微尺度群凸起电火花加工试验设计_本科毕业设计论文(编辑修改稿)

微尺度群凸起电火花加工试验设计_本科毕业设计论文(编辑修改稿)内容摘要：

能 ， 同时也减少发动机工作时的 漏气和油耗。 几种微凸起结构的加工方法 电火花成型加工 电火花成型加工技术 从起步到现阶段 已 经历了 70来 年， 由于 高速铣加工 在工作效益上大大超出它，故而一些 人 认为应该将这项技术划出 模具加工 的范畴。 反对声音也有， 电火常熟理工学院毕业设计（论文） 6 花机床制造商 认为， 对于 部分 窄槽加工 来说 ，高速铣 依旧不能解决。 同 属于 电火花加工，仅仅 40多 年 的发展 ，线切割技术 作为型腔加工已存在的主体，它的技术已 经相当的成熟，在产值方面，它仍高出成型加工的数倍。 由于电火花成型加工 的复杂机理 ， 电火花成型加工现阶段不怎么如意，不过 它 还处于 的成长期， 距离它成为 型腔中精加工工艺的 主体目标还有 好长 一段路要走， 所以这就要求它 要更努力一些 [11]。 电火花成型加工技术 长期以来难以推广 应用 ，这其中的 的内因 主要 是：加工对象 随着科技发展，日趋 复杂，操作 员工 对加工参数 难以控制 以及 不能很好地维 持加工过程的稳定可靠 性 ， 加工 生产 的 厂 方 虽然提供 部分 成套参数。 不过这些数据还达不到 实用的要求， 就安全规范 、 成型 效率、粗糙 指数 、电极的损耗、尺力精度等等 指标 ，怎样在它们之间 取得平衡， 来 达到 预期的 权衡序列， 难以实现。 电火花成型加工的优点 ： （ 1） 电火花成型加工 的过程中 没有切削力 的 存在 ， 所以被加工 的 材料 不会发生 变形 很大程度上 保证其加工精度。 （ 2） 电火花成型加工 的过程中 没有 过大 的机械加工力 ， 因而 加工用的 机床 相对 轻巧，也不需要 再去考虑安 装基础 设备。 （ 3） 电火花成型加工 能够 加工 一切 硬、软、脆、韧、高熔点的金属材料。 （ 4） 电火 花 成型加工 是一类 不 触碰的 加工， 也就是说 加工 的 时 候 工具与 工件两电极之间是不 触碰 的；相 比较 其它加工方式 ，这种加工方式是 不会 对 工件 造成 硬性 的 伤 害。 （ 5） 电火花成型 加工技术 可 以 加工硬度较高的工件 ，我们一般所遇到的 加工是 用 硬的刀具 来 加工较为 软 的物体， 不过 电加工 却是利用 软的电极 来 加工 较 硬的工件。 （ 6） 电火花成型加工 不会因为像存在 R 角的 铣加工 那样，它可以对工件根据要求构建竖直拐角 ，从而达到目标加工。 （ 7） 电火花成型加工 过程中所利用的 工具电极材料 没有必要去 比工件材料硬， 所以 工具电极 是比较 容易 制造出来的 [12]。 （ 8） 电火花成型加工 过程 中 受热很小，可以忽略其影响 ， 所以 可以 削弱 影响 的 层 面 ， 这样 工件质量 会大大提 高。 电火花成型加工的缺点 （主要是 电极材料的 选择方面 ） ： （ 1） 铜钨合金材料 最大的 缺点 就是 是价格昂贵， 所以 材料来源 是十分 困难 的。 （ 2） 紫铜材料本身熔点低，不 适合 承 载 较大的电流密度，一般 实验过程中 不能 够利用 超过 30A 的 电流 来 加工，否则会 导致 电极 材料 表面龟裂、严重受损，影响加工 的 效果。 此外常熟理工学院毕业设计（论文） 7 该材料 热膨胀系数 比 较大， 假如 加工深窄筋位 的 部分， 在 较大电流下 会 很容易 因为 局部高温使电极 材料 发生形变 ， 通常紫铜电极 是 采用低损耗， 这样的 加工平均电流较小， 所以 其生产率并不 是很 高 [13]。 （ 3） 石墨电极 材料的 缺点是放电稳定性 通常不尽人意 ， 受 电弧放电 影响不适合精细加工 ，一般 是用来加工 损耗较大 要求的 加工。 而且石墨电极材料最终加工出来的工件表面粗糙度十分差 ，加工 过程伴随着 掉渣 等情况，甚至是表层脱落。 最主要的是 要 利用 专门的加工机器 来 制作石墨电极。 