【正文】 ....................... 36 致謝 ..................................................................................................................... 38 附件 1 .................................................................................................................. 39 附件 2 .................................................................................................................. 58 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 IV 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 1 第 1 章 緒論 課題研究的目的和意義 對微細加工極限的追求逐漸成為現(xiàn)代制造技術(shù)中發(fā)展的趨勢之一。而微細電火花加工方法由于 具有在加工過程中 對工件的宏觀作用力 小 ，加工精度高，能加工微三維結(jié)構(gòu)等特點，在微細加 工中具有重要的作用。 微細電火花加工是電力、磁力、熱力、流體動力、電化學(xué)等綜合作用的過程，但其本質(zhì)是熱過程。在微細電火花加工過程中，對工件的蝕除作用力雖然很多很復(fù)雜，但熱力起了最主要的作用。 因此，模擬微細電火花加工過程中工具電極和工件的溫度場變化規(guī)律對于理解微細電火花加工的機理和特點 具有重要的作用，此外，研究溫度場的規(guī)律也可以預(yù)測工藝參數(shù)，這對于改進加工方法，提高工件加工速度，提高表面加工質(zhì)量也具有重要的意義。 微細電火花加工的研究現(xiàn)狀及成果 現(xiàn)代制造技術(shù)的發(fā)展有兩大趨勢，一個是向著自動化、柔性化、 集成化、智能化等方向發(fā)展，即現(xiàn)代制造系統(tǒng)的自動化技術(shù)；另一個就是尋求現(xiàn)有制造技術(shù)的自身微細加工極限。 眾所周知，傳統(tǒng)的機械加工并不擅長加工尺寸極小的形體，隨著工程技術(shù)領(lǐng)域?qū)ξ⑿蜋C械的迫切需求，微細加工技術(shù)正受到人們普遍的關(guān)注。由于微細電火花加工（ MicroEDM，以下簡稱為 MEDM)擁有獨特的優(yōu)點，所以能制成各種極微細的高硬度（金剛石燒結(jié)體，硬質(zhì)合金等）工具、模具及復(fù)雜形狀的三維工件。相對于微電子機械技術(shù)而言，微細電火花加工具有設(shè)備造價低廉，加工精度高且適應(yīng)性廣，并可加工出復(fù)雜的三維曲面微細結(jié)構(gòu)等特點。因 此，微細電火花加工技術(shù)將會成為微細三維結(jié)構(gòu)模具型腔制作的主流技術(shù)之一。 電火花加工的成形加工是以孔 、 溝槽 、 型腔等凹形工件為主體的一種加工方法。在多數(shù)情況下用其他加工方法，如銑削﹑車削﹑磨削等加工方法也能使工件較容易地加工出來，所以電火花加工所起的作用便不是唯一的。但是，在進行微細尺寸加工青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 2 時，例如像切削微細軸這類工件用一般切削方法就會因受切削力等方面的影響而引起彎曲，此時 MEDM 便能起重要作用。 微細電火花加工一般應(yīng)用于以下加工： （ 1）微細軸 、 銷 、 棒類的加工。 利用微細電火花加工方法可制成直徑為 Φ5μm 左右 的微細軸及單邊為 10μm 左右的異形銷等工件。如果用 CNC 控制線電極的導(dǎo)向器位置，還能加工出帶有錐度﹑斜面及螺旋面等復(fù)雜形狀的凸形工件。此外，只要加工裝置的行程允許，能制成很長的棒形件。 （ 2）微小孔、 維形狀、 3 維形狀加工。 利用微細電極，日本已能較容易地加工出圓、方、三角形以及各種剖面形狀的微細孔。目前其應(yīng)用范圍是：圓孔直徑為 Φ5μm 左右；方孔單邊為 10μm 左右；可加工材料為金屬 、 合金 、 導(dǎo)電性陶瓷等；在加工深度上，可以加工出微孔深度超過直徑 2倍或在直徑超過 Φ50μm的情形下加工出孔深達到直徑 5 倍的深孔 。 利用微細電火花線切割能很容易地加工出 維形狀的工件，但是在其拐角處會帶有超出線電極半徑的圓?。?3 維型腔加工困難更大。但是最近研制成功的利用簡單的棒狀電極，邊借助于 CNC 掃描、邊進行加工的方法已使 3 維型腔加工成為可能。特別是當與 WEDG 方法相結(jié)合時，能加工出拐角銳利的 3 維微細型腔。因此人們可以以此作為制造微細模具的有力手段。 （ 3）微小模具加工。 模具制造已成為電火花加工最大的應(yīng)用領(lǐng)域，而隨著一部分模具的微細化，MEDM 的應(yīng)用是必然趨勢?？梢哉J為，今后在模具尺寸上會提出更加微細化的需求，因此，有必要以 沖壓模、壓鑄模、精密鑄造模等模具為中心，按照 100μm 以下的尺寸加工要求來進行應(yīng)用研究。 以往與微細加工相關(guān)的，多數(shù)為孔或狹縫加工，而現(xiàn)在已擴大到加工 3 維形狀的型腔及凸形零件，同時還能直接用于加工微細凸透鏡及表面裝飾用鑄模、壓印模等模具。 