（机械设计及理论专业论文）压电自适应微细电火花加工工艺研究.pdf

摘要 摘要+ 微细电火花加工技术作为一种重要的微细加工方法，因其具有设备简单、可 控性好、无切削力、适用性强等一系列优点，在微小尺度零件的加工中获得大量 应用，受到国内外学者的广泛关注。但由于其加工尺度微小引起的排屑困难、加 工效率低、加工状态不稳定等问题已成为制约微细电火花加工技术发展的瓶颈。 针对微细电火花加工中的上述问题，本文提出了一种新型的微细电火花加工方 法一压电自适应微细电火花加工技术。 该技术主要是利用压电陶瓷的逆压电效应，借鉴了传统r c 电路电火花加工 没有维持电压从而可以产生微能放电的优点，将压电陶瓷致动器集成到放电电路 内部，使致动器本身作为电火花加工电路的一部分，用以驱动电极进给。每次脉 冲放电，工具电极都在压电致动器的驱动下作伸缩运动，从而实现微进给。该加 工技术可实现放电间隙与放电状态的自适应调整，能够有效减少稳态拉弧和短路 现象的出现频率，并能实现短路自消除，从而可以大幅度提高电火花加工过程的 稳定性及其加工效率。 本文从压电自适应微细电火花小孔加工工艺实验出发，系统研究了各电参数 对材料去除率、电极相对损耗率和加工表面粗糙度的影响规律，研究结果表明： 开路电压和电容容值对材料去除率、电极相对损耗率和加工表面粗糙度均有较大 影响，且随开路电压和电容的增加，材料去除率、电极相对损耗率和加工表面粗 糙度均有所增大；限流电阻对材料去除率、电极相对损耗率和加工表面粗糙度的 影响均不大。 在分析电参数对各性能指标影响规律的基础上，选取适当的电参数，设计正 交试验方案。采用信噪比分析法分析三水平四因素正交试验结果，得出了各电参 数对工艺性能指标影响的主次关系。采用基于信噪比的灰关联度分析法，对各单 项性能指标进行了工艺参数的优化，得出了针对单项工艺性能指标的最优化参数 组合。随后将多项工艺指标的优化问题转化为单项灰关联度的最大化问题，实现 了多目标工艺参数的优化。进行了实验验证，结果表明：该优化的参数组合情况 下综合加工效果最优。 幸国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 1 2 8 ) 山东大学硕士学位论文 采用人工神经网络的b p 算法，以压电自适应微细电火花微小孔加工工艺实 验的结果作为神经网络的学习样本，基于m a t l a b 软件平台建立了压电自适应 微细电火花微小孔加工多目标工艺参数的预测模型。该模型能够较准确的预测出 给定工艺参数条件下的加工时间、电极相对损耗率和表面粗糙度。 本文的研究成果可用于压电自适应微细电火花加工的参数选择和工艺性能预 测，对推动该技术的实际应用具有重要意义。 关键词微细电火花加工；自适应；压电致动器；灰关联度；b p 神经网络 i i a b s t r a c t a b s t r a c t a sa i li m p o r t a n tm i c r om a c h i n i n gm e t h o d ，m i c r oe l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( m i c r o e d m ) i sw i d e l yu s e di nm a c h i n i n gm i c r op a r t sb e c a u s eo fi t s as e r i e so f a d v a n t a g e s ，i n c l u d i n gs i m p l ee q u i p m e n t ，e a s yc o n t r o l ，f r e eo f m a c h i n i n gf o r c ea n dg o o d a d a p t a b i l i t y t h e r e f o r e ，m i c r o e d mh a sb e e np a i di n t e n s ea t t e n t i o nt ob ys c h o l a r sb o t h a th o m ea n da b r o a d h o w e v e r , t h em a c h i n i n gs c a l eo fm i c r o - e d mi sv e r ys m a l l ， c a u s i n gd i f f i c u l tr e m o v a lo fd i s c h a r g ed e b r i s ，l o ww o r k i n ge f f i c i e n c y a n du n s t a b l e m a c h i n i n gs t a t e a l lt h e s ep r o b l e m sr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to fm i c r o - e d m i no r d e r t o o v e r c o m et h e s es h o r t c