發(fā)布時(shí)間：2020-10-10 11:27

　　 隨著微機(jī)電系統(tǒng)的快速發(fā)展,微尺度零部件和微型結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛,精度要求越來越高,這對(duì)微細(xì)加工技術(shù)也就提出了更高的要求。傳統(tǒng)的微細(xì)切削技術(shù)均為接觸式加工,具有較大的切削力,在微尺度切削時(shí)會(huì)導(dǎo)致工件變形,影響加工精度。作為特種加工技術(shù)之一,微細(xì)電火花加工屬于非接觸式加工,宏觀作用力極小,依靠火花放電產(chǎn)生的局部高溫實(shí)現(xiàn)材料去除,非常適合微小零部件的加工。微細(xì)電火花加工技術(shù)通常被看作是宏觀電火花加工技術(shù)在微尺度領(lǐng)域的應(yīng)用,然而,大量的研究表明,由于尺度效應(yīng)的影響,微細(xì)電火花加工在加工機(jī)理和加工性能方面呈現(xiàn)出了許多與宏觀電火花加工完全不同的特性。對(duì)微細(xì)電火花加工中的尺度效應(yīng)進(jìn)行系統(tǒng)研究,揭示其形成機(jī)制、作用機(jī)理和影響規(guī)律,有利于更好地應(yīng)用該加工技術(shù),提高加工性能的可預(yù)測性和可控性。本文從形成機(jī)制、作用機(jī)理和影響規(guī)律三個(gè)方面對(duì)微尺度放電條件下的尺度效應(yīng)進(jìn)行了系統(tǒng)研究。從介質(zhì)擊穿和放電通道擴(kuò)展的角度,研究了尺度效應(yīng)的形成機(jī)制。對(duì)現(xiàn)有的電介質(zhì)擊穿機(jī)制進(jìn)行了對(duì)比分析,提出了一種適用于微細(xì)電火花加工的新的氣泡-電子擊穿機(jī)制。從放電通道內(nèi)帶電粒子受力的角度,對(duì)等離子放電通道擴(kuò)展階段進(jìn)行了理論分析,推導(dǎo)了放電通道擴(kuò)展加速度的變化規(guī)律�；诜烹娡ǖ榔胶鈼l件,得到了放電通道內(nèi)部磁感應(yīng)強(qiáng)度和壓強(qiáng)分布表達(dá)式。理論分析結(jié)果表明,微尺度電火花加工和宏觀電火花加工在電介質(zhì)擊穿和放電通道擴(kuò)展方面均存在較大差異,這些差異必將會(huì)引起能量傳遞的不同,進(jìn)一步導(dǎo)致加工性能的差異,從而引起微尺度放電條件下的尺度效應(yīng)。研究微尺度放電過程中的能量分配,分析了尺度效應(yīng)的作用機(jī)理。分析了微尺度與宏觀尺度電火花加工在材料去除方式上的差異,提出了適用于微細(xì)電火花加工的電熱理論模型�；陔姛崂碚撃Ｐ�,提出了通過對(duì)比微細(xì)電火花加工單脈沖放電凹坑尺寸和計(jì)算得到的溫度分布規(guī)律來確定放電過程中的能量分配和放電通道直徑的方法。開發(fā)了最小脈寬可達(dá)1μs的微能脈沖電源,并利用微能脈沖電源分別進(jìn)行了正極性加工和負(fù)極性加工單脈沖放電實(shí)驗(yàn),研究了放電持續(xù)時(shí)間和放電電流對(duì)放電凹坑深徑比、放電通道直徑和能量分配的影響規(guī)律。研究結(jié)果表明,在微尺度放電條件下,陽極表面放電通道半徑大于陰極表面放電通道半徑,而且放電持續(xù)時(shí)間越短,二者之間的差異越大。此外,傳入電極的能量百分比隨放電持續(xù)時(shí)間的增長而增大,而且放電電流越小,放電持續(xù)時(shí)間對(duì)放電能量分配的影響越明顯,這種電參數(shù)尺度對(duì)能量分配的影響是導(dǎo)致微尺度放電過程中尺度效應(yīng)的重要原因。研究了工具電極形狀和旋轉(zhuǎn)對(duì)微細(xì)電火花加工性能的影響,隨著放電能量的微小化,工具電極最佳轉(zhuǎn)速呈現(xiàn)明顯的尺度效應(yīng)。對(duì)放電間隙內(nèi)的電蝕產(chǎn)物進(jìn)行了受力分析,仿真分析了電極形狀和轉(zhuǎn)向?qū)﹄娊橘|(zhì)流動(dòng)特性的影響。螺旋電極正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)所獲得的加工效果存在很大差異,螺旋電極正轉(zhuǎn)能夠獲得較高的加工精度,而螺旋電極反轉(zhuǎn)能夠獲得較大的材料去除率。此外,在不同的放電能量下進(jìn)行了電火花鉆削實(shí)驗(yàn),選取材料去除率、相對(duì)電極損耗率和短路次數(shù)作為加工性能的評(píng)價(jià)指標(biāo),實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,隨著放電能量的微小化,在最佳轉(zhuǎn)速方面呈現(xiàn)出了明顯的尺度效應(yīng),最佳轉(zhuǎn)速隨放電能量的減小而逐漸減小,這是因?yàn)檩^小的放電能量對(duì)放電通道的維持能力不強(qiáng),放電通道很容易被“拉斷”,所以對(duì)應(yīng)較小的最佳轉(zhuǎn)速。研究了電火花加工中工具電極尺度微小化引起的尺度效應(yīng)。理論分析了工具電極直徑對(duì)極間電場強(qiáng)度和放電能量的影響規(guī)律,并對(duì)極間電場強(qiáng)度進(jìn)行了仿真分析,采用微尺度(直徑小于500μm)和宏觀尺度(直徑大于500μm)的工具電極進(jìn)行電火花加工實(shí)驗(yàn),研究了工具電極直徑對(duì)材料去除率、表面粗糙度和材料遷移等加工性能的影響。研究結(jié)果表明,電極直徑的微小化會(huì)導(dǎo)致極間局部電場強(qiáng)度的增大和放電能量的減小,從而導(dǎo)致材料去除率和電極損耗率降低;相對(duì)電極損耗率呈現(xiàn)出了顯著的尺度效應(yīng),在微細(xì)電火花加工范疇內(nèi),相對(duì)電極損耗率隨電極直徑的減小而減小,而在宏觀電火花加工范疇內(nèi),相對(duì)電極損耗率隨電極直徑的減小而增大;此外,表面粗糙度和材料遷移也呈現(xiàn)出了不同程度的尺度效應(yīng)現(xiàn)象,而且放電能量越小,尺度效應(yīng)越明顯。定量評(píng)估了微尺度放電條件下的尺度效應(yīng)�；谡粚�(shí)驗(yàn)和相似理論,提出了微細(xì)電火花加工中的尺度效應(yīng)評(píng)估方法,并通過正交實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性,對(duì)尺度效應(yīng)的類型和程度進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明,開路電壓、電容和電極直徑尺度的微小化導(dǎo)致在材料去除率、相對(duì)電極損耗率和過切方面呈現(xiàn)出了不同程度的尺度效應(yīng),開路電壓是對(duì)微細(xì)電火花加工中尺度效應(yīng)影響最顯著的因素;隨著加工尺度的微小化,加工方式由宏觀電火花加工逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒓?xì)電火花加工,由此產(chǎn)生的尺度效應(yīng)屬于正尺度效應(yīng),而且,加工尺度微小化程度越高,尺度效應(yīng)越顯著。
【學(xué)位單位】：山東大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TG661
【部分圖文】：

