超声振动——气体介质电火花复合加工技术及机理研究

摘要

气体介质电火花加工摒弃了传统电火花加工使用的液体介质，是一种新的绿色电火花加工技术，但其工艺、机理尚需进一步深入研究。超声振动一气体介质电火花加工技术是在其基础上发展起来的新型复合加工技术。工具或者工件附加超声振动不仅显著提高了气体介质电火花的加工效率，而且有效地避免了加工过程短路、电弧放电现象的发生。 对气体介质电火花加工理论进行了较为深入的研究。从气体介质的电导与击穿、气体介质电火花加工的极性效应以及气体介质电火花加工电极材料的蚀除过程等三个方面阐述了气体介质电火花加工理论。气体介质的放电过程是由Townsend击穿开始，逐步过渡到流光击穿的。系统分析了气体介质电火花加工极性效应的成因。气体介质电火花加工的极性效应与传统液体介质电火花加工有着根本的不同，当工具电极接脉冲电源负极、工件接脉冲电源正极时，工具电极的损耗非常少，并且这一规律不受脉冲宽度变化的影响。从气体介质电火花加工放电通道的形成与扩展、放电能量的转换与分配、电极材料的抛出过程以及介质的消电离过程等几个方面对电极材料的蚀除过程进行了研究。 提出了工具电极超声振动一气体介质电火花复合加工新技术。加工过程将工具电极附加超声振动，其最大优点在于加工过程不受工件体积大小的限制，适用范围广。设计了超声振动一气体介质电火花复合加工实验设备。该设备主要由床身、脉冲电源系统、旋转超声供气系统、超声振动系统以及工作台等几个模块组成，既可以进行工件超声振动一气体介质电火花复合加工实验，又可以进行工具电极超声振动一气体介质电火花复合加工实验。其中旋转超声供气系统的设计是本实验设备的难点。 系统研究了材料去除率(MRR，material removal rate)随着脉冲宽度、脉冲间隔、峰值电流、峰值电压、气体介质压力、电极壁厚等加工参数的变化规律。实验结果表明，在其它条件不变时，材料去除率随着脉冲宽度、峰值电流、峰值电教育部高等学校博士学科点专项科研基金(20030422014)以及国家自然科~(50575128)资助项目压以及气体介质压力的增大而增大，但随着脉间宽度、工具电极壁厚的增加而降低。实验结果表明，最佳电极壁厚为0.3 mm，而且工件超声振动加工时材料去除率要高于工具超声振动加工时的材料去除率，这是因为工件超声振动时，振动作用在工件上，起到了强化材料抛出的作用。综合考虑了超声振动等因素对材料抛出的影响，推导并建立了超声振动一气体介质电火花加工材料去除率模型。该模型表明，材料去除率随着脉冲宽度、峰值电流、峰值电压以及气体介质压力的增大而增大，随着脉间宽度的增大而减小。提出了超声振动一气体介质电火花铣削加工技术，分析了管状工具电极的损耗过程，研究了电极损耗的补偿策略并对电极轨迹进行了优化。实验研究了放电参数对加工表面粗糙度的影响。实验结果表明，加工表面粗糙度随着脉冲宽度、峰值电流、峰值电压的增大而增大。这是因为，电火花加工表面是由无数放电凹坑组成的，放电能量是影响放电凹坑体积的主要因素，而影响单脉冲放电能量的主要参数是脉冲宽度、峰值电流、峰值电压。 系统研究了超声振动-气体介质电火花复合加工过程工具电极的损耗。研究结果表明，超声振动-气体介质电火花加工电极损耗率较小，工件超声振动加工时电极损耗率在5﹪以内，并且不受脉冲宽度变化的影响。研究发现，工具电极超声振动加工时电极损耗率要大于工件超声振动加工时电极损耗率。从超声振动作用影响工具电极强度的角度，分析了超声振动影响工具电极损耗的机理。 对不同工件材料以及不同气体介质中的超声振动-气体介质电火花复合加工进行了系统的研究。氮气中电火花加工时，材料去除率明显低于空气中电火花加工。这是因为空气中加工时，空气中的氧气与工件材料发生的氧化作用促进了材料的去除。加工硬脆材料时，Nd-Fe-B材料的加工效率大于硬质合金。 设计了超声振动-气体介质环境下的单脉冲放电实验，阐述了超声振动改善气体介质电火花加工效果的机理。从超声振动对气体介质电火花加工放电通道形成、放电凹坑形貌以及强化熔融电极材料抛出的影响等几个方面阐述了超声振动改善气体介质电火花加工效果的机理。分析了熔融液滴的受力模型，提出了超声振动强化材料抛出的机理。分析结果表明，超声振动引起的惯性力能起到强化熔融材料抛出的作用。系统分析了超声振动一气体介质电火花复合加工表面微观形貌以及组织成分的变化情况。研究了超声振动-气体介质电火花复合加工硬脆材料的表面裂纹特性，分析了加工表面显微裂纹的形成机理。建立了气体介质电火花加工硬脆材料时的热应力蚀除模型。硬脆材料热应力蚀除过程可以分为热应力形成、微裂纹形成、晶粒脱落、颗粒抛出四个阶段。 对气体介质电火花加工单脉冲放电温度场以及气体流场进行了研究。建立了气体介质电火花加工单脉冲放电温度场的物理模型以及高斯分布热流密度输入模型，用ANSYS有限元分析软件对气体介质电火花加工单脉冲放电温度场进行了模拟，并与单脉冲放电实验结果进行了比较。模拟结果表明，放电能量越大，放电中心温度越高，放电凹坑越大，材料去除率也越大。对气体介质电火花加工气体流场进行了较为深入的研究。建立了气体介质电火花加工气体流场模型，并用FLUENT有限元软件对气体流场进行了模拟，得出了气体流速、压力等参数在放电间隙的分布规律。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

