混粉电火花加工机理及关键技术研究

论文摘要

混粉电火花加工是通过在常规的煤油基工作液中添加硅、铝等微细粉末来改善放电状态,从而提高表面质量、精加工效率的一种新型加工工艺,能够有效地缓解放电面积和表面质量之间的矛盾、并可显著提高被加工件的表面性能。因此混粉电火花加工技术在模具型腔的大面积光整加工中表现出优越的潜在能力,越来越受到航空航天、汽车、精密机械等行业的重视。电火花加工技术的放电机理非常复杂,涉及到工作液、工件和电极材料、电源特性、工艺参数等许多因素,而混粉电火花加工中悬浮粉末材料、粒度、浓度改变工作液的介电性能,从而影响电火花放电机制。因此,结合粉末特性以及粉末之间的相互影响来建立粉末—工作液两相混合作用基础,研究混粉电火花加工放电击穿理论,分析工件表面性能和电极损耗机理,必将推动混粉电火花加工工艺的改进和经济成本的降低。本论文针对当今混粉电火花加工技术研究的热点问题,主要开展了如下四个方面的研究工作:1.建立混粉工作液液固两相体复合作用理论基础:在讨论粉末性质、尺寸、浓度以及其相互作用对放电过程的影响的基础上,提出新型粉末结构并进行系统分析;研究粉末团聚机理并提出防止粉末团聚的措施;初步建立混粉电火花加工的液固两相体混合理论,为自主开发更符合混粉电火花加工要求的新型粉末提供理论支持。2.研究混粉电火花加工技术的放电机理:以等离子体理论和电介质理论为基础,分析了放电通道的产生、发展到击穿等一系列阶段;用电树枝概念表征放电通道的生长的过程,论述混粉电火花加工中放电通道的形成机制、并分析了放电工艺参数以及添加粉末对放电通道的影响规律;得出了混粉电火花加工加工稳定性和加工质量提高的重要原因。3.分析实验、总结工艺规范:通过实验观察放电加工过程中工件和电极表面残留的黑斑的大小和位置变化情况,分析微观形貌、粉末浓度分布等对放电点变化的影响,并以威布尔分布模型为基础推导出混粉电火花连续放电加工中放电点位置变化的规律;在优化实验的基础上系统分析了电规准对表面性能、加工损耗的影响;深入研究电极损耗的机理;总结了混粉电火花加工工艺规范。4.电火花加工的仿真技术:借助有限元方法分析粉末对放电间隙中的电场、等离子体通道的作用,影响电极损耗的因素;同时运用神经网络实现混粉电火花加工工艺的仿真。上述研究工作既有利于对电火花放电现象的认识和了解,为掌握混合两相体的击穿特性和击穿机理、精密电火花加工工艺提供理论依据,同时也为工业应用提供技术支持。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的提出
• 1.2 电火花加工技术概述
• 1.3 混粉电火花加工研究现状
• 1.3.1 混粉电火花加工工艺的研究现状
• 1.3.2 粉末特性对火花放电的影响
• 1.3.3 混粉电火花加工机理的研究现状
• 1.4 电火花加工技术研究存在的问题及发展趋势
• 1.4.1 电火花加工技术研究中存在的问题与差距
• 1.4.2 电火花加工技术研究的发展趋势
• 1.5 本课题研究的意义及主要内容
• 2 研究基础和实验方法
• 2.1 引言
• 2.2 放电击穿理论基本发展历程
• 2.3 等离子体理论
• 2.3.1 等离子体的主要性质
• 2.3.2 等离子体和表面的相互作用
• 2.3.3 最小电压原理
• 2.3.4 电弧的压缩效应
• 2.4 电介质的性能
• 2.5 实验设备、材料以及研究方法
• 2.5.1 实验设备
• 2.5.2 实验材料
• 2.5.3 研究方法
• 2.6 本章小结
• 3 混粉电火花加工放电过程分析
• 3.1 引言
• 3.2 电子来源以及阴、阳极放电斑点的变化
• 3.3 单脉冲周期内放电过程
• 3.3.1 预击穿
• 3.3.2 击穿
• 3.3.3 消电离过程
• 3.4 本章小结
• 4 工作液与粉末间相互作用分析
• 4.1 引言
• 4.2 单个粉末对电场的影响
• 4.2.1 电场变化
• 4.2.2 电荷分布的改变
• 4.3 粉末互相作用引起局部场强的计算
• 4.3.1 添加粉末在间隙中的存在状态
• 4.3.2 局部最大场强的计算
• 4.3.3 粉末分布的影响
• 4.4 介电常数的影响
• 4.4.1 介电常数对电场有重要影响
• 4.4.2 复合介电常数对电场影响计算
• 4.4.3 影响因素分析
• 4.4.4 新型粉末性能验证
• 4.5 粉末聚积的微观机制
• 4.5.1 粉末聚积的机理
• 4.5.2 表面电位分布
• 4.5.3 粉末团聚的影响因素与控制方法
• 4.5.4 团聚粉末在流动中演变
• 4.6 本章小结
• 5 粉末对放电通道的作用机理
• 5.1 引言
• 5.2 添加粉末对放电的影响仿真
• 5.2.1 仿真过程
• 5.2.2 仿真计算结果
• 5.3 粉末对放电通道的作用机制
• 5.3.1 粉末与放电通道互相作用
• 5.3.2 不同粉末的作用效果不同
• 5.3.3 极化电场增大放电间隙
• 5.3.4 极化电场改变放电通道
• 5.3.5 实验分析
• 5.4 添加粉末对放电机理的改变
• 5.4.1 悬浮粉末在工作液中形成特殊结构
• 5.4.2 粉末浓度对加工表面的影响
• 5.4.3 粉末浓度及性能对表面质量影响的原因
• 5.5 粉末其他特性的影响
• 5.5.1 粉末浓度
• 5.5.2 粉末密度、尺寸
• 5.6 本章小结
• 6 放电点变化规律
• 6.1 引言
• 6.2 放电点变化规律的分析
• 6.2.1 统计规律
• 6.2.2 表面微观形貌的影响
• 6.2.3 添加粉末分布的影响
• 6.2.4 粉末与表面的互相作用
• 6.2.5 连续放电的规律
• 6.3 实验与结果
• 6.4 讨论
• 6.4.1 实验分析
• 6.4.2 粉末对常规电火花放电机制的改变
• 6.4.3 放电的随机性与必然性
• 6.5 本章小结
• 7 混粉电火花加工表面性能及其工艺
• 7.1 引言
• 7.2 实验方案的确定
• 7.2.1 主要影响因素的选取
• 7.2.2 实验条件的确定
• 7.3 表面性能分析
• 7.3.1 表面粗糙度分析
• 7.3.2 微观形貌分析
• 7.3.3 表面耐磨性与显微硬度
• 7.3.4 变质层
• 7.3.5 微孔等其他缺陷
• 7.4 电极损耗分析
• 7.4.1 电极端部损耗的机制
• 7.4.2 侧壁斜度产生的根源
• 7.4.3 电极损耗影响因素分析
• 7.5 混粉电火花加工工艺仿真
• 7.5.1 实验样本设计
• 7.5.2 人工神经网络模型
• 7.5.3 神经网络仿真的可行性验证
• 7.5.4 神经网络仿真在电火花加工中的应用
• 7.6 混粉电火花加工方案及其最佳规范
• 7.7 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读博士学位期间完成学术成果情况
• 致谢
• 作者简介