o m i n g so fm i c r o e d m ，an e wp i e z o e l e c t r i cs e l f - a d a p t i v em i c r o e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ( p s m e d m ) t e c h n o l o g yw a sd e v e l o p e di nt h i sp a p e r t h i sp s m e d mm e t h o db a s e do ni n v e r s ep i e z o e l e c t r i ce f f e c to fp i e z o c e r a m i c s r e f e r e n c e st h ea d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a lr cc i r c u i te d m ，w h i c hh a s n tm a i n t a i n i n g v o l t a g e ，h a v i n gt h ea b i l i t yo fc a u s i n gm i c r od i s c h a r g ee n e r g y p i e z o c e r a m i c sa c t u a t o ri s i n t e g r a t e di n t od i s c h a r g ec i r c u i t ，u s e dt od r i v i n ge l e c t r o d e t o o le l e c t r o d ed r i v e nb y p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o rm a k e sc o n c e r t i n am o v e m e n te a c hp u l s ed i s c h a r g e ，a c h i e v i n g m i c r o f e e d i n g t h i sn e wt e c h n o l o g yc a na c h i e v et h es e l f - t u n i n gr e g u l a t i o no fd i s c h a r g e g a pd e p e n d i n go nd i s c h a r g ec o n d i t i o n s ，r e d u c et h eo c c u r r e n c eo fa r c i n ga n ds h o r t c i r c u i t ，a n dc a nr e a l i z et h es e l f - e l i m i n a t i o no fs h o r tc i r c u i t s ，t h u st h em a c h i n i n g e f f i c i e n c ya n ds t a b i l i t yo ft h ew o r k i n gp r o c e s sc a nb ei m p r o v e dg r e a t l y b a s e do np s m e d mm i c r o - h o l e sm a c h i n i n ge x p e r i m e n t s ，t h i sp a p e rs y s t e m a t i c s t u d i e dt h ee f f e c t so fe a c he l e c t r i c a lp a r a m e t e ro nm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) ， e l e c t r o d ew e a rr a t i o ( e w r ) a n ds u r f a c er o u g h n e s s ( s r ) e x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t e t h a t ：o p e n - c i r c u i tv o l t a g ea n dc a p a c i t a n c eh a v eg r e a t e re f f e c to nm r r ，e w ra n ds r ， a n da l lt h et h r e ep e r f o r m a n c e si n c r e a s ew i t ht h ei n c r e a s eo fo p e n c i r c u i tv o l t a g ea n d c a p a c i t a n c e t h ee f f e c t so fc u r r e n t l i m i t i n gr e