超声加工 在现代功能陶瓷材料中 ， 压电陶瓷 是处于 非常重要的地位，用途 十分广泛。 压电陶瓷是 一种 新型 的 功能电子材料 ，具备有 高智能 化。 随着 科技不断发展， 材料及工艺 也得到 不断研究和改良，信息、电子、航空航天 等 高科技领域 也是一天一个面目的改进 ，压电陶瓷材料 的 制作技术 与 开发应用 也将前途远大 ， 备 受到 社会 的关注和重视。 依赖于精良的加工工艺，压 电陶瓷 受到 广泛 的 应用。 针对 压电陶瓷 ， 为了提高 其 加工精度 和 材料的性能，就需要 不断地 开发新材料及新的加工工艺。 压电陶瓷 是一种 非金属脆性材料，由于 一般 的机械加工方法作用力过大 ， 加工时 容 易出现裂纹 和 脆断 ， 对其进行精确加工 十分艰难 ，又 因为 其 是 非金属材料 ，所以 不适合用电加工方法。 而超声加工既无宏观机械作用力、没有热作用、不依赖于材料的导电性，又可加工 确定 比 值的 高深宽三维立体结构，加工精度 和 零件表面质量 效果都很 好，因此超声微细加工在压电陶瓷材料 加工上具 有独特的优势，有着良好 进步空间和 发展前景。 超声加工英文简称为 USM，它是一种 利用超声频 来使工具做 小振幅振动，通过游离于它与工件之间 的 液体中的磨料 来 捶击被加工表面，使 得 工件材料表面逐步破碎 以实现预期目标 的特种加工。 超声加工常用于焊接、切割、套料、穿孔和抛光。 超声加工的优点 （ 1） 能 使得 加工表面质量和精度 提高 ，而且加工 迅速 ，生产效率高。 （ 2） 超声加工 没有造成损耗的 热效应 ，也没有影响精度的粗显的 切削力。 这样的性能 可以高效 地 加工 各种 硬脆材料。 超声加工的缺点 （ 1） 需要 针对相应的材料 研制 出 专门的超声加工机床。 常熟理工学院毕业设计（论文） 8 图 21 超 声加工 电火花放电加工 通过 微细放电加工技术 来 制作微坑表面结构 和 微凸起 结构 ,主要 是利用微坑 和 微凸起的相对几何关系 ,再利用 电火花微精线切割 技术来 加工制备 所需要的不同形状 阵列 的凹槽电极 ,然后根 据反拷贝原理 ，用 电火花成 型 加工 技术加工 微坑阵列 ， 将 工件和电极的 凹凸关系反置 一下 设计 出来 ,最终实现将 微凸起结构阵列 加工到工件表面 [14]。 放电加工的优点 （ 1） 一般的 加工机 会在加工过程中受 切削力 影响有损 工件， 而电火花 放电加工 不会。 （ 2） 放电加工 可以制造 出 传统切削加工机 不能加工 生产 所要求 的特殊形状 的产品。 （ 3） 即使是 加工坚硬的材料 ， 也 会 有 较好 的公差精度。 放电加工的缺点 （ 1） 加工 的 速度 相对 缓慢。 （ 2） 不能加工非导体 材料。 微凸起 结构加工方法的选择 微凸起 结构 的加工 是一种高精密的加工，要综合考虑到加工的效率、精度、设施、材常熟理工学院毕业设计（论文） 9 料等各方面要求。 （ 1） 就加工精度，将上面三种加工方法相比较，电火花成型加工可以保证相对较好的加工精度，而超声加工的加工精度次之，最后电火花放电加工只有加工硬质的材料才能保证较好的加工精度。 （ 2）就设施的要求，只有超声加工需要针对加工材料设计出专门的超声机床，所以说它对设施的要求 比较高，而电火花放电加工和电火花成型加工都可以使用一般的电火花机床。 （ 3）就材料的要求，电火花成型加工在一般情况下适宜加工具有高熔点的金属材料，电火花放电加工无法对非导体材料进行加工，而超声加工大多数情况下适宜用来对硬、脆等性能的材料实施加工。 （ 4） 就加工效率，就上述三种加工方法进行比较，电火花放电加工相对效率比较低，反之，超声加工迅速，生产效率相对高，而电火花成型加工只能在小电流下加工，生产效率也是相对较低的。 综上所述，电火花成型加工具备更好的加工优势，其最大优势在于不需要与工件相接触，同时保证相对较高的加工精度，在目前阶段有现成的加工机床，另一边它的工具电极比较容易制造出来，唯一的缺陷就是在加工效率上还有待提高。 