基于非接触给电的高速微细电火花铣削加工技术研究

结题报告

项目介绍

AI项目解读

基本信息

批准号：
51175121
项目类别：
面上项目
资助金额：
62.0万
负责人：
杨晓冬
依托单位：
哈尔滨工业大学
学科分类：
E0509.加工制造
结题年份：
2015
批准年份：
2011
项目状态：
已结题
起止时间：
2012-01-01 至2015-12-31

项目参与者：
国枝正典；韦东波；冯光磊；朱国征；谭龙华；田坤；
关键词：
高效蚀除高速主轴转速非接触给电微细电火花铣削加工

项目摘要

提高微细电火花加工效率的前提是保证放电状态稳定，因此普遍采用电极旋转方法。但对于微小电极，只有大幅度提高电极转速才能有效提高电极的圆周运动线速度，从而明显促进放电点分散，抑制电极表面温度上升，促进排屑，提高放电稳定性。但传统的电刷接触式给电方式使主轴在旋转时振动和磨损加剧，限制了主轴转速的进一步提高。本项目突破普遍采用的电极转速范围，通过使用数万转/分以上的高速气浮电主轴，以非接触给电方式来实现高速微细电火花铣削加工。电极高转速还可促进放电柱在阴极滑动，减少作用在阴极的能量密度，电极为阴极时可实现电极低损耗，有益于提高放电铣削加工精度。本项目将明确主轴高速旋转下微细电火花铣削加工的极间现象，揭示放电屑输运与排出机制和高效蚀除机制，建立主轴高速旋转下的铣削放电加工方式、电极损耗补偿和工艺优化策略。本研究为大幅度提高微细电火花铣削加工速度提供理论依据和技术支持，对促进其实用化具有重要研究意义。

结项摘要

提高微细电火花加工效率的前提是保证放电状态稳定，因此普遍采用电极旋转方法。但对于微小电极，只有大幅度提高电极转速才能有效提高电极的圆周运动线速度，从而明显促进放电点分散，抑制电极表面温度上升，增加极间工作液流动性，促进排屑，提高放电稳定性。电极高转速还可促进放电柱在阴极滑动，减少作用在阴极的能量密度，电极为阴极时可实现电极低损耗。传统的电刷接触式给电方式使主轴在旋转时振动和磨损加剧，限制了主轴转速的进一步提高。本项目研制了基于静电感应原理的工具电极非接触给电结构，搭建了主轴高速旋转的非接触给电静电感应微细电火花铣削加工实验装置，突破了以往接触给电方式下最高只能数千转/分的电极转速，在国内外首次实现了主轴转速高达60000rpm的高精度微细电火花加工。本研究实现了非接触给电条件下微细电火花加工的非接触极间放电状态检测和伺服控制，对微小放电能量下示波器和放电状态检测回路对放电回路和放电能量的影响进行了深入的仿真研究和理论分析，取得了在微细电火花加工研究领域具有重要参考价值的研究结论。应用于块电极电火花磨削加工得到最小直径为Φ5.44μm的微细电极，电极直径小于10μm的长度大约为310μm，微小电极长径比大于30，这是采用电火花块电极磨削方法在国际上所能得到的最小微细轴和最大长径比。实验研究表明主轴高转速（数万转/分）有利于提高微细电火花加工的材料去除率、有利于减小电极损耗、有利于提高加工精度。主轴转速为60000rpm时的材料去除率是1000rpm时的6.5倍，并可获得更好的表面质量和加工精度。主轴高转速下圆柱电极和削边电极的微小孔加工对比研究表明主轴高速旋转可以起到削边电极的改善工作液流动，促进排屑和极间冷却的作用，从而可抑制短路、放电集中和异常拉弧放电，提高电火花加工稳定性，有利于提高材料去除率。通过对非接触给电微细电火花铣削加工规律的研究，规划底面分层铣削加工轨迹，在60000rpm的主轴转速下成功地加工出数百微米尺度的字母形状的微型型腔。本研究还通过微细电火花加工放电凹坑形成过程的分子动力学仿真研究，揭示了放电蚀除的极间微观现象和放电蚀除机理，为进一步改进微细电火花加工工艺提供了理论依据。