微细电火花加工关键技术研究

围绕微细电火花加工的实现,对微细电火花加工的关键技术进行了研究。开发出由蠕动式微进给机构、微小能量放电电源、微小电极线放电磨削机构、精密旋转主轴头、加工状态检测与控制系统等构成的微细电火花加工装置。探讨了微细电火花加工微小轴、高深宽比微小孔、非圆截面形状和三维结构成型、以及半导体硅材料等的工艺方法。实验加工出的微小轴和孔的最小直径分别小于２５μｍ和５０μｍ,最大深宽比分别超过２０和１０。     

微细喷油孔电火花加工机床的研制

设计开发了一台高精度、高性能,具有自主知识产权的微细孔电火花喷孔加工机床.该机床采用卧式布局旋转主轴,主轴转速可调.采用基于压电陶瓷与步进电机结合的宏微伺服进给系统,能实现电极的微步距振动式进给.配有制作微细工具电极的反拷系统,能够在线获得所需的各种尺寸的工具电极.该机床能稳定加工各种柴油机喷嘴的喷孔,尤其适合加工孔径为0.05～0.20 mm的喷孔,加工精度达0.001～0.005 mm,加工效率达到20～50 s/孔.     

微细喷油孔电火花加工机床的研制

设计开发了一台高精度、高性能,具有自主知识产权的微细孔电火花喷孔加工机床.该机床采用卧式布局旋转主轴,主轴转速可调.采用基于压电陶瓷与步进电机结合的宏微伺服进给系统,能实现电极的微步距振动式进给.配有制作微细工具电极的反拷系统,能够在线获得所需的各种尺寸的工具电极.该机床能稳定加工各种柴油机喷嘴的喷孔,尤其适合加工孔径为0.05～0.20 mm的喷孔,加工精度达0.001～0.005 mm,加工效率达到20～50 s/孔.     

微细电火花加工的关键技术分析

微细电火花加工方面的几项关键技术包括微小进给装置、微细电极的制备、微小能量加工电源、与其他技术组合的新型加工技术和微细电火花加工过程控制技术。比较了微小进给装置与传统的进给伺服系统的结构特点 ,并对各项微细电火花技术的技术特点进行了详细分析。微小进给装置的传动精度及系统的频响较高 ;微细电极的制备技术解决了圆柱、圆锥、螺纹等不同形状的电极或微小零件的制备及对硬质合金、聚晶金刚石等超硬材料的加工问题 ;可控RC脉冲电源技术易于调整脉冲能量 ,避免发生电弧性脉冲放电现象 ;微细电火花加工可与超声加工、电铸加工等技术组合形成各种复合加工技术 ;模糊控制技术可用于控制电火花加工过程。     

微细电火花加工的关键技术分析

微细电火花加工方面的几项关键技术包括微小进给装置、微细电极的制备、微小能量加工电源、与其他技术组合的新型加工技术和微细电火花加工过程控制技术。比较了微小进给装置与传统的进给伺服系统的结构特点，并对各项微细电火花技术的技术特点进行了详细分析。微小进给装置的传动精度有系统的频响较高；微细电极的制备技术解决了圆柱、圆锥、螺纹等不同形状的电极或微小零件的制备有对硬质合金、聚晶金刚石等超硬材料的加工问题，可控RC脉冲电源技术易于调整脉冲能量，避免发生电弧性脉冲放电现象；微细电火花加工可与超声加工、电铸加工等技术组合形成各种复合加工技术；模糊控制技术可用于控制电火花加工过程。     

三电极微细电解加工脉冲电源

脉冲电源是实现微细电解加工的技术关键之一。该文基于钝化膜增厚过程分析,探讨抑气促溶机理,并设计一种具有脉间输出的三电极微细电解加工脉冲电源,利用辅助电极导入电解池的加工脉间完全去极化电流,完成界面加酸过程。微细阵列孔及微细槽的电解加工实验显示:采用三电极脉冲电源在中性NaNO3电解液中的微细电解加工,蚀除速率从两电极脉冲电源的3.21×10-4 mm3/s提高至6.62×10-4 mm3/s,有效地提高了加工效率;该电源在维持钝性电解液中加工定域性好和中性电解液的环保优势的同时,又具有偏酸性电解液中加工后表面质量高的优点,加工表面粗糙度Ra从0.52μm降至0.28μm。初步实验验证了具有脉间输出的三电极微细电解加工脉冲电源的可行性。     

