微细电火花加工装置及其控制技术

设计开发出了具有四轴三联动的微细电火花加工装置.针对该装置,对微细电极的制作控制技术、成型加工的伺服控制和微三维结构加工过程中电极损耗的补偿控制等进行了深入研究.在充分分析伺服机构性能的基础上,提出针对不同加工目的采用不同的伺服控制策略,不仅解决了伺服机构在微位移进给过程中存在的爬行问题,同时也较好地解决了电极制作过程中存在的伺服振荡问题;对电极损耗的补偿控制技术进行了深入的研究,进而提出了电极损耗的在线补偿策略,该补偿策略作为微细电火花加工控制系统的一个组成部分,使电极损耗的补偿与微细铣削加工的CAD/CAM系统分开,大大提高了微细电火花进行三维微结构加工的实用性.实验加工出最小直径为6 μm的微细轴以及最小直径为10 μm微细孔,并实现了外径为4 mm、具有24个叶片的微型涡轮盘以及直径为150 μm微小半球的加工.     

微细电火花加工的底面轮廓模型及定长补偿方法

针对三维金属微细结构的微细电火花加工,应用等损耗理论,采用分层加工方法建立了单道加工时底面形状随电极损耗变化的轮廓模型.在此基础上,提出定长补偿的方法,给出了补偿长度计算公式,并对底面轮廓模型以及定长补偿方法进行仿真分析.实验测定了微细条件下钨打钢的相对体积损耗比,进行了无补偿和定长补偿的实验加工.仿真及实验结果表明:无补偿时底面轮廓呈指数曲线,与实验结果相吻合;定长补偿方法加工的底面轮廓为恒定的波动曲线;随着补偿精度增加,底面轮廓的波动范围增大;在符合端面损耗理论的范围内,分层厚度越大,加工的相对误差越小.所提出的定长补偿方法提高了加工尺寸精度和形状精度.     

集肤效应对微细电火花加工的影响

针对微细电火花加工中常用的高频脉冲电源,引入集肤效应的概念,并用电磁场理论对其在微细电火花加工中的存在性加以证明.对集肤效应影响下的微细电火花加工过程进行了理论分析,总结了电场强度与电流密度的非均匀分布导致电火花放电点位置的变化规律,分析并实验研究了考虑集肤效应作用的工具电极的损耗形式,认为集肤效应导致的放电能量分布差异是微细电火花加工中微细电极损耗严重的又一重要原因.     

气体介质中电火花铣削加工工艺实验研究

为了解气体介质中电火花铣削加工的加工性能,首先采用单因素法在空气介质中进行了电火花铣削加工工艺实验研究。其次,采用了两种电极损耗补偿方法对三维结构的工件进行了实验研究。研究结果表明工件的加工速度随着分层厚度的增加而增加,随着轨迹重叠率的增加而减小;存在一个较佳的主轴伺服进给速度使得工件的加工速度较高。此外,气体介质中电火花加工工具电极损耗低的特点有利于实现气中电火花削加工工具电极损耗的补偿。利用回参考点的方法实现了三维结构的气中电火花铣削加工,加工出上边为8 mm×8 mm、四壁倾斜30°的梯形型腔和直径为2 mm的凸球。     

镍基单晶高温合金表面微阵列孔的制备方法及其实验研究

微小孔结构在航空航天、现代医疗、精密仪器等领域有着广泛的应用,但孔径尺寸微小且加工精度要求高,常规的接触式机械加工方式存在切削力致使孔精度较难控制.而电火花加工非接触和无宏观切削力的特点使其在微小孔加工中具有独特的优势.开展镍基单晶高温合金表面微阵列孔制备的实验研究,首先通过低速走丝电火花线切割方法结合精修工艺实现了边长小于340μm菱形微细阵列电极的高精度制备.采用所制备的微细阵列电极在镍基单晶高温合金表面进行微阵列孔加工,探究微阵列孔尺寸的一致性精度、孔壁的表面质量和电极损耗特点,揭示抬刀速度和抬刀模式对微阵列孔的孔壁粗糙度的影响规律,实现了镍基单晶高温合金表面微阵列孔的高效率高精度制备.     

