液中喷气电火花加工机理与实验研究

摘要

电火花加工中,放电介质对工件的材料去除率、表面质量以及电极相对损耗率有重要影响。液中电火花铣削加工时相对稳定,但电极相对损耗严重,妨碍了电火花加工性能的提高。采用煤油工作液会产生有害气体造成环境污染,采用水基工作液会附加发生电解反应。气中电火花加工时电极相对损耗很小,但由于短路率过高导致加工不稳定、材料去除率不高,还会产生烧焦气味。液中喷气电火花加工方法就是综合利用液体、气体两种放电介质的加工性能,从空心管状电极中喷出的高速气体作为电介质,电极和工件浸没在水基工作液中,气体周围的水基工作液不直接参与放电但却有助于冷却和排屑,从而改善实际放电加工的性能。本文对液中喷气电火花加工机理进行了分析,建立了局部放电区域VOF模型并采用FLUENT软件仿真计算了该区域的气体体积分数变化规律。结果表明,液中喷气电火花加工放电瞬间加工区域是处于气体包围中的。同时又进行了液中、气中、液中喷气电火花加工的机理研究对比实验,从而验证了仿真计算结果的正确性,也解释了液中喷气电火花加工与气中电火花加工相似以及出现工件碎屑熔融物粘到电极表面的原因。本文继而进行了液中喷气电火花加工实验研究。首先对照国内外同行专家文章中的重点参数进行气中电火花加工参考性实验;接着围绕四个关键因素,即脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流以及每层进给深度进行基于响应曲面的正交实验设计,并分析各因素对材料去除率和电极相对损耗率的影响以及因素之间的交互作用,从而发现各放电参数是通过组合方式来影响整体加工工艺性能。又进行了单因素加工实验,初步分析了气体压力、工件电极相对速度、电极壁厚等对材料去除率和电极相对损耗率的影响。本文最后通过进行平面样件的铣削加工实验,对高速平动液中喷气电火花铣削加工系统进行结构分析和工艺规划,并综合评价其工艺性能。液中、气中、液中喷气电火花铣削加工实验结果证明了,高速平动液中喷气电火花铣削加工性能优于其它两种加工方法,能够保持较低电极相对损耗率的同时得到较高的材料去除率,并且不产生烧焦味道气体。本文的研究证明,高速平动液中喷气电火花铣削加工性能良好,是一种有效解决气中电火花加工短路率过高问题的方法。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 传统电火花加工应用现状

1.1.1 传统电火花加工的优势

1.1.2 传统电火花加工的局限

1.2 现代电火花加工的发展

1.2.1 改进放电介质

1.2.2 采用新型电源及控制策略

1.2.3 增加辅助工艺

1.3 创新型介质电火花加工

1.3.1 水基工作液电火花加工

1.3.2 气中电火花加工

1.3.3 气中电火花加工的不足

1.4 液中喷气电火花加工

1.5 课题研究的实验条件

1.5.1 四轴CNC 电火花加工机床

1.5.2 直线电机工作台

1.5.3 电极旋转夹具

1.5.4 工艺性能检测系统

1.6 课题研究目标及主要内容

第二章 液中喷气电火花加工机理研究

2.1 电火花加工理论研究现状

2.2 放电介质机理研究

2.2.1 液中电火花加工的基本机理

2.2.2 气中电火花加工的基本机理

2.3 液中喷气电火花加工过程的描述

2.4 机理实验研究

2.4.1 机理实验条件

2.4.2 临界放电间隙比较

2.4.3 电极加工表面分析

2.4.4 工件表面分析

2.4.5 机理实验的初步结论

2.5 极间放电介质机理仿真研究

2.5.1 供气回路初始条件测算

2.5.2 建立计算模型

2.5.3 边界条件

2.5.4 控制方程

2.5.5 结果分析

2.6 本章小结

第三章 液中喷气电火花工艺实验研究

3.1 气中电火花工艺参数实验研究

3.1.1 气中电火花放电参数研究现状

3.1.2 气中电火花加工的显著性因素讨论

3.1.3 气中电火花加工参考实验

3.1.4 气中电火花加工参考实验结果分析

3.2 液中喷气电火花工艺参数实验研究

3.2.1 参考条件对比加工实验

3.2.2 加工时间敏感性分析

3.2.3 加工极性敏感性分析

3.2.4 正交实验主效应分析

3.2.5 因素交互作用分析

3.2.6 其它参数单因素实验

3.3 本章小结

第四章 高速平动液中喷气电火花铣削加工系统

4.1 高速平动液中喷气电火花铣削加工

4.1.1 电火花铣削加工的发展

4.1.2 高速平动液中喷气电火花铣削加工的特点

4.2 高速平动液中喷气电火花铣削加工系统

4.2.1 直线电机运动工作台

4.2.2 PMAC 运动控制

4.3 高速平动液中喷气电火花铣削工艺规划

4.3.1 轨迹路径规划

4.3.2 电火花工艺参数规划

4.4 高速平动液中喷气电火花铣削工艺性能讨论

4.4.1 材料去除率和电极相对损耗率

4.4.2 工艺成本

4.4.3 工件表面

4.5 本章小结

第五章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间已发表或录用的论文