低速走丝电火花加工工艺参数优化实验研究

摘要

电火花线切割利用脉冲放电产生的瞬时高温蚀除材料，与加工材料的硬度没有关系，无宏观切削力，易实现高硬度材料的精密、复杂加工，现已是机械制造领域中无法替代的加工手段。TC4特点包括质量小、强度高、优良的抗腐蚀性和热稳定性好的特点，被广泛应用于航空航天领域，但其热导系数小、弹性模量低，因此传统方法很难对其进行加工。单晶硅作为微电子元器件系统中广泛应用的一种结构材料，多应用于半导体器件、太阳能电池等。单晶硅属于脆性材料，断裂韧性低，机械加工时易产生切向断裂或整体断裂，传统加工方法很难对其实现理想加工。因此，研究单晶硅和钛合金的低速走丝电火花线切割工艺对促进电火花加工技术在微机电系统和航空航天领域中的应用有重要的意义。 首先介绍了低速走丝电火花线切割的加工原理，将电火花线切割的放电过程包括四个阶段，即放电通道的形成、放电能量的转换、电蚀物抛出、极间介质冷却;其次，以单晶硅和钛合金为材料进行低速走丝单次切割试验，选取峰值电流、开路电压、脉冲宽度、丝速和丝张力为工艺参数，以表面粗糙度、切缝宽度和材料蚀除率为工艺指标，设计单因素试验和正交试验方案，得出工艺参数对各项工艺指标的影响主次顺序以及参数之间的交互作用。 其次，低速走丝线切割机床对常规的材料如钢、铜等有完善的多次切割工艺参数数据库，但对于钛合金和单晶硅材料，国内外现有的电加工机床并没有提供可参考的数据库，因此本文在单次切割得出的工艺规律的基础上，将钛合金和单晶硅的加工分为粗切，半精修和精修，并针对各加工阶段的不同要求，运用遗传算法和PSO算法进行多次切割的不同阶段，包括主切，修切，精修三个阶段的多目标参数优化，同时保证加工效率和表面质量，进行仿真验证。 此外，对低速走丝电火花线切割加工钛合金和单晶硅的表面和亚表面质量包括表面变质层的厚度和连续性，表面粗糙度，热影响层以及表面微观组织结构包括裂纹、凹坑、溶滴和微孔等进行分析。最后，探究低速走丝电火花线切割加工复杂曲面的工艺特性，对典型复杂零件如等锥度、上下异形进行编程设计和试验加工，对其加工后的表面形貌进行观测，并运用三维表面轮廓仪测出其表面粗糙度的大小。

目录

声明

摘要

第1章绪论

1．1课题提出背景与研究意义

1．2国外的发展及研究现状

1．3国内的发展及研究现状

1．4课题研究的主要内容

第2章低速走丝电火花线切割原理及工艺指标

2．1低速走丝电火花线切割的原理

2．1．1电火花加工的物理过程

2．2低速走丝电火花线切割加工的主要特点

2．3低速走丝电火花线切割加工的基本工艺规律

2．3．1表面质量

2．3．2加工精度

2．3．3加工效率

2．4本章小结

第3章低速走丝线切割电火花试验设计

3．1试验目的

3．2试验设备

3．2．1阿奇夏米尔CA20机床

3．2．2主要工艺参数及说明

3．2．3超景深显微镜

3．2．4三维表面轮廓仪

3．2．5扫描电子显微镜

3．2．6金相显微镜

3．3试验材料

3．4试验方案

3．4．1单因素试验设计

3．4．2正交试验设计

3．5本章小结

第4章不同材料低速走丝电火花加工工艺性理论分析

4．1单因素试验数据分析

4．1．1峰值电流对钛合金和单晶硅工艺指标的影响

4．1．2开路电压对钛合金和单晶硅工艺指标的影响

4．1．3脉冲宽度对钛合金和单晶硅工艺指标的影响

4．1．4走丝速度对钛合金和单晶硅工艺指标的影响

4．1．5丝的张力对钛合金和单晶硅工艺指标的影响

4．2正交试验分析

4．2．1钛合金试验结果分析

4．2．2单晶硅试验结果分析

4．3钛合金和单晶硅的加工表面和亚表面分析与研究

4．3．1表面形貌

4．3．2变质层

4．4本章小结

第5章低速走丝电火花加工参数优化仿真及表面质量研究

5．1遗传算法的理论研究

5．1．1遗传算法的基本操作和优点

5．1．2多目标优化问题的遗传算法

5．1．3遗传算法工具箱

5．2基于PSO粒子群算法的工艺参数优化

5．2．2钛合金的工艺参数优化

5．3多次切缝试验

5．4典型复杂零件试验

5．4．1等锥度试验

5．4．2上下异形试验

5．5本章小结

第6章总结与展望

6．1研究结论

6．2研究展望

参考文献

致谢

附录