冷电极电火花加工温度控制及蚀除机理研究

摘要

电火花加工是一种不存在宏观力的特种加工方法，可以加工各种难加工材料、复杂形状零件和有特殊要求的零件。但是电火花加工也存在电极损耗大、加工过程不稳定、仿形精度低和加工表面质量差等缺点，尤其是加工比强度高、热导率低的难加工材料如钛合金时，缺点更明显。针对常规电火花加工过程中存在的问题，本文提出一种在工具电极上加装强制散热系统的冷电极温度控制加工方法，通过两极间不对称散热控制电极处于较低温度，使极间快速消电离，降低电弧放电概率，达到改善加工稳定性，降低电极损耗，提高仿形精度和表面加工质量的目的。本文主要研究内容如下：
　　(1)设计冷电极结构和温度控制系统，设计搭建单脉冲放电试验平台。对热管型冷电极和半导体制冷片型冷电极装置进行性能分析，最终选择半导体制冷片型冷电极组成电极冷却装置。设计了电极温度控制系统，能够对电极温度进行有效控制。设计搭建了基于放电电流检测的单脉冲试验平台，为研究冷电极电火花加工材料蚀除机理奠定了良好的基础。
　　(2)分析了电极温度对极间放电特性的影响。从理论上分析了电极温度对放电通道半径、电蚀坑半径和极间电子发射电流密度的影响，解释了冷电极对放电通道的压缩作用和冷电极低损耗和小间隙的特性。
　　(3)仿真分析电极温度对极间温度场的影响，并通过单脉冲试验验证仿真结果。建立了电火花极间放电模型，利用 ANSYS软件对不同电极温度下电火花放电极间温度场进行有限元分析。分析了电极温度对电火花加工材料蚀除的影响，仿真结果验证了冷电极低损耗特性。利用单脉冲试验平台进行不同电极温度下单脉冲放电试验，研究了电极温度对电蚀坑形貌的影响。
　　(4)研究了电极温度对放电间隙的影响。利用单脉冲装置对极间放电间隙进行检测，并通过冷电极与常规电极成型加工对比试验，表明了降低电极温度可以使放电间隙变小，进而提高仿形精度。
　　(5)对冷电极电火花加工的工艺性能进行对比分析。进行了冷电极与常规电极加工钛合金工艺性能对比试验，对放电波形、电极损耗、材料去除率、加工表面粗糙度和表面裂纹进行了对比分析，验证了冷电极加工具有电极损耗较低、加工稳定性较好、材料去除率较高和表面加工质量较好的特性。通过冷电极加工航空螺旋锥齿轮试验，验证了冷电极具有较高精度的复杂曲面加工能力。

目录

声明

注释表

1. 第一章 绪论

1.1概述

1.2难加工材料的机械加工技术

1.3强制冷却降温加工技术在机械加工中的应用

1.4本课题研究意义和主要内容

2. 第二章 试验系统及设备

2.1冷电极原理与结构

2.2冷电极温度控制系统

2.3单脉冲试验平台

2.4成型机床与辅助数据采集和测量设备

2.5本章小结

3. 第三章 电极温度对电火花放电特性影响研究

3.1电极冷却效果分析

3.2电极温度对极间放电状态的影响

3.3电极温度对极间电子发射电流密度的影响

3.4冷电极与常规电极单脉冲试验

3.5本章小结

4. 第四章 电极温度对电蚀坑形貌及材料蚀除机理影响

4.1冷电极对材料蚀除机理影响

4.2不同电极温度极间温度场有限元仿真分析

4.3不同电极温度单脉冲放电试验

4.4本章小结

5. 第五章 冷电极电火花加工工艺特性对比试验

5.1冷电极与常规电极加工钛合金对比试验

5.2航空螺旋锥齿轮冷电极加工试验

5.3本章小结

6. 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

在学期间发表的学术论文及研究成果