電火花線切割加工（Ｗｉｒｅ?Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ?Ｄｉｓｃｈａｒｇｅ?Ｍａｃｈｉｎｉｎｇ，簡稱?Ｗｉｒｅ?ＥＤＭ）??技術(shù)是采用直徑為０．１？〇．３ｍｍ的工具電極絲進(jìn)行放電加工，通過數(shù)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)??走絲運(yùn)動(dòng)和進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，如圖１－１所示，鉬絲、鎢絲和銅絲是最常用的工具電極［１３，??１４］。線電極通常垂直于工件表面，在數(shù)控系統(tǒng)的精確控制下，電火花線切割加工??技術(shù)可在二維平面內(nèi)加工出復(fù)雜的幾何形狀［１５］，通過改變電極絲導(dǎo)向輪的角度，??也可用于簡單的三維形貌加工，但無法用于盲孔加工。??儲(chǔ)絲筒??放電間隙??導(dǎo)向輪??儲(chǔ)絲筒??圖ｉ－ｉ線切割加工示意圖Ｍ??根據(jù)走絲速度的差異，將電火花線切割技術(shù)分為低速走絲線切割技術(shù)、高速??走絲電火花線切割技術(shù)和自旋轉(zhuǎn)線切割技術(shù)。低速走絲線切割技術(shù)也就是通常所??說的“慢走絲”線切割技術(shù)，電極絲單向運(yùn)動(dòng)，不重復(fù)使用，走絲速度通常低于??０．２ｍｍ／ｓ，由于走絲速度較小，電極絲基本不存在抖動(dòng)的問題，因此，該方法具??有較高的加工精度。高速走絲線切割技術(shù)的走絲速度通常為６？１２ｍｍ／ｓ，在電極??絲的往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中

