态，基于LABVIEW平台设计并搭建了放电状态检测系统，并在往复走丝线切割机床上利用该系统实现了不同介质中放电状态的在线检测，这为进一步研究大气和水雾加工机理提供了一种新的手段。
　　对大气中线切割单脉冲放电进行了仿真分析和材料蚀除量建模研究。建立了大气中线切割单脉冲放电的温度场模型，应用有限元软件对温度场进行了仿真分析，得到了定脉宽不同峰值电流和定峰值电流不同脉宽下的电蚀坑大小和深度的变化规律;基于温度场分析进行了熔融场分析，得到了单脉冲放电形成的电蚀坑形貌;对线切割连续脉冲放电时，加工表面形成的电蚀坑的叠加情况进行了深入的分析，得到了几种电蚀坑均匀分布下的最大表面粗糙度和材料蚀除量的计算方法，为大气中线切割连续放电加工材料蚀除机理的研究提供了一定的理论基础。
　　提出了多介质组合的多次切割新工艺，即初次切割阶段采用乳化液介质，过渡切割阶段采用水雾介质（蒸汽水雾或超声水雾），最终切割阶段采用大气的多次切割新工艺;与均采用液体介质的多次切割工艺相比，该新工艺方法不仅改善了加工表面质量，还提高了切割速度和材料蚀除率，为提高线切割加工质量提供了一条新途径。
　　研究了大气和水雾介质中往复走丝线切割精加工特性。对比分析了不同加工介质中线切割精加工的表面粗糙度、切割速度、材料蚀除率、直线度和加工表面的微观形貌等指标;并采用单因素实验研究了脉冲宽度、峰值电流和水雾量等加工参数对水雾介质中表面粗糙度等工艺指标的影响规律，分析相关的影响机理;基于多因素实验建立了水雾介质中各工艺指标的回归模型，得到了各因素对工艺指标的影响显著性;并采用加权综合评价法建立了综合模型;为找到对线切割各工艺指标都合适的参数，采用多响应曲面优化法得到了优化组合方案，提高了线切割整体的加工性能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 研究背景

1．2 大气和水雾介质中电火花加工研究现状

1．2．1 大气介质中电火花研究现状

1．2．2 雾中电火花研究现状

1．2．3 混气电火花研究现状

1．2．4 大气和水雾介质中线切割研究现状

1．3 电火花放电状态检测技术研究现状

1．4 电火花有限元仿真研究现状

1．5 课题来源及研究的目的和意义

1．6 主要研究内容

第2章 大气和水雾介质中线切割放电机理及放电状态分析

2．1 大气介质的电导和击穿

2．2 雾滴对击穿电压和放电间隙的影响

2．3 线切割放电微观过程分析

2．3．1 放电通道形成

2．3．2 电极材料熔化

2．3．3 蚀除材料抛出

2．3．4 介质消电离

2．4 线切割放电状态的分类fn手tJgIJ

2．4．1 放电状态的分类

2．4．2 放电状态的判别

2．5 不同介质中线切割精N-F放电波形比较分析

2．5．1 实验装置及加工介质

2．5．2 不同介质中放电波形比较分析

2．6 采用智能算法分类的线切割放电状态检测

2．6．1 粒子群算法优化支持向量机

2．6．2 检测模型的比较分析

2．6．3 放电状态检测系统的建立

2．7 放电状态检测应用实验

2．7．1 乳化液中初次切割实验

2．7．2 不同介质中线切割正常加工时的火花率分布

2．8 本章小结

第3章 大气中线切割单脉冲放电的仿真分析及材料蚀除量建模研究

3．1 大气中线切割单脉冲放电的温度场模型

3．1．1 物理模型

3．1．2 热流密度模型和数学模型

3．1．3 电蚀坑的受压变形

3．1．4 初始和边界条件

3．1．5 电极间能量的分配系数

3．1．6 放电j苗道半径的估算

3．1．7 单元类型和材料物性参数的设置

3．1．8 建模及网格划分

3．2 仿真结果分析

3．2．1 温度场仿真分析

3．2．2 电参数对电蚀坑几何尺寸的影响

3．2．3 熔融场分析

3．2．4 考虑反粘层的电蚀坑模型

3．3 大气中线切割加工最大表面粗糙度及材料蚀除量建模

3．3．1 电蚀坑分布的假设和分类

3．3．2 最大表面粗糙度简化模型

3．3．3 材料蚀除量简化模型

3．3．4 模型分析

3．4 本章小结

第4章 蒸汽水雾中过渡切割阶段(第二次切割)加工特性研究

4．1 多次切割中加工介质的选择

4．1．1 第一次切割加工介质的选择

4．1．2 第二次切割加工介质的选择

4．1．3 第三次及第四次切割加工介质的选择

4．2 蒸汽水雾中过渡切割阶段的加工特性研究

4．2．1 脉冲宽度对工艺指标的影响

4．2．2 峰值电流对工艺指标的影响

4．2．3 工作台进给速度对工艺指标的影响

4．2．4 偏移量对工艺指标的影响

4．2．5 脉冲间隔比对工艺指标的影响

4．2．6 工件厚度对工艺指标的影响

4．3 蒸汽水雾中精加工回归模型的建立及参数优化

4．3．1 实验设计

4．3．2 实验结果分析

4．3．3 加权综合模型的建立

4．3．4 多目标优化

4．4 本章小结

第5章 超声水雾中过渡切割阶段(第三次切割)加工特性研究

5．1 不同介质中线切割第三次切割对比研究

5．1．1 表面粗糙度分析

5．1．2 切割速度分析

5．1．3 实际切深分析

5．1．4 材料蚀除率分析

5．1．5 间隙电压和间隙电流分析

5．1．6 直线度分析

5．1．7 显微硬度分析

5．1．8 放电状态分析

5．1．9 微观形貌分析

5．1．1 0表面成分分析

5．2 超声水雾中过渡切割阶段的加工特性研究

5．2．1 脉冲宽度对工艺指标的影响

5．2．2 峰值电流对工艺指标的影响

5．2．3 工作台进给速度对工艺指标的影响

5．2．4 偏移量对工艺指标的影响

5．2．5 脉冲间隔比对工艺指标的影响

5．2．6 工件厚度对工艺指标的影响

5．3 超声水雾中精加工回归模型的建立及参数优化

5．3．1 实验设计

5．3．2 实验结果分析

5．3．3 加权综合模型的建立

5．3．4 多目标优化

5．4 多介质组合的多次切割对比实验

5．5 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间获得的学术成果

致谢