PZT激勵同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工技術(shù)研究.pdf

1、隨著市場對微小零件及精細(xì)模具產(chǎn)品需求的增加和微機(jī)電系統(tǒng)的應(yīng)用，微細(xì)加工技術(shù)得到迅速發(fā)展。微細(xì)電火花加工作為一種非接觸加工方法，具有宏觀切削力小，材料適用范圍廣等優(yōu)點，在液壓氣動產(chǎn)品、燃油噴射噴嘴及高精度光學(xué)產(chǎn)品加工應(yīng)用中具有廣泛的應(yīng)用前景和技術(shù)優(yōu)勢。由于微細(xì)電火花加工精密度高，工具電極微細(xì)，放電能量小，極易造成排屑困難等影響加工狀態(tài)的缺點，導(dǎo)致微細(xì)電火花加工狀態(tài)不穩(wěn)定、加工效率低、加工質(zhì)量差等問題，影響了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。針對這一問題

2、，在查閱國內(nèi)外大量文獻(xiàn)資料，分析微細(xì)電火花加工技術(shù)研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，基于PZT壓電陶瓷的逆壓電效應(yīng)，提出了PZT激勵同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工方法。本文主要研究了PZT同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工技術(shù)的放電加工機(jī)理，微能同步脈沖電源及加工系統(tǒng)研制，加工規(guī)律及成因分析，以及針對加工目標(biāo)的參數(shù)優(yōu)化。
　　PZT激勵同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工中，高頻微能同步脈沖晶體管電源為火花放電加工回路和PZT致動器回路提供同頻驅(qū)動，實現(xiàn)了

3、火花放電加工同時壓縮放電通道的技術(shù)。利用PZT致動器在驅(qū)動電壓增大時產(chǎn)生微小量伸長，電壓減小時回縮的特性，在放電加工時壓縮放電通道，改善了放電間隙的狀態(tài)。這一方法原理簡單，便于實現(xiàn)，能夠有效的改善微細(xì)電火花加工的質(zhì)量，提高加工效率，降低電極損耗，是一種新型的微細(xì)電火花加工技術(shù)，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。
　　論文從電火花加工極間介質(zhì)的擊穿和放電通道的形成入手，開展同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工機(jī)理研究。論文分析了放電通道的形成

4、及帶電粒子在放電通道中的運動規(guī)律，建立了放電通道的磁流體模型，證明了壓縮放電通道對放電通道外加電場增強，從而可以提高放電通道中電子運動的速度;通過分析放電通道的擴(kuò)張和位形變化，闡述了壓縮放電通道對加劇放電通道振蕩，增強放電通道波動性從而引起放電間隙狀態(tài)變化的現(xiàn)象，從理論上解釋了同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工方法可以擴(kuò)大放電面積，增加放電點，提高加工效率的特性;放電通道實際是高溫電離氣體，根據(jù)氣體查理定律分析了壓縮放電通道對通道內(nèi)部壓力的

5、影響，證明了采取同步壓縮放電通道的方法可以提高放電通道內(nèi)部壓力，增強火花加工的爆破力，促進(jìn)極間蝕除產(chǎn)物的排出;對放電通道中的放電能量進(jìn)行研究，揭示了壓縮放電通道能夠增強通道中電位梯度，增加放電通道中帶電粒子能量，提高加工效率。通過對比試驗，證明了采用PZT激勵同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工方法具有極間火花放電狀態(tài)穩(wěn)定，材料去除率高，工具電極損耗率低，能促進(jìn)極間電蝕產(chǎn)物排出，增加極間火花放電率的特點。
　　在研制基于PZT激勵的同步

6、壓縮放電通道加工系統(tǒng)過程中，微能同步脈沖電源是本系統(tǒng)中的關(guān)鍵部件。本文詳細(xì)介紹了微能同步脈沖晶體管電源的研制過程。在分析同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工對脈沖電源放電能量的要求和對制動器回路驅(qū)動電壓要求的基礎(chǔ)上，利用PIC系列單片機(jī)作為脈沖發(fā)生源，輸出可同時控制驅(qū)動電火花加工放電回路和PZT致動器驅(qū)動回路的基礎(chǔ)脈沖信號，利用MOSFET功率管作為直流電路的開關(guān)元件，形成用于火花放電的脈沖信號。采用逆變電路和方波-正弦波轉(zhuǎn)換電路，保證了PZ

7、T致動器回路獲得了單相正弦驅(qū)動電壓，使放電加工時PZT致動器產(chǎn)生簡諧振動，實現(xiàn)了放電通道的壓縮。
　　在設(shè)計制造微能同步脈沖晶體管電源的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適合PZT激勵同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工的加工系統(tǒng)，包括高頻高精度PZT致動器、花崗巖基座、高速精密主軸、高精度運動伺服機(jī)構(gòu)、放電間隙平均電壓檢測及數(shù)據(jù)采集、運動控制器、數(shù)控CAM系統(tǒng)，微細(xì)電極在線制作系統(tǒng)等。
　　利用自行研制的同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工系統(tǒng)樣機(jī)，開展

8、單因素試驗研究。針對被加工工件材料去除率、工具電極相對損耗率和被加工工件表面粗糙度三個方面的電火花加工質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)，對比了壓縮放電通道與不壓縮放電通道微細(xì)電火花加工時開路電壓、脈沖寬度、脈沖放電頻率和峰值電流對加工質(zhì)量的不同影響，得出了給定條件下改變單一加工因素參數(shù)水平對材料去除率、工具電極損耗、加工表面質(zhì)量的影響規(guī)律，并分析了其原因。試驗采用電子顯微鏡、白光干涉儀和掃描電鏡等實驗設(shè)備和手段，獲得了不同單因素水平下工件材料去除率、工具電

9、極相對損耗率和被加工工件表面粗糙度的數(shù)據(jù)變化曲線，以及被加工工件表面的微觀形貌照片。研究表明，給定單因素試驗條件下，采取同步壓縮放電通道的加工方法可以獲得比常規(guī)微細(xì)電火花加工更加穩(wěn)定的加工狀態(tài)，提高工件材料的去除率，降低工具電極的相對損耗率，形成更好的表面加工質(zhì)量。
　　為了獲得更加理想的加工試驗參數(shù)，實現(xiàn)材料去除率高、工具電極損耗率低，加工表面質(zhì)量好的加工目標(biāo)，本文在單因素試驗的基礎(chǔ)上，借助正交試驗設(shè)計方法和信噪比分析法開展了P

10、ZT激勵同步壓縮放電通道微細(xì)電火花加工目標(biāo)優(yōu)化研究。采用望大特性信噪比計算公式獲得以提高工件材料去除率為優(yōu)化目標(biāo)正交試驗結(jié)果的信噪比值，采用望小特性信噪比計算公式獲得了以降低工具電極損耗和被加工工件表面粗糙度為優(yōu)化目標(biāo)的正交試驗結(jié)果的信噪比值，根據(jù)各因素對優(yōu)化目標(biāo)信噪比均值的影響關(guān)系得到獲得最大工件材料去除率、最小工具電極相對損耗率和最小工件表面粗糙度的最優(yōu)工藝參數(shù)組合，并利用實驗驗證了目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果的可靠性。
　　利用各因素對優(yōu)化