微细阵列电极阵列孔的组合电加工关键技术研究

论文摘要

微细电加工技术因其非接触加工、材料适应性广、没有宏观作用力等优点,在微小零件的加工中具有独特的优势。微细电火花加工、微细电火花线切割加工、微细电解加工以及超声复合微细加工技术等的研究均已取得大量的研究成果,但其对微细阵列轴、孔的加工研究则处于起步阶段,尤其是各种加工方法之间缺乏有效的组合与集成。因此适时开展针对微细阵列结构的组合电加工技术研究,充分发挥各自的技术优势,形成高效快捷、可操作性强的微细阵列电极阵列孔的组合加工技术具有十分重要的理论与现实意义。本文首先研究了微细电火花加工的基本原理,分析了放电产生的条件,理论上解释了放电点不能及时转移而形成电弧放电,损害工件表面质量的原因。通过研究微细电火花加工的反拷原理,提出了微细阵列电极的电火花超声复合反拷加工方法,并规划了加工工艺过程。从理论上详细分析了电火花反拷加工分层去除不均匀性的产生因素。为适应大规模阵列电极的加工要求,研究了微细阵列电极的线切割工艺方法。基于电解加工中阴极无损耗的优点,研究了微细阵列孔的电解加工方法。进而提出了微细阵列电极阵列孔的电火花/电解组合加工工艺。从理论上分析了超声空化发生的条件,探讨了自由气泡由于壁面液体压力满足空化初生条件而发生爆炸性成长的过程,计算了空化泡破裂时产生的巨大作用力,说明了超声空化的冲蚀作用。系统地研究了超声振动在微细电火花超声复合加工中的作用机理,说明了在微细阵列电极、阵列孔的电火花加工中复合超声频振动有利于提高加工稳定性和加工效率以及改善加工表面质量的原因。研究了微细电火花加工用微能脉冲电源的设计与实现,分析了微能脉冲电源的实现途径,对高频窄脉宽脉冲电源的设计实现进行了较为深入的研究,设计了分频电路,实现了高品质纳秒级脉冲电源。同时在微细电化学加工中提出采用双路场效应管对脉冲电源进行改进,消除了脉间维持电压,使输出电流更能符合微细电化学加工的需要,改善了加工能力和表面质量。研究了超声波发生器的工作原理,设计了超声波放大器驱动电路,通过对换能器参数的设计计算,实现了超声换能器的串联调谐。针对微细电火花加工中单个脉冲放电能量小,放电状态复杂且变化快等特点,设计间隙电压与充电电流双参数检测法,通过电压信号和电流信号互补消除状态检测的不确定性,确定采样点的放电状态,提高了间隙状态的判断准确性。设计了放电状态检测卡,在硬件上实现了间隙电压与充电电流双参数检测法。研究了RC脉冲放电的特点,根据充电常数,划分了高中低三个档次的门槛电压和电流值,通过对间隙电压和充电电流值的双参数检测来判断极间放电状态,避免了仅凭间隙电压值判断的片面性,提高极间放电状态判断的准确性。根据微细电火花脉冲放电频率远高于运动机构响应频率的特点,以各种相对放电率的统计规律作为控制系统的输入,将模糊控制技术应用到微细电火花加工中,根据相对放电率与正常放电率的误差和误差变化,结合微细电火花人工操作控制经验设计了模糊控制规则,建立了模糊控制查询表,在控制系统中实现了模糊控制算法实验。结果证明,当处于低电压和小电流的微细电火花加工时,采用双参数检测模糊控制后,有效放电增多,脉冲利用率提高,从而提高了加工效率,同时减小了电极的相对损耗率。在电火花反拷加工中,采用正交试验方法分析了加工电压、回路电容、阵列电极间距和振动振幅等工艺参数对阵列电极制作的加工效率的影响规律。在理论分析和试验研究的基础上,加工出了5×5的直径约为Φ30μm的阵列电极,并用此阵列电极加工出了5×5直径约为Φ40μm阵列孔。通过对阵列电极加工阵列孔加工效率和单电极加工阵列孔的加工效率的比较,得出了用阵列电极加工比用单电极加工具有更高的加工效率的结论。对微细阵列电极阵列孔的电火花/电解组合加工工艺进行了分析和研究。用微细电火花线切割加工机床加工出10×10系列方形阵列电极,单电极边长在30μm以下,中心间距为70μm,长0.6mm,表面质量较好。通过微细阵列电极电解加工微细阵列孔,在加工过程中采用适度循环流动工作液方法很好的解决了排屑和加工区温度过高等等难题,获得了质量较好的、大小约为100μm的阵列孔。从而实现了大规模微细阵列电极阵列孔的电火花/电解组合加工,为大规模微细阵列电极阵列孔的加工开辟了高效可行的新工艺方法。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 微细电火花加工技术的最新研究进展
