微细电火花加工数值模拟开题报告

南昌航空大学科技学院学士学位论文目 录一 选题的依据及意义：1二、国内外研究概况及发展趋势：1三、研究内容及实验方案：4四、目标、主要特色及工作进度：5五、参考文献51南昌航空大学科技学院学士学位论文一 选题的依据及意义： 随着生产发展和科学实验的需要，许多工业部门，尤其是仪器仪表、国防、航空航天等等部门要求尖端科学技术产品向高精度、高速度，大功率、小型化等方向发展，它们使用的材料越来越难加工，零件形状越来越复杂，微细加工向着更小尺度的方向发展，加工精度和表面质量要求越来越高，这进一步促进了电火花加工的应用和发展。但同时对电火花加工尺度和加工效率等方面也提出了更高的要求，电火花加工的效率仍然较低，限制了电火花加工在批量生产中的广泛应用。此外，新型电火花加工电源的研制开发、新型电火花加工工作液的开发等都是电火花加工技术研究的热点。电火花微细加工技术，其进一步发展和实用化都必须解决一个共同的难题，即认识极间的物理过程，揭示电火花加工放电机理和材料蚀除机理。火花放电时，电极表面的金属材料究竟是怎样被蚀除下来的，这一微观过程的物理本质即是所谓电火花加工的机理。了解这一微观过程，有助于理解和掌握电火花加工的基本规律，从而对脉冲电源、进给装置、机床设备等提出合理的要求和正确的使用。从大量试验资料来看，每次电火花腐蚀的微观过程是电场力、磁力、热力、流体动力、电化学和胶体化学等综合作用的过程。到目前为止，人们对于电火花加工微观过程的了解还很不够。如工作液成分的影响、间隙介质的击穿、放电间隙内的状况、正负电极间能量的转换与分配、材料的抛出、电火花加工过程中温度场、流场、力场的变化，通道结构及其振荡等等，都还需要进一步研究。因此，电火花加工极间物理过程的研究是实现电火花微细加工、电火花高速加工的重要基础。对提高电火花加工效率、加工质量，扩大电火花加工应用领域来说都具有重要意义。二、国内外研究概况及发展趋势：微型机械与微机电系统的发展强有力的推动了微细电加工技术研究的不断深入与进步。目前对微细电火花加工技术的研究可以分为两大类：微细电火花工艺研究和微细电火花设备研究。其中微细电火花工艺研究从工艺方面入手，包括微细电极制备工艺、微细孔加工工艺技术的研究等；而微细电火花设备研究主要从设备出发，研究适合微细加工的机床结构、更小的放电电源、微细电极制备装置以及微细孔加工辅助装置等。目前，发达国家的微细电火花加工技术已进入工业应用阶段，甚至商业销售阶段，如日本松下精机、瑞士夏米尔等公司都有较成熟的产品。其中日本松下精机的产品性能最优，约需20万美元左右，且对我国禁运。另外，日本东京大学的增泽隆久、丰田工业大学的毛利尚武等学者正在研制开发的机床也都具有很高的水平，是该研究方向上的主要代表1。日本松下精机生产MGED82W是目前国际上功能最强的一种商品化高精度微细电火花加工机床。该机床的脉冲电源采用RC微能驰张式电源，其最小脉冲能量可达10-7 J，是传统电火花加工电源能量的1/10到1/100。为了减少寄生电容对加工过程的影响，机床采用了陶瓷材料做主要零件。此外，机床还配有加工状态监测的显微测量系统和WEDG单元。在机床上可完成微细电火花微轴加工(WEDG)、微孔加工、三维结构铣削加工、成型加工等多种电火花加工。图1.3为用MGED82W加工的10m和宽10m的微孔和微缝的样件照片。该机床可用于各种微小轴、孔、三维曲面、型腔的加工，适用于微加速度计、微力传感器、微喷头等微机电系统的研制生产。图1.3微小孔、微缝样品国内在微细电火花加工研究方面，南京航空航天大学起步较早，上世纪九十年代宋小中博士利用研制以步进电机为执行件的电火花微细加工装置进行了微细电极、微细轴类零件的工艺实验，曾经加工的微细轴轴径达到20m×200m2。近几年，哈尔滨工业大学在微细电火花加工研究方面取得了令人瞩目的成果。研制的微细电火花机床的基座部分全都有花岗岩组成。x，y，z精密伺服机构构成了实现三维运动的基本部件，每个方向上的运动部件由直流伺服电机驱动。图1.4为该装置加工的300m×12m的微细轴SEM照片3。图1.4 微细轴加工实例2003年，哈尔滨工业大学在赵万生教授的领导下，设计并研制出了一台高精度微细电火花加工系统原理样机。图1.5为该高精度微细电火花加工系统加工出的4.5m的微细轴。图1.5 4.5m的微细轴清华大学精密仪器与机械学系制造工程研究所在微细电火花加工方面也有一定的研究。