铣削过程多源扰动影响下直线电机推力电流频谱特性分析

针对机床实际铣削过程中进给系统受多源、多频扰动影响,特别是直驱进给系统由于"零传动"特性,运动精度受外界扰动影响更为显著的问题,研究了机床加工过程多源扰动机理、频谱特征及其影响下直线电机进给系统推力电流频谱特性,综合分析了铣削过程中刀具-主轴系统的多源扰动,建立了考虑刀具偏心跳动的铣削力模型、主轴离心力模型、主轴轴承振动模型,并分析多源扰动频谱特性。表征了多源扰动激励下直线电机进给系统输出位移波动特性,并在直线电机驱动的VMC0865机床上完成单轴进给切削实验。实验结果表明:在进给速度为1 500mm/min、主轴转速为5 000r/min、切宽为2mm、切深为2mm的情况下,X轴位移波动均方值从0.36μm增加到0.81μm,推力电流均方值从0.94A增加到1.15A;推力电流增加了主轴转频及其倍频、分频、边频的谐波成分;切削力会影响进给系统运动精度,从而影响零件加工质量和加工精度,验证了切削过程对直线电机进给系统推力电流频谱特征的影响;对比了不同切削参数对进给系统推力电流频谱特征的影响,明确了主轴转速是对推力电流频谱特征最为显著的切削参数。该研究对于直驱进给系统控制算法改进与加工参数选择具有重要指导意义。     

微小孔螺旋管电极电火花-电解组合加工数值模拟及试验分析

为提高狭小间隙产物排出和加快电解液更新,采用螺旋管电极正反转匹配内外冲液方式进行电火花(EDM)-电解(ECM)组合加工。在电火花加工快速穿孔阶段,内冲液方式匹配电极顺时针旋转可增加间隙流场扰动,进而加快电蚀颗粒排出速度;在电解扩孔阶段,外冲液方式匹配电极逆时针旋转提高狭小间隙内电解液更新速度,进而保证孔壁电解效果。利用流场仿真证明螺旋管电极提高了间隙最大流速15.6%。实验验证螺旋管电极可以减小孔锥度至0.008,加工效率提高了25%。最终优化参数为冲液压力4 MPa和电极转速460 r/min。     

废水处理用等离子体窄脉冲电源的研制

主要论述了一种气体放电等离子体窄脉冲电源装置的构成及工作性能;尤其对自行研制的核心部件八电极旋转火花隙开关(RSGS)的大小,尺寸结构进行了说明.分析了电源主电路工作原理,对电路的动态工作进行数学建模和解析求解,为电源设计和元件参数选取提供了依据.通过此套电源所产生出的高压脉冲波形,具有上升沿小于100 ns,脉宽不大于1μs,脉冲频率可调,脉冲功率大等特点.通过实验表明,该电源应用于产生等离子体进行废水净化等领域,具有良好的降解效果.     

整体涡轮叶盘五坐标数控电火花加工编程

大扭曲叶型带冠整体涡轮叶盘结构复杂,五坐标数控电火花加工中成型电极与加工工件极易发生干涉,成型电极进给轨迹复杂.针对上述问题,采用逆向搜索算法搜索成型电极进给轨迹.利用通道内相邻叶盆曲面、叶背曲面设计成型电极,由逆向搜索算法平移和旋转成型电极,再进行干涉检测;若无法得到合理加工轨迹,可减小成型电极厚度,重复该过程,直至成型电极安全退出,同时得到成型电极最优厚度.控制成型电极平移及旋转步长,生成密度合理的NC加工轨迹.系统验证表明,生成的NC加工轨迹优化、密度合理,成型电极厚度优化.     

用于KTP晶体极化反转的高压脉冲电源的研究

分析了KTP晶体的外电场周期极化反转的机理，设计并研制出一种采用高压开关管的高压脉冲电源，可以将任意信号发生器输出的2V方波脉冲波形放大，输出最高电压为5000V、上升沿小于50μs、最大输出电流超过30mA、脉宽为任意的方波脉冲。用此高压脉冲电源在KTP晶体上进行多次极化反转实验，得到良好的实验结果。     

基于PMAC卡的电解加工机床旋转位置回零研究

为适应整体叶盘通道的加工要求,以复合进给电解加工机床为研究对象,介绍了机床加工位置旋转回零原理,设计了旋转回零方案,基于PMAC运动控制卡,建立了全闭环控制系统,驱动器采用转矩模式,通过调用TurboPMAC2的回零功能模块编写了运动程序,并利用LABVIEW语言开发环境设计了旋转位置回零控制程序,最后进行了测试试验。结果表明,系统响应迅速、运行可靠,电解加工机床C轴实现了在不同角度下的精确旋转回零运动,为开展高精度的电解加工奠定了良好的基础。     