经过以上比较，最终选择利用电火花成型加工来对微凸起结构进行加工。 常熟理工学院毕业设计（论文） 10 第三章 加工电极的制作 电极的制作方法及选择 在以前 ,通常有 两 个 方法 可以用来制作微电极 ： 第一个方法 是将通过磨削 或 切削 加工出来的 电极 直接装置 到电火花机床上 ； 而另 一 个 方法 则 是 单纯的经过 冷拔 的效果拉出来 的 所预期的 细金属丝 ,再 矫 正使 它 直 线 后安装到机床上。 因为这两种 离线方法都 必须实施 二次安装 过程 ，所以 导致了 重复定位 的 误差 ， 同时， 这 两种 制作微细电极的方法 存在 自身特 有 的限制 ，所 加工 出来 的微细电极 达到 直径 50μm就已是 极限 ， 更为精细的确实无能为力。 后来，人们 为了克服 以上 加工方法的缺陷 ， 又 进一步 发明了块电极反拷、线电极磨削、单脉冲放电加工等 其他相对改良的 微细电极制作方法 [15]。 （ 1） 块电极反拷法 (EDG) 块电极反拷法的加工原理是依据逆电火花加工法，是一类在线制造微细电极的，比较传统的制作方法。 （ 2） 线电极磨削法 (WEDG) 1984年，东京大学 增泽隆久 通过多次试验发明出该方法。 这种微细电极制作方法尤其适合于 对 微细轴类零件 实施微电火花加工。 线电极磨削法 主要 是利 用固定在数控 操作平 台上 面 的导向器 (一类非 转动导轮 )之上的 导向表面 以一 均匀 速度运动 的线电极 当做 加工 的 工具，数控系统 在人为 控制 下使得 固定 的 导向器切点 做 相对运动， 出现 线电极轴的径向和轴向作沿转动 轨迹 伺服进给。 通过这种途径来制作微细电极 ,主要 是依靠移动的电极丝与转动的电极，两者间进行放电所达到目的的。 （ 3）单脉冲放电法 当 工件与电极十分逼 近 的 时 候 ， 由于 放电间隙间 存在着火花液 ，加工 时候的 电流 不能流通。 而 当 放电 间隙 变得更小的 时 候 ， 工件与电极间距离达到最小 ， 受 电场效应 影响， 形成一个 可以通电 的电离管道 ，进 而 形成电火花 ， 构成 细 微的 电弧柱。 当 电流密度 达到一个极 高 点时 ， 会使得工件被 融化。 被融化 的那 部分变成 极其微细的粉末 ， 流散到 加工液 当 中，随后被冲出去 ， 最后 留 下 的痕迹 会在火花液中 冷却，放电间隙 之 间恢复 到 绝缘 态 ，而 在 放电点 的那处地方没有 被除 掉的 部 位 隆起， 便是 下一个 弧 波电流 进行 放电 的 点， 这便构成了电脉冲 放电加工。 （ 4） 电火花线切割法 常熟理工学院毕业设计（论文） 11 电火花线切割法 是 依靠 电极丝 （一般用 细金属丝） ，使它能够不断移动。 在脉冲 电压下进行火花放电，对工件进行腐蚀加工定型。 由于电火花线切割法 生产周期短、加工余量小、制造成本低、加工精度高， 被 广泛应用 于生产中 ， 就 目前国内外 而言， 电火花线切割机床 在 电加工机床总数 中已占比例达到 60％以上 [16]。 就上述四种制作电极的方法进行比较： （ 1）用块 电极反拷法来制作电极， 最明显的优势就是较高的加工效率，不过块电极在加工中本身会出现损耗 ， 所以加工的时候难以控制微细电极的尺寸，这对于加工更精密的电极材料带来了不便。 （ 2）用线电极磨削法来制作电极，在这过程中损耗会被电极的移动所抵消。 这样可实现电极尺 寸精度更好的被控制，也可以制作出各种复杂形状（例如螺旋形，多边形）的微细电极。 不过这种方法是点接触放电，它的缺点在于加工效率低。 （ 3）用单脉冲放电法来制作电极，这种方法加工效率高 ,没有必要准备其他辅助的设备 ，利 用一般的电火花成形机床就可以实现。 但这种方法是离线制作 ，所以他的缺点就是难以实现微三维结构的加工。 （ 4） 用线切割法来制作电极，加工精度比较高。 根据上面所述，加工微凸起结构的电极必须满足加工精度较高的要求，线电极磨削法不满足高的加工精度，同样 块电极反拷法对于电极的尺寸也难以控制， 因此这两种方法首。