從總體來說，微細電火花加工技術(shù)在國際和國內(nèi)都取得了較大進展，日本已到了實用化的階段。我國目前的微細電火花加工技術(shù)和用于該技術(shù)的微小驅(qū)動裝置也已經(jīng)取得了階段性的突破和成果，用微細電火花加工技術(shù)已經(jīng)能制作 Φ15μm 的微細軸和Φ19μm的微小孔，接近國際先進水平。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 3 微細電火花加 工技術(shù)具有電極制作簡單、電極與工件間宏觀作用力小、可控性好等優(yōu)點，微細電火花加工技術(shù)已成為微機械制造領(lǐng)域的一個重要組成部分，在精密機械加工、微電子技術(shù)、生物醫(yī)學(xué)工程、航空航天、光學(xué)、通訊、模具等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。 結(jié)合我國微細電火花成形加工技術(shù)的實際情況， 比 如在電火花成形加工工藝技術(shù)方面，我們有不少能工巧匠，在長期的生產(chǎn)實踐中積累了豐富的工藝經(jīng)驗，加工出許多具有國際領(lǐng)先水平的工件。也就是說，在工藝領(lǐng)域我們具有相對的技術(shù)優(yōu)勢，如果投入一定的技術(shù)力量認真研究，我國微細電火花成形加工技術(shù)將會有更大的進展和突破?，F(xiàn)在，國際 上微細 電火花加工技術(shù)發(fā)展主要有 幾個 趨勢，在某種程度上來說，這也是它的 發(fā)展 特點： 精密微細化 微細加工在近代加工技術(shù)中是一個新的加工領(lǐng)域。微細電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標之一。 圖 11 是日本東京生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授 [1]加工出的 Φ5um 的微細孔和，代表了當前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。 圖 11 Φ5μm的微細孔和 德國卡爾斯魯厄 (karlsruhe)大學(xué)和日本東京大學(xué) [2]利用線電極電火花磨削（ WEDG)技術(shù)聯(lián)合開發(fā)了硬質(zhì) 合金微型銑刀的加工技術(shù)，并利用該銑刀進行了銑削加工試驗 (圖12)。 圖 12 硬質(zhì)合金微型銑刀及其加工形狀 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 4 智能化 雖然智能控制系統(tǒng)在 微細 電火花成形加工中得到了大量應(yīng)用，但仍有許多不完善之處，需解決一些問題。為此， 微細 電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應(yīng)重點研究和應(yīng)用以下技術(shù)。具體為： （ 1）專家系統(tǒng)的應(yīng)用。 國外 微細 電火花成形機床在專家系統(tǒng)方而有了新的進展，加工時可自動選取最優(yōu)參數(shù)，自動監(jiān)控加工過程，實現(xiàn)自動化最優(yōu)控制。 （ 2）人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用。 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自組織、自學(xué)習(xí)、容錯性和并行處理信 息的能力，可以提高對放電狀態(tài)、加工效率、放電位置等的預(yù)測精度，提高在線實時控制效果，推動 微細 電火花成形加上過程控制向更高層次發(fā)展。圖 13 是機床利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定 工藝參數(shù)的流程圖。 圖 13 利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動確定 工 藝參數(shù)的流程圖 （ 3）模糊控制技術(shù)的應(yīng)用。 目前，國外電火花成形機幾乎都應(yīng)用了模糊控制 (FC)技術(shù)。用模糊控制理論可以起到替代一個熟練操作人員的作用。即對檢測到的間隙放電狀態(tài)進行模糊推理，以識別加工是否高效、穩(wěn)定，由此確定下階段新的加工參數(shù)，來實現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。 個性化 隨著 生產(chǎn)的需要，各行各業(yè)出現(xiàn)了許多特殊的零件與結(jié)構(gòu)，與之對應(yīng)，為了適應(yīng)零件多品種、小批量的特點， 微細 電火花加工機床的結(jié)構(gòu)和功能也呈現(xiàn)個性化的發(fā)展趨勢。 高效化 近年來在提高 微細 電火花成型加工效率方面有了新突破。利用非燃性工作液或在青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 5 工作液中加入添加劑的 微細 電火花成形加工機可成倍提高加工速度。新型電源和機器人技術(shù)也已應(yīng)用到了 微細 電火花加工機床中，使 微細 電火花線切割 機 床的加工速度和其他性能有了大幅度提高。 