采用步进电机驱动的摩擦传动微进给机构

为解决微小型机电系统大行程、高精度进给的问题,设计实现了一种由旋转电机驱动的摩擦传动微进给机构。采用对称预紧设计使加于摩擦传动主支承轴承上的预紧正压力的合力为零、从而减少传动误差。当步进电机采用5万步/转细分驱动时,经减速比为10:1的摩擦传动机构,输出直线位移分辨率可达到0.16μm。位移测试实验显示该摩擦传动微进给机构具有可靠的运动传递性能,系统的位移输出特性基本上取决于所采用的步进电机及细分驱动电路的特性。进给速度可通过改变驱动脉冲的频率调节,机构在高频驱动大位移动作时亦表现出准确的步进特性,可用于小型机电系统的开环进给驱动。     

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。     

基于响应曲面的低碳制造铣削工艺参数优化

为了对低碳制造铣削工艺的加工参数进行优化,降低碳排放量的同时有效保障产品质量,选取主轴转速、进给速度、铣削深度和铣削宽度作为优化变量,碳排放量、材料去除率和表面粗糙度作为响应性能指标,通过设计中心复合实验,利用Design-Expert软件建立相对应的响应分析模型,并对所建模型进行可靠性验证,研究了工艺参数间的交互作用。结果表明:在主轴转速为999. 98 r/min,进给速度为490. 51 mm/min,铣削深度为0. 30 mm,铣削宽度为49. 99 mm时,响应最优,可见对低碳制造铣削工艺的优化具有一定的参考价值。     

脉冲放电激发反电晕的研究

针对高压脉冲电源反电晕放电进行实验研究。采用正极性固态Marx脉冲发生器作为放电电源，以中间添加蜂窝介质的针板作为放电电极，设置正极性矩形高压脉冲输出电压为0～20 kV可调，工作频率为0～1000 Hz可调，脉冲宽度为10～500 μs可调，进行反电晕放电实验，并根据电源和电极参数对影响放电电流大小的因素进行分析。进一步，在相同放电电极参数条件下，将高压脉冲反电晕与直流反电晕进行了对比研究。研究结果表明：介质厚度、针板间距、脉冲宽度和放电频率均对反电晕放电电流有一定影响；在脉冲放电频率为100～1000 Hz时，发生反电晕的相同电压下，脉冲反电晕放电电流大于直流反电晕放电电流，证明高压脉冲激发反电晕放电效果更好。     

硬脆材料超声辅助复合加工机床及其工艺研究

针对硬脆材料硬度高、脆性大、可加工性能差,采用普通加工方法难以进行复杂曲面加工的问题,提出了一种新型的复合加工机床结构,具有五轴铣削、超声辅助磨削和电火花加工等复合加工能力.提出了非接触式旋转超声辅助磨削加工方式并对原型装置进行开发,利用电磁转换式供电方法,实现超声电源和振动系统间的非接触供电,并对相关参数进行了设计.开发了基于复合加工的开放式数控系统,实现了放电粗加工、旋转超声辅助磨削加工和脉冲放电加工方法的集中控制、协调和融合.最后通过实验验证了机床的复合加工能力,证明了硬脆材料复杂形面的超声辅助加工能力.     

不同密封电极宽度对大气压沿面介质阻挡放电等离子体激励器性能的影响研究

测量了不同密封电极宽度等离子体激励器所诱导的气流速度和推力.实验结果表明,当密封电极宽度小于20 mm时,激励器所诱导的最大风速和推力随着密封电极宽度的增加而增加;当密封电极宽度大于20 mm时,最大气流速度和推力不再随着密封电极的宽度发生变化.这主要是因为密封电极宽度影响了外加电场的延展,进而影响了等离子的空间分布.     

微细电火花加工脉冲电源及其脉冲控制技术

为了提高微细电火花加工效率,通过分析微细电火花加工特点,改进了主放电回路,设计了一种基于现场可编程门阵列（FPGA）的微细电火花加工脉冲电源.该电源集成了放电状态检测功能,能够判断每一个脉冲的放电状态,并及时切断有害脉冲.设计了应用于微细电火花加工的清扫脉冲回路,可在极间加载高能量窄脉宽的清扫脉冲,以清除积聚在极间的加工屑.利用该电源在桌面式微细电火花加工机床上进行了微细深孔加工实验和微细孔极限加工实验,取得了较好的加工效果.     

一种高压脉冲电源设计

为研究高压脉冲脉宽及频率对介质阻挡放电效果的影响,文章设计了一款功率1kW、幅值5kV、脉宽1~20μs可调、频率15~25kHz范围可调的单向高压脉冲电源。与传统高压脉冲电源多采用工频升压加磁压缩开关或旋转火花隙获取高压脉冲能耗较大且不易控制不同,该电源主电路采用半桥式拓扑结构,以SG3525作为脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)主控芯片,利用LCC串并联谐振软开关技术,大大降低开关损耗并能有效降低高频脉冲变压器分布参数影响。测试结果表明,该脉冲高压电源满足介质阻挡放电实验要求。