s i s t a n c eo nm r r ，e w r a n ds ra r el i g h t a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i sm e n t i o n e da b o v e ，a p p r o p r i a t ee l e c t r i c a lp a r a m e t e r sw e r e d e t e r m i n e dt od e s i g no r t h o g o n a le x p e r i m e n tp r o j e c t s i g n a lt on o i s er a t i o ( s n r ) m e t h o d w a su s e dt oa n a l y z et h et h r e el e v e l sa n df o u rf a c t o r so r t h o g o n a le x p e r i m e n tr e s u l t s ，a n d t h ef a c t o r sa f f e c t i n gt h em a c h i n i n gp e r f o r m a n c e sa n dt h e i rp r i m a r ya n ds e c o n d a r y r e l a t i o n sw e r eo b t a i n e d s i n g l eo b j e c t i v eo p t i m i z a t i o nw a sf i n i s h e da d o p t i n gg r e y 幸n a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o no fc h i n a ( 5 0 7 7 512 8 ) i i i 山东大学硕士学位论文 r e l a t i o n a la n a l y s i sm e t h o db a s e do ns n r t h e nt h eo p t i m i z a t i o no fm u l t i o b j e c t i v ew a s t r a n s f o r m e di n t ot h em a x i m i z a t i o no fs i n g l e g r e yr e l a t i o n a lg r a d e ，r e a l i z i n gt h e o p t i m i z a t i o no fm u l t i p l ep e r f o r m a n c eo b j e c t i v e s v e r i f i c a t i o n e x p e r i m e n t sw e r e c o n d u c t e d ，a n dt h er e s u l t si n d i c a t et h a t ：t h i so p t i m a lp a r a m e t e r sc o m b i n a t o r yc a l lo b t a i n o p t i m a lp r o c e s s i n ge f f e c tb a s e do na no v e r a l lc o n s i d e r a t i o no fv a r i o u sf a c t o r s c h o o s i n gp s m e d mm i c r o - h o l e sm a c h i n i n ge x p e r i m e n tr e s u l t sa st h el e a r n i n g s a m p l e ，t h em u l t i p l ep e r f o r m a n c eo b j e c t i v e sp r e d i c t i v em o d e lo fp s m e d mm i c r o - h 0 1 e s w a sp r o p o s e d ，w i t ht h eb p a l g o r i t h mo fa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kb a s e do nm a t l a b s o f t w a r ep l a t f o r m t h ep r o p o s e dm o d e lc a n r e l a t i v e l ya c c u r a t e l yp r e d i c tp r o c e s st i m e ， e w ra n ds ro f s e t t i n gp r o c e s sp a r a m e t e r s t h er e s e a r c hr e s u l t so ft h i s p a p e rc