1.1电火花加工的产生及特点

1.1.1电火花加工的产生

1.1.2电火花加工的特点

1.2电火花加工的发展研究概况

1.2.1基础理论研究概况

1.2.2加工工艺研究概况

1.2.3计算机仿真技术在电火花加工中的应用

1.3超声-电火花复合加工的发展现状

1.3.1国外发展概况

1.3.2国内发展概况

1.4电火花加工的发展趋势

1.4.1精密微细化

1.4.2自动化与智能化

1.4.3绿色环保

1.4.4高效化

1.4.5个性化

1.4.6复合化

1.5气体介质电火花加工的提出与发展

1.5.1气体介质电火花加工的提出

1.5.2气体介质电火花加工的特点

1.5.3气体介质电火花加工的研究现状

1.6课题目的及意义

1.7课题来源及主要研究内容

第2章气体介质电火花加工理论研究

2.1气体介质的电导与击穿

2.1.1气体介质的电导

2.1.2气体介质的击穿

2.2气体介质电火花加工极性效应的研究

2.2.1常规电火花加工极性效应的解释

2.2.2气体介质电火花加工极性效应的研究

2.3气体介质电火花加工电极材料的蚀除过程

2.3.1气体介质电火花加工放电通道的形成与扩展

2.3.2气体介质电火花加工放电能量的转换、传递与分配

2.3.3气体介质电火花加工电极材料的抛出过程

2.3.4气体介质电火花加工极间介质的消电离过程

2.4本章小结

第3章超声振动-气体介质电火花复合加工实验研究

3.1超声振动-气体介质电火花复合加工的原理

3.2超声振动-气体介质电火花复合加工实验机床的设计

3.2.1机床结构设计

3.2.2旋转超声供气装置的设计

3.2.3工具电极

3.2.4超声振动系统

3.3超声振动-气体介质电火花复合加工材料去除率的实验研究

3.3.1实验条件

3.3.2峰值电压对材料去除率的影响

3.3.3脉冲宽度对材料去除率的影响

3.3.4脉间宽度对材料去除率的影响

3.3.5峰值电流对材料去除率的影响

3.3.6电极壁厚对材料去除率的影响

3.3.7气体介质压力对材料去除率的影响

3.3.8电极旋转对材料去除率的影响

3.4超声振动-气体介质电火花加工材料去除率模型

3.5超声振动-气体介质电火花加工电极损耗的研究

3.5.1工具电极损耗

3.5.2超声振动影响工具电极损耗的机理

3.6超声振动-气体介质电火花铣削加工研究

3.6.1电火花铣削加工的概念

3.6.2超声振动-气体介质电火花铣削加工的原理

3.6.3超声振动-气体介质电火花铣削加工的特点

3.6.4超声振动-气体介质电火花铣削加工电极运动轨迹的规划

3.6.5超声振动-气体介质电火花铣削加工的工具电极损耗

3.6.6加工斜度的消除

3.6.7超声振动-气体介质电火花铣削加工材料去除率

3.7不同气体介质中的加工研究

3.8不同工件材料的加工

3.9本章小结

第4章超声振动改善气体介质电火花加工机理的研究

4.1超声波及其特性

4.1.1超声波的概念

4.1.2超声波的特性

4.2超声振动对放电间隙及放电通道的影响

4.2.1超声振动-气体介质电火花加工放电通道的形成

4.2.2超声振动-气体介质电火花加工放电通道的偏转

4.2.3超声振动-气体介质电火花加工放电通道的位形平衡

4.3超声振动改善气体介质电火花加工放电间隙的机理

4.3.1超声振动对极间电场的影响

4.3.2超声振动改善间隙放电状态

4.3.3超声振动对极间介质消电离的影响

4.4超声振动对材料去除及放电凹坑的影响

4.5超声振动强化气体介质电火花加工材料抛出的机理

4.5.1气体介质电火花加工间隙放电状态不稳定的原因

4.5.2超声振动强化材料抛出的机理

4.5.3超声振动对材料去除率的影响

4.6超声振动改善工件加工表面显微组织的机理

4.7本章小结

第5章超声振动-气体介质电火花复合加工工件表面特性研究

5.1超声振动-气体介质电火花复合加工表面粗糙度

5.1.1脉冲宽度对表面粗糙度的影响

5.1.2峰值电流对表面粗糙度的影响

5.1.3峰值电压对表面粗糙度的影响

5.2超声振动-气体介质电火花加工表面的微观形貌及组织结构

5.2.1加工表面微观形貌

5.2.2加工表面的组织结构的变化

5.2.3加工表面显微裂纹

5.3超声振动-气体介质电火花加工表面成分分析

5.4本章小结

第6章气体介质电火花加工温度场及气体流场模拟

6.1气体介质电火花加工单脉冲放电温度场的有限元分析

6.1.1气体介质电火花加工单脉冲放电温度场的物理模型

6.1.2单脉冲放电温度场的数学模型

6.1.3单脉冲放电温度场的有限元分析

6.1.4材料去除率分析

6.2气体介质电火花加工介质流场研究

6.2.1气体流场模型的建立

6.2.2 FLUENT软件简介

6.2.3基于FLUENT的气体介质气流场模拟

6.3本章小结

结论

主要参考文献

致谢

作者攻读博士学位期间发表的学术论文

作者攻读博士学位期间所获得的奖励

英文论文1

英文论文2