该装置的X 、Y 两维运动采用高精度丝杠的X Y工作台，Z 轴采用摩擦进给机构， 精密旋转主轴由小支架整体固定在竖直导轨的滑块上，与上端摩擦传动机构通过圆盘磁性吸合连接，中间利用小钢珠保持磁间隙；主轴通过高精度轴承固定在小支架上，自身仅有旋转运动，由Z 轴运动部件带动旋转主轴作上下进给运动， 旋转与进给运动独立；在旋转主轴下方引入固定导向机构。图1.6是该装置加工的长度为1mm，宽度为0.2mm，深度分别为0.3mm、0.3mm 和0.1mm的槽阵列4。图1.6 槽阵列随着微细电火花加工研究的不断深入，在微细电极制造技术、超低电压微细电火花加工技术及其微细电火花三维结构铣削等方面都有较大的发展，并逐步成为新的研究热点。德国柏林技术大学生产技术研究中心(Production Technology Center)在夏米尔公司的Robofil 2000五轴线切割机床的基础上改进而成的该加工中心能实现微线切割、微型腔加工、微线电极磨削、微电火花钻削和铣削等多种微电火花加工。图1.7是用此加工中心上加工出的零件样品。图1.7 微细电火花加工中心加工出的样品三、研究内容及实验方案： 本文主要讨论了数值模拟在微细电火花加工电场和温度场分析中的应用，并进行微细电火花试验研究，探究不同的电参数对微细电火花加工精度和效率的影响。论文章节安排如下：第一章 绪论本章介绍了数值模拟在微细电火花中的应用现状和发展，以及微细电火花加工技术的国内外发展水平及发展方向。结合课题背景意义，提出本文主要内容。第二章 微细电火花加工数值模拟本章通过计算机仿真技术对电火花加工过程中的电场进行模拟，采用有限元方法，把无法用理论方法精确求解的复杂问题，通过一定的方法转换为可计算的有限单元结构体系,并依靠计算机对原问题进行近似求解。分别对极间电场和加工时工件表面的温度场进行了模拟：对极间电场建立物理模型，并进行数学求解，借助ANSYS求得数值解，得到电场的分布及电场分布与电极形状、加工间隙等因素的关系；对放电加工时工件表面建立传热物理模型，并进行数学求解，借助ANSYS求得数值解，得到温度场的分布及温度场与热流密度等因素的关系。第三章 微细电火花加工试验研究本章首先详细介绍了微细电火花试验系统，并对微细电火花加工中电极的制作方法进行了探讨，通过试验获得一种快速获得10到100m直径的电极的方法。结合试验，验证电火花数值模拟的结论，讨论电火花加工电参数对于加工间隙和加工效率的影响，获得加工间隙和加工效率随各种电参数变化而变化的曲线。总结上述试验，分别从加工间隙、效率及二者的折中这三个角度出发，选择了三组优化的放电参数，用于指导工程实践。四、目标、主要特色及工作进度：作为一种实用的微细特种加工技术，微细电火花加工具有加工宏观力微小，可实施性强等特点，其在微细轴、孔加工及微三维结构制作方面已经显示出了发展潜力，正受到世界各国学者的普遍关注。但微细电火花加工理论，尤其是对极间的物理过程认识不够，限制了微细电火花加工的进一步发展。本文在对极间物理过程的数值模拟方面做了一点初步的工作，还存在很多问题需要改进。另外，在微细电火花工艺研究方面，作者认为还有许多工作亟需完善和进一步探究。今后主要的任务：进一步从能量转换和分配角度研究微细电火花加工间隙状态，分析各种不同间隙状态下的物理过程，建立数学模型，进行数值求解，进而得出微细电火花加工的直接影响因素。借助有限元软件，在特定的加工要求下，对电极轮廓形状进行优化，以此获得对加工有利的电场分布，进而获得稳定的加工过程。微细电火花加工效率有待提高。微细电火花极间加工排屑物的及时清除对极间状态有直接影响，若不及时清除，会影响加工效率。因此，建立极间流场模型，研究排屑物的流动轨迹有重要意义。探索高效、大范围阵列加工。结合LIGA技术，获得阵列电极，在高精度微位移平台上对工件进行二次阵列复制。另外，通过对微位移平台的编程，实现工件和电极之间三维的相对运动，从而实现三维立体加工。总之，微细电火花的理论和工艺方面还不完善，还需要有志于此项研究的各位同仁为之不懈的努力。五、参考文献 1 Nebashi N. Process truing/dressing or grinding wheels by WEDG and EFIDJ, International Journal of Electrical Machining, 1998,(3):59642 高长水,宋小中，刘正勋.电火花微细加工系统研制J，机械设计与制造工程，1997，（5）：9113 张勇，王振龙，胡富强，等.微细电火花加工装置的设计与应用J，微细加工技术，2004，（2）：794 吴鑫，李勇，崔晶，等.三维微细电火花加工系统设计及实验研究J，电加工与模具，2005，（4）：1719