a nb eu s e da st h es e l e c t i o no fo p t i m a l p a r a m e t e r sa n df o r e c a s to fp e r f o r m a n c e so fp s m e d m ，a n dh a v es i g n i f i c a n c et o p r o m o t i n gt h ep r a c t i c a b i l i t yo fp s m e d mt e c h n o l o g y k e y w o r d sm i c r o - e d m ；s e l f - a d a p t i v e ；p i e z o e l e c t r i ca c t u a t o r ；g r e yr e l a t i o n a lg r a d e ；b p n e u r a ln e t w o r k i v 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 现代制造技术的发展呈现两大趋势：一是向着自动化、柔性化、集成化、智 能化等方向发展，使现代制造成为一个系统，即现代制造系统的自动化技术；另 一方向就是寻求固有制造技术的自身微细加工极限。探索有效实用的微细加工技 术，并使其能在工业生产中得到应用，已经成为新世纪制造技术必须解决的问题 专一【l 刁，o o 随着微型机械、精密机械、微机电系统、医疗器械等技术的发展对微细加工 技术提出了更高的要求，强有力地推动了微细加工技术的发展【3 1 。微细加工技术 已经给国民经济和人民生活带来了深远的影响，其研究进展不仅可带动许多相关 学科的进步，而且能促进制造业的巨大发展。微细加工技术逐步成为当今生产制 造技术中的一个重要分支，被列为2 l 世纪关键技术之一2 4 矧。 事实上，组成微型机械的零部件的材料、形状等都极为复杂，针对不同的加 工对象，应当采用最为经济、实用的加工手段。微细电火花加工技术具有设备简 单、可控性好、无切削力、适用性强等一系列优点，因此在微小尺度零件的加工 中有巨大的优越性，在微器件的微细加工中具有很大的应用潜力，被认为是最有 发展前景的微细加工方法之一【7 8 】。 1 2 微细电火花加工的特点与实现条件 电火花加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) 是利用工具和工件 ( 正、负电极) 之间脉冲放电的电腐蚀现象来蚀除多余的金属，以达到对零件的 尺寸、形状及表面质量预定的加工要求【9 , 1 0 】。电火花加工的表面质量和材料去除 率取决于单个放电脉冲的能量和放电频率，主要由脉冲电源的电参数决定；电火 花加工精度则与电极损耗、电极制造与安装精度、伺服稳定性等因素密切相关。 理论上讲，只要精确地控制单个脉冲放电能量并配合精密微量进给就可实现极其 微细的金属材料去除，实现火花放电的微细加工。 山东大学硕士学位论文 微细电火花加工的原理和普通电火花加工并没有本质区别【2 ，1 1 1 ，不同之处仅 在于其自身的工艺特点。但是由于加工对象及所使用工具尺度的微型化，以及加 工中的微能放电问题，要达到微细加工的尺寸精度和表面质量要求，微细电火花 加工在性能要求与技术实现上应具有一定的特殊性【1 1 彤】。主要表现为以下几个方 面： 1 加工表面质量 微细电火花加工的工件结构要素尺寸一般在数十微米到数百微米之间，在这 种尺度上要达到所要求的尺寸精度和表面质量，就要求微细电火花加工过程中的 放电凹坑及其所形成的表面粗糙度值低。 由于电火花加工是基于放电时的热过程，因而放电之后在电极表面所形成的 放电凹坑，其形状将与放电时的等温面基本相似，其断面几何形状如图1 1 所 示。 图1 - 1 电火花加工放电凹坑断面几何形状l 凹坑的两个关键的几何尺寸是放电凹坑直径d 和放电凹坑深度日。许多学者 着眼于热源模型，通过计算放电通道的半径，并经过大量的实验，得出放电凹坑 直径的经验公式【1 1 】： d = 0 1 5 1 1 。4 0 一 ( 1 1 ) 式中d 放电凹坑直径( i n n ) 。 l 脉冲电流幅值( a ) ； 如放电持续时间( s ) 。 公式( 1 1 ) 是在铜为正极加工钢，矩形脉冲电源加工条件下获得的。虽然放 电凹坑的大小还受到热流密度、放电物理状态和电极材料的热学常数等因素影 2 第1 章绪论 响，放电凹坑直径并不完全等于放电通道的直径。但是放电能量的参数，对微细 电火花加工电源参数的选择无疑具有很好的参考价值。 放电凹坑的另一个重要几何形状参数是凹坑的深度日。大量的实验发现，凹 坑的深度日与凹坑的平均直径d 有很大的关系。一般h d 约为o 1 o 2 【1 1 1 。 电火花加工的表面粗糙度与放电凹坑的深度日相关。如果考虑到在重复放电 过程中，由于每个脉冲放电的凹坑相互重叠，则其放电凹坑的实际深度一般都小 于鼠但大于h 的三分之一。 为了达到微细电火花加工的要求，表面粗糙度是一项重要指标。考虑到表面 粗糙度与放电凹坑深度和放电凹坑直径的数值关系，应适当选择单个放电脉冲能 量的限制条件。 