有限元法仿真在電火花加工中的應(yīng)用 隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展，使仿真技術(shù)在工業(yè)中得到越來越廣泛的應(yīng)用， 其中數(shù)值模擬方法，特別是有限元方法，作為一種先進的科學(xué)手段，具有物理意義明確和易于考慮邊界條件等優(yōu)點，是進行電火花加工機理研究的有效途徑。 在工程中，許多問題都可以歸結(jié)為解某一個特定的微分方程組，但由于實際問題多種多樣，邊界條件十分復(fù)雜，有限元方法就是把無法用理論方法精確求解的復(fù)雜問題，通過一定的方法轉(zhuǎn)換為可計算的有限單元結(jié)構(gòu)體系，并依靠計算機對原問題進行近似求解的一種工程計算方法。自上個世紀 80 年代以來，有限元方法就被國內(nèi)外的很多研究機構(gòu)和學(xué)者應(yīng)用到了電火花加工的研究當中，并在溫度場等方面的研究取得了顯著 的進展。 微細 電火花加工溫度場的研究工作受到國內(nèi)外學(xué)者的普遍重視。使用高分辨率的測溫儀雖然可以采集溫度場數(shù)據(jù)，但是費用昂貴，而且采集的數(shù)據(jù)受人為因素影響；應(yīng)用有限差分法研究溫度場雖有精確度高等優(yōu)點，但不適用于復(fù)雜的邊界條件。而有限元法克服了這一缺點。 B． Revaz， Anjali V． Kulkarni， Yadava Vinod， J． Marafona等分別開展了這方面的研究工作。我國哈爾濱工業(yè)大學(xué) [3]和廣東工業(yè)大學(xué) 也相繼開展了這方面的研究工作。 圖 14 電火花加工的溫度場分析 [14] a)電火花加工有限元模型 b)溫度模擬結(jié)果 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 6 J． Marafona[4]利用有限元法模擬了放電加工的電熱過程，模型正極為銅，負極為鋼，放電通道抽象為均勻的圓柱體，使用定半徑的表面熱源，并對放電后電極和工件的溫度場進行了分析（見圖 14）。模擬結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)比較后，基本上反映了單脈沖電火花加工的實際溫度場分布情況。 國內(nèi)也有研究人員曾用有限元仿真方法模擬氣中微細電火花沉積加工 [5]的工具電極和工件的單脈沖溫度場，如圖 15所示，其中工具電極為黃銅，工件為普通高速鋼。 圖 15 單脈沖瞬態(tài)溫度場 他們研究了 峰值電流為 ，工具電極放電中心的溫度隨時間變化曲線 ，并 用此曲線預(yù)測工藝參數(shù)劃分了范圍，并把圖 16陰影區(qū)域作為工藝參數(shù)的選擇區(qū)。 圖 16 氣中微細電火花沉積的工藝參數(shù)范圍圖 最后通過實驗對 模擬結(jié)果進行驗證，該實驗 選擇在普通電火花成形機床 DP30 上進行。加工介質(zhì)為空氣，電極材料為黃銅， ? ，接正極；工件為普通高速鋼，接負極。從圖 38 中陰影區(qū)域選取了 三組工藝參數(shù) (見表 11)。 峰值電流 I/A 放電持續(xù)時間 t/μs 0 2 4 6 8 10 12 1 2 3 4 5 6 Tm 熔點 Tb 沸點 Cu(+)Tm Fe()Tm Cu(+)Tb Fe()Tb 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 7 表 11 沉積黃銅選用的工藝參數(shù) 工藝參數(shù) 1 工藝參數(shù) 2 工藝參數(shù) 3 峰值電流 I/A 脈沖寬度 ti/μs 4 8 8 脈沖間隔 to/μs 30 120 120 使用這三組工藝參數(shù)進行加工，均有沉積物生成。如圖 17 所示為 氣中微細電火花沉積加工實例。其中 峰值電流和脈沖寬度分別為 和 4μs，脈沖間隔為 30μs。沉積柱直徑 ，高 ，加工時間 180min，加工過程中火花微弱，沉積增長緩慢但十分穩(wěn)定，沉積效果良好。由此，驗證了氣 中微細電火花沉積溫度場的數(shù)值模擬分析對預(yù)測其工藝參數(shù)適用。 課題的主要研究內(nèi)容 微細電火花加工是從傳統(tǒng)電火花加工中演變出來的一種新的加工方法，雖然機理方面和傳統(tǒng)的電火花加工并沒有本質(zhì)上的區(qū)別，但其能加工微細結(jié)構(gòu)的特點還是與電火花加工有著很多的區(qū)別的。因此，我將以微細電火花加工為研究對象，研究其溫度場方面的一些相關(guān)內(nèi)容。本課題將就微細電火花加工技術(shù)的以下問題進行研究： （ 1） 以傳統(tǒng)電火花加工理論為基礎(chǔ)，從電火花加工中影響材料放電蝕除的主要因素入 手，分析微細電火花加工的機理 和特點 。 （ 2） 建立微細電火花 加工 的熱源模型， 用 MARC 軟件模擬 微細電火花加工過程圖 17 氣中微細電火花沉積加工實例 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 8 中工具電極和工件溫度場 變化 。 （ 3）通過對比氣體和液體介質(zhì)中，不同極性，不同材料的溫度場變化，分析和揭示 微細電火花加工過程中工具電極和工件 溫度場變化規(guī)律及特性。 （ 4）分析模擬 工具電極和工件 溫度場變化對于研究微細電火花加工的重要作用和意義。 青島理工大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書 9 第 2 章 微細電火花加工的相關(guān)原理 微細電火花加工的基本原理 工具電極和工件分別接在脈沖電源的兩極，兩極之間