柱腔上微孔电火花加工技术

本文利用线电极火花磨削（WEDG)技术加工微细电极,通过电火花加工技术在微靶柱腔上加工直径小于等于20um的诊断孔。对影响诊断孔质量的加工参数进行了优化,并探索了不同加工参数所产生的电极损耗以及直径12μm的电极制备。     

应用正交试验法优选电火花成型加工电参数的研究

用正交试验法研究了电火花或型加工中电参数与工件加工速度、表面粗糙度和工具电极损耗比等工艺指标的关系,提出了优选的电参数方案.     

聚晶金刚石的电火花磨削加工

为探讨在普通电参数下,电火花磨削人造聚晶金刚石(PCD)的加工性能,研究了电极轮转速、开路电压、峰值电流、脉冲宽度以及脉冲间隔对材料去除率、电极损耗以及加工表面粗糙度的影响.结果表明,采用电火花磨削方法,在较小的开路电压和峰值电流下,PCD的加工是可行的.使用电火花磨削方法在材料去除率和表面粗糙度方面要优于普通电火花加工.各个加工参数对加工表面粗糙度的影响不大,而与金刚石颗粒的粒度有关.加工时应选用大的开路电压,而峰值电流不宜取得过大,一般说来,不应超过32 A.脉冲宽度与脉冲间隔之间存在一个最优比例关系,在合理的脉冲宽度与脉冲间隔比例基础上,加大脉冲宽度可以提高加工性能.     

高电阻电极对微细电火花放电加工影响的研究

微细电火花放电加工过程中,由于单位脉冲放电的材料去除率(放电凹坑直径)决定了最小加工尺寸以及微细电火花加工的加工表面粗糙度,所以减少单位脉冲放电的材料去除率具有重要作用。为达到此目的,采用具有高电阻材料如单晶硅作为工具电极。分析结果显示,随着工具电极电阻提高,放电电流峰值逐渐降低,脉冲放电时间增加,放电能量减小。另外,研究并测试了硅电极加工不锈钢工件时电阻值对工件表面放电凹坑直径的影响。实验结果表明当硅工具电极电阻值提高时,放电凹坑直径逐渐降低;并达到最小值0.5μm;同时降低了工件表面粗糙度值0.03μm;提高了表面加工质量。     

UV-LIGA与微细电火花加工组合制造微细电解阵列电极

采用UV-LIGA与微细电火花加工组合技术制造大长径比微细阵列电极.先通过UV-LI-GA技术制作微细群孔工具电极,然后通过电火花套料加工制作大长径比微细阵列电极.选取优化的工艺参数:前烘110℃保持12h;三步后烘50℃保持5min、70℃保持10min、90℃保持30min;采用谐振式电火花电源,电压200V、峰值电流1.5A、脉宽3.2μs、脉间6.4μs、放电间隙12μm等,制备了直径85μm、长1.5mm,长径比达17.65的微细阵列电极.最后用制作出的微细阵列电极作为工具电极进行微细电解加工实验,在120μm厚不锈钢板上电解加工出直径150μm、形状均匀的微细阵列群孔结构.实验证明:UV-LIGA与微细电加工组合制造技术是一种可行的制作高深宽比微结构的方法;利用微细阵列电极进行电解加工,能实现高效和高精度加工.     

微孔电火花加工极间工作液流动状态研究

电极旋转是提高微孔电火花加工效率的有效手段,而极间的工作液作为放电介质,其运动状态是影响微孔电火花加工放电状态和加工效率的关键因素之一.依据粘性流体运动学偏微分方程建立了旋转电极周围工作液的机理模型,应用FLUENT软件对此模型进行了流场计算与模拟,结果显示放电间隙内工作液为层流状态.结合得到的工作液流动规律,应用流场中微粒动平衡理论对电蚀产物颗粒的分布规律进行研究,发现电蚀产物颗粒在间隙内的分布只与颗粒直径有关.由此提出了通过调整放电参数来改变颗粒直径进而改善间隙放电状态的新方法,为合理选择放电参数提供了理论依据.     