電解電火花復(fù)合加工技術(shù)??統(tǒng)的電火花加工不同，電解電火花復(fù)合加工（Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ，簡稱ＥＣＤＭ）中所使用的工作液并不是電介質(zhì)，而是含有解液。在該加工方法中，在電極表面首先發(fā)生電解反應(yīng)，氫離極）表面獲得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣，氫氣分子逐漸漸擴(kuò)大，在工具和工件之間形成氣泡橋，從而在電極之間產(chǎn)生導(dǎo)致氣泡被擊穿并產(chǎn)生火花放電，從而實(shí)現(xiàn)工件材料的去除，件電極）表面發(fā)生的氧化反應(yīng)同樣能夠起到蝕除工件材料的作去除是電解反應(yīng)和火花放電共同作用的結(jié)果。??助電極的幫助下，該加工方法還可用于非導(dǎo)電材料的加工如圖和工具電極分別作為電解反應(yīng)的陽極和陰極，在工具表面產(chǎn)生花放電不再發(fā)生于工具與工件之間，而是在工具和電解液之間生的瞬時(shí)高溫和沖擊力蝕除工件材料［３２］。??電源??

第１章緒論??當(dāng)背吃刀量（圖１－４中的／０減小至與晶粒同等量級(jí)時(shí)，切削過程即變成圓弧狀??的切削刃對(duì)單個(gè)晶粒的切割去除［＠。??（ａ）?（ｂ）??／ＩＸａ?—ｈ???ｘ?ｆ?丁、，－?■?．?‘?？?？?／?■?￣：￣：￣ａ，??■ｗ〇ｒｋｐｉｆｔ＜＾／ｙＶｘ?ｘｘ?／?Ｋ入Ｘ．Ｘ產(chǎn)０ｒｋｐｔｅｃ＇０ＸＸＸＡ＂Ａ??ｙ＼／ｖ?＼／?＼／?ｙ?Ｖ?＼／Ｎ?＾?Ｖ｜?．．．?／?／??圖１＊４切削加工示意圖：（ａ）宏觀尺度切削；（ｂ）微尺度切削［６Ｑ］??晶粒和晶界是液態(tài)金屬材料在結(jié)晶過程中逐漸形成的，它們之間的物理性能??和力學(xué)性能存在較大差異，但這種差異對(duì)宏觀切削過程的影響不大。在微切削中，??當(dāng)?shù)毒呓?jīng)過晶界時(shí)，加工條件發(fā)生變化，引起切削力變化，從而加劇刀具的振動(dòng)??和磨損［６１，６２］。??Ａｒａｍｃｈａｒｏｅｎ等［６Ｇ］研究了微細(xì)切削中的主切削力隨背吃刀量與刀尖圓弧半??徑比值的變化規(guī)律。隨著背吃刀量與刀尖圓弧半徑比值的減小，微細(xì)切削中的主??切削力逐漸增大，當(dāng)該比值小于１時(shí)，主切削力急劇增大，呈現(xiàn)出了明顯的尺度??效應(yīng)。Ｌｉｕ等［６３］通過微切削實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)尺度效應(yīng)對(duì)微切削中的切削力、切削厚??度、切屑類型和表面粗糙度等指標(biāo)均有明顯的影響。??由以上分析可知
【參考文獻(xiàn)】

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