超声复合电火花加工系统分析及试验研究

论文摘要

本文概述了微细超声加工、微细电火花加工和超声复合电火花加工在国内外的研究现状与发展趋势,分析了这三种微细加工方法的加工机理和加工特点,分析并优化了超声振动系统的特性,设计、制作超声复合电火花加工工具电极,进行了微细超声复合电火花加工试验,为微细加工技术开发出以超声频振动调制火花放电加工的新工艺。构造了超声复合电火花加工系统,选用具有自动反馈功能,可跟踪超声振动系统实时频率变化的数字超声装置,保证超声装置的激振频率始终在系统的共振频率点,即电极工具端面始终处于共振,即最大振幅状态；采用压电换能器,较传统磁致伸缩换能器具有更稳定的性能,且体积紧凑,加工过程中无磁滞效应带来的温升,系统性能更稳定,使用方便；采用磁悬浮张力可微细调节的蠕动工作台进给装置,可保证加工中工具电极与工件之间恒定工作压力。设计、改进超声频同步电源斩波器,用此斩波器对放电加工电源进行超声频斩波,得到超声放电同步高频脉冲电压；同时采用精密、高速激光微位移传感器直接测量工具电极端面超声频振动位移,通过调制转换电路,进行火花电源超声频同步斩波,通过两种同步方法的测试比较,验证采用斩波器斩波与激光微位移传感器斩波,超声频振动位移频率、相位与得到的放电斩波脉冲频率、相位一致性很好,因此采用超声频同步电源斩波器来进行超声复合同步电火花加工可以达到用激光微位移传感来测量、处理与放电斩波的同样效果,由于精密、高速激光微位移传感器价格很高(8000美元以上),此方法可大大减少系统的研制成本,此同步快速斩波电源已申请发明专利。对超声振动系统运用ANSYS软件工具进行优化分析、探讨。对超声变幅杆进行参数计算和动力学分析。在模态分析中,得到各自的固有频率；在谐响应分析中,得到在各自的固有频率下的动态响应,进而得到变幅杆的位移节点、放大系数和极大应变点,并且与解析值相比较,结果证明两者之间基本一致,为超声变幅杆的设计建立理论基础。进行变幅杆的设计、制作,使用连接工具头电极的圆锥形、指数形、阶梯形三种变幅杆进行设计和仿真。先将其进行参数计算,得到各自的最理想长度。然后将其进行动力学分析,得到变幅杆的放大系数,位移节点和极大应变点,根据分析结果进行合理的修正。用三种类型变幅杆进行激光微位移传感器检测各自端面共振的振幅,其结果与动力学分析基本一致；并且指数形变幅杆加工的稳定性好。本文通过试验、测量,验证了超声加工功率与电极端面共振振幅正相关的规律；试验了不同材料的超声加工试验,进行加工结果对比、分析；进行了多参数超声复合电火花同步加工试验,将超声复合电火花同步加工分别与超声加工进行比较,证明了超声复合电火花同步加工在提高加工精度方面的技术优势。最后对超声复合电火花同步加工的工艺特性进行分析与总结,提出存在问题及完善的措施,并对后续研究工作提出了设想和展望。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 1.1 特种加工技术
• 1.2 微细加工技术
• 1.3 电火花加工的国内外研究现状
• 1.4 超声加工的国内外研究现状
• 1.5 复合加工技术
• 1.5.1 复合加工技术概念及分类
• 1.5.2 超声电火花复合加工的国内外研究现状
• 1.6 本论文课题的来源、选题依据和研究内容
• 1.6.1 课题来源
• 1.6.2 选题依据
• 1.6.3 研究内容
• 第二章 超声复合电火花加工理论的研究
• 2.1 电火花加工
• 2.1.1 电火花加工的原理
• 2.1.2 脉冲电源放电
• 2.1.3 电火花加工的基本过程
• 2.2 超声加工
• 2.2.1 超声加工的基本原理
• 2.2.2 超声加工的应用
• 2.2.3 超声加工的特点
• 2.3 超声复合电火花加工理论的研究
• 2.3.1 超声复合电火花加工机理
• 2.3.2 超声振动对放电状态的影响
• 2.3.3 超声振动对材料抛出的影响规律
• 2.3.4 超声复合电火花加工表面微观分析
• 2.4 本章小结
• 第三章 超声复合电火花加工的系统构建及完善
• 3.1 电火花加工装置
• 3.1.1 电火花加工电源
• 3.1.2 工作液
• 3.2 超声加工装置
• 3.2.1 超声波发生器
• 3.2.2 超声振动系统
• 3.3 工作台进给装置
• 3.4 控制、测量装置
• 3.4.1 数字存储示波器
• 3.4.2 斩波电路
• 3.4.3 体视显微镜
• 3.4.4 激光微位移传感器
• 3.5 放电与超声振动同步加电方式
• 3.5.1 幅值比较复合同步
• 3.5.2 位移比较复合同步加电方式
• 3.5.3 超声斩波同步加电方法同步精度的检测比较
• 3.6 本章小结
• 第四章 超声变幅杆的动力学分析和设计
• 4.1 超声变幅杆简介
• 4.1.1 超声变幅杆的作用
• 4.1.2 变幅杆的特定参数
• 4.2 变幅杆纵振动的波动方程
• 4.3 各种变幅杆的参数计算
• 4.3.1 圆截面指数形变幅杆的参数计算
• 4.3.2 圆截面圆锥形变幅杆的参数计算
• 4.3.3 圆截面悬链线形变幅杆的参数计算
• 4.3.4 圆截面阶梯形变幅杆的参数计算
• 4.3.5 参数分析
• 4.4 传统变幅杆的有限元分析
• 4.4.1 有限元概述
• 4.4.2 建立有限元模型
• 4.4.3 传统变幅杆的模态分析
• 4.4.4 传统变幅杆的谐响应分析
• 4.4.5 小结
• 4.5 变幅杆的设计
• 4.5.1 变幅杆材料的选择
• 4.5.2 带工具头的圆锥形变幅杆的设计与仿真
• 4.5.3 带工具头的指数形变幅杆的设计与仿真
• 4.5.4 带工具头的阶梯形变幅杆的设计与仿真
• 4.5.5 对设计变幅杆仿真结果的比较分析
• 4.6 本章小结
• 第五章 超声复合电火花加工试验及结果分析
• 5.1 试验参数选择
• 5.1.1 工件材料
• 5.1.2 磨料和工作液
• 5.1.3 超声参数
• 5.1.4 电参数
• 5.1.5 工具和工件之间的静压力
• 5.2 工具电极的设计和制作
• 5.2.1 工具电极材料的选择
• 5.2.2 正方形和菱形微凸起工具电极的制作
• 5.2.3 阵列圆形微凸起工具电极的制作
• 5.3 试验方案的设计
• 5.4 加工试验
• 5.4.1 不同功率与振幅的试验
• 5.4.2 对设计的三种变幅杆的放大系数的比较试验
• 5.4.3 单一超声加工的研究
• 5.4.4 超声同步复合电火花加工试验
• 5.4.5 加工参数对加工的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论和展望
• 6.1 结论
• 6.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文及研究成果