基于压缩Voxel模型的整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工仿真验证

提出了基于压缩Voxel模型的整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工仿真、验证新方法.该方法首先构造整体涡轮叶盘仿真工件、成型电极压缩Voxel模型,再根据数控加工轨迹构造成型电极扫描体,最后在三维虚拟空间完成加工过程仿真.利用Marching Cubes方法提取仿真工件表面三角网格,增强了仿真工件显示质量和速度.通过仿真工件压缩Voxel模型与标准CAD模型的三维对比实现了仿真结果分析验证.该方法在某航天火箭发动机整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工编程仿真与验证中得到了应用,效果良好.     

Numerical surface characterization of wear debris from artificial joints using atomic force microscopy

Study on surface features of wear particles generated in wear process provides an insight into the progress of material failure of artificial joints. It is very important to quantify the surface features of wear particles in three dimensions. In this study, a new approach using atomic force microscopy was proposed to carry out 3D numerical surface characterization of wear debris generated from artificial joints. Atomic force microscopy combined with image processing techniques was used to acquire appropriate 3D images of wear debris. Computerized image analysis techniques were then used to quantify surface texture features of wear debris such as surface roughness parameters and surface texture index. The method developed from the present study was found to be feasible to quantity the surface characterization of nanoand micro-sized wear debris generated from artificial joints.     

微细电火花加工微孔时加工作用力影响

在用微细电火花加工大深径比微孔的过程中发现,相同加工条件下工具电极越长则加工孔径越大.为了解释这一现象,采用经典Bernoulli-Euler杆件理论,针对加工作用力对电极变形影响的3种情况,对工具电极的变形量进行了求解,结果表明计算值与实验结果非常接近,从理论上揭示了加工作用力对微孔加工过程的影响.加工中随电极长度的...     

混粉电火花加工过切量研究

电火花加工工件的尺寸精度受过切量影响,而过切量的大小主要取决于放电间隙和电机损耗.为了获得更好的尺寸精度,实验研究了在相同工作环境下混粉电火花加工和常规电火花加工过切量的差别,利用三元线性回归方法分别建立了两种工作液中加工余量的经验公式,通过实验验证了其可信度.结果表明粉末的加入降低了加工余量对蜂值电流和脉冲宽度的敏感程度.     

微细电解线切割加工模型分析与试验研究

基于电化学原理,讨论微细电解线切割加工的机理,建立了加工的理论模型,得出微米尺度线电极进给速度的理论上限.通过电解线切割加工试验,分析各种加工参数对加工精度的影响规律,并加工出缝宽为20 μm左右的微型桨叶结构.试验结果表明,微细电解线切割加工技术能为特殊性能材料的微细加工提供有效的新途径.     

人工髋关节柄磨损评定中的三维表面形貌测量

论述了物体表面形貌的测量在工程上的重要性,指出了目前学术界与工业界所普遍采用的二维表面测量与评定的局限性,进而说明了三维表面测量的重大意义.在此基础上,将三维表面测量仪器,即接触式触针仪器、非接触式光学干涉仪以及原子力显微镜的原理、现状进行了分析比较.同时,对三维表面的评定技术及其三维表面参数,特别是"伯明翰14参数"的发展做了系统的论述.最后,以三维表面形貌测量在人工髋关节柄磨损评定中的应用为例,其结果表明,粗糙表面的髋关节柄和骨水泥之间的磨损为磨粒磨损,而抛光表面的髋关节柄和骨水泥之间的磨损为微动磨损,此为生物医学上进一步降低磨损微粒的产生、提高人工髋关节的寿命提供了重要参考.