• 1.2.1 电火花加工机理研究的最新进展
• 1.2.2 微细线切割加工技术
• 1.2.3 微三维结构的微细电火花加工技术
• 1.3 微细超声加工及其复合加工技术的研究进展
• 1.3.1 微细超声加工
• 1.3.2 超声复合电火花加工
• 1.4 微细电解加工的研究进展
• 1.4.1 国外研究状况
• 1.4.2 国内研究状况
• 1.5 电火花加工控制算法的最新研究与进展
• 1.6 微细阵列电极的电加工最新进展
• 1.6.1 微细阵列电极的应用
• 1.6.2 微细阵列电极的加工方法
• 1.7 研究目的、意义及内容
• 1.7.1 主要研究目的和意义
• 1.7.2 课题来源
• 1.7.3 主要研究内容
• 第2章 微细阵列电极阵列孔电加工理论分析
• 2.1 电火花加工过程原理
• 2.1.1 火花放电过程
• 2.1.2 火花放电中的热传导模型
• 2.2 微细阵列电极的电火花反拷加工
• 2.2.1 微细阵列电极的电火花反拷加工工艺
• 2.2.2 电火花反拷加工分层去除的不均匀性
• 2.3 微细阵列电极阵列孔的电火花/电解组合加工
• 2.3.1 微细阵列电极的线切割加工
• 2.3.2 微细孔的电解加工
• 2.3.3 微细阵列孔电解加工的复制精度和重复精度分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 超声复合微细电火花加工技术研究
• 3.1 概述
• 3.2 超声空化的作用机理
• 3.2.1 超声空化的产生条件
• 3.2.2 超声空化的冲蚀机理
• 3.3 超声复合中火花放电状态的分析
• 3.4 超声复合中微细电火花放电的稳定性
• 3.5 超声复合在微细阵列电极电火花反拷加工中的作用
• 3.5.1 放电状态
• 3.5.2 加工效率
• 3.5.3 表面质量
• 3.6 本章小结
• 第4章 超声复合微细电加工系统研究
• 4.1 微能脉冲电源设计
• 4.1.1 RC 脉冲电源
• 4.1.2 超高频窄脉宽晶体管脉冲电源的设计与实现
• 4.1.3 双路绝缘栅型场效应管脉冲电化学加工电源
• 4.2 超声波放大器驱动电路设计与换能器的串联调谐
• 4.2.1 超声波放大器驱动电路设计
• 4.2.2 超声换能器的串联调谐
• 4.3 放电状态检测卡设计
• 4.3.1 电火花加工放电状态检测法
• 4.3.2 微细电加工放电状态的间隙电压与充电电流双参数检测法
• 4.3.3 放电状态检测及其接口电路
• 4.4 本章小结
• 第5章 基于模糊控制的微细电火花智能加工系统
• 5.1 微细电火花加工放电状态的判断与统计
• 5.1.1 RC 脉冲放电的特点
• 5.1.2 放电间隙状态的判断与统计
• 5.2 微细电火花加工模糊控制算法的设计
• 5.2.1 控制变量的模糊化处理
• 5.2.2 模糊控制规则的建立
• 5.2.3 模糊控制查询表及算法流程图
• 5.3 微细电火花加工模糊控制系统实验研究
• 5.4 本章小结
• 第6章 微细阵列电极阵列孔的电火花与电解组合加工工艺研究
• 6.1 微细阵列电极的电火花反拷加工实验研究
• 6.1.1 超声复合电火花反拷加工装置
• 6.1.2 微细阵列电极的电火花反拷加工正交工艺实验研究
• 6.1.3 微细阵列电极加工结果分析
• 6.2 微细阵列电极的线切割加工实验研究
• 6.2.1 工艺参数分析
• 6.2.2 加工结果分析
• 6.3 微细孔的单电极和阵列电极电火花加工的效率比较研究
• 6.4 微细阵列孔的电解加工工艺研究
• 6.4.1 微细阵列孔电解加工的伺服进给控制策略
• 6.4.2 工艺参数对加工效率的影响
• 6.4.3 微细阵列孔电解加工的实验研究
• 6.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 攻读博士学位期间申请专利情况
• 致谢
• 个人简历