2 微细电火花加工对脉冲电源的要求 微细电火花加工对脉冲电源的要求是单脉冲放电的能量小且可控。脉冲电源 的电参数对电火花加工的各项工艺指标起着决定性的作用。所以要实现微细电火 花加工，得到微细加工所要求的表面质量与粗糙度，设计可控性良好的微能脉冲 电源是其要解决的关键技术之一。 电火花加工中，单个脉冲的放电能量可用下式表示： = f “( f ) i ( t 矽t ( 1 - 2 ) 式中 f ( f 1 放电电流； “( f ) 极间电压； t 放电时间。 由于被加工对象极为微小，且要达到微米级的加工精度及表面粗糙度，因 此，必须使单个脉冲的放电能量控制在( 1 0 6 1 0 - 7 ) j 数量级之间。由于放电过程 中，极间电压一般可视为常数，因此可调整的参数只有f ( f ) 和脉冲宽度。为满 足微细电火花加工要求，放电电流一般应不小于数百毫安，而f i 则应减小到l p t s 左右。为满足此要求，目前实用的微细电火花加工系统一般均采用r c 驰张式脉 冲电源形式。在此方面的研究中，目前的主要工作集中在如何有效地减小极间杂 散电容上，如采用非金属材料床身结构、使用尽可能短的屏蔽电缆等。但r c 电 3 山东大学硕十学位论文 源存在可控性差、电极损耗较大等缺陷，采用新型开关电器元件，研究独立式的 窄脉宽电源已势在必行。 3 微细工具电极的制造与安装 要实现微细轴、孔及微三维结构的电火花加工，必须使用极为微细的工具电 极。在以往的微细电火花加工中，微细工具电极一般采用专门加工后，二次安装 到机床主轴头上的方法，此时明显存在着微细电极的安装误差及变形误差等，难 以保证工具电极与工作台面的垂直度以及电极与回转主轴的同轴度等。线电极电 火花磨削( w e d g ) 技术出现以前，微细电极的制造与安装一直是制约微细电火 花加工技术发展的瓶颈问题。由于微细电极安装过程中存在的问题，采用离线方 式进行电极的检测显然是不可取的。因此为实现微细零部件的精密微细电火花加 工，就必须探索有效实用的微细电极在线或在位检测方法。 4 放电面积效应的影响 由于在微细电火花加工中，脉冲放电能量很小，使得放电间隙和放电面积均 极小，放电点的范围十分有限，面积过小致使排屑困难，甚至是气体驱动液体， 造成气中放电加工，增加了放电过程的不稳定因素，因此加工效率降低，这就是 所谓的面积效应；同时由于工作液循环困难，电蚀产物不易排除，还将造成有效 脉冲利用率降低、加工速度变慢；而且由于放电点过分集中于电极的尖角棱边 处，将加剧电极在该处的损耗，从而影响加工精度。为使微细电火花加工过程能 够正常稳定地进行，有必要对微细电火花加工的蚀除机理、排屑方式、电极损耗 及其补偿策略、加工过程的有效控制方式等进行深入地研究与探讨。 5 对电极伺服进给性能的要求 为提高微细电火花加工的加工效率，最为有效的途径是提高脉冲的有效利用 率。由于微细电火花加工要求单个脉冲的放电能量很小，放电蚀除凹坑深度在 1 1 t s 左右，故对放电间隙也有较高的要求。因此，为使火花放电正常进行，伺服 进给系统的进给量必须在微米级的范围内。为了较好的跟踪微细电火花微小的放 电间隙，除要求伺服进给精度和进给分辨率外，还要求伺服机构具有足够高的响 应速度和控制灵敏度。 可以看出，要想使微细电火花加工技术真正走向实用化，就必须满足以下基 本条件，即：具备制造高精度微细电极的手段；良好的排屑与加工工艺；能产生 4 第1 章绪论 极微能量并且可控性好的脉冲电源；使电极能以稳定微步距进给的高精度伺服系 统。 1 3 微细电火花加工技术的研究进展 微型机械与微机电系统的发展强有力的推动了微细电火花加工技术研究的不 断深入与进步【1 4 1 。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 花加工装置研究和微细电火花工艺研究。其中微细电火花加工装置的研究主要集 中在电极直接驱动式微进给机构的研究；微细电火花工艺研究从工艺方面入手， 包括微小孔加工工艺技术及参数优化的研究、工艺模型仿真等。 1 3 1 微细电火花加工装置的研究进展 微进给机构作为微细电火花加工装置中的关键技术，是实现微细电火花加工 的前提和保证。传统的滚珠丝杠进给机构传动链长，传动装置之间存在间隙，其 精度和频响都难以满足微细电火花加工技术的要求。 针对这一问题，一些学者研制出了多种新型微进给机构。2 0 世纪9 0 年代 后，日本东京大学的通口俊郎、古谷克司和丰田工业大学的毛利尚武等人利用压 电陶瓷的逆压电效应，先后研制出了蠕动式、冲击式和椭圆驱动式三种电极直接 驱动的微型电火花加工进给机构以及扫描式电火花加工装置【1 5 1 8 】。我国的一些高 校也研制出了多种新型微进给机构，实验效果良好。具有代表性的主要有：南京 航空航天大学利用电磁冲击原理，研制出电磁冲击式小型电火花加工装置【1 9 】，它 可实现每步0 0 2 9 m 的进给，加工的最小孔径为o 0 8 5 m m ，深径比达4 ；清华大 学研制出了蠕动式的微型电火花加工装置【2 0 1 ，实验加工出的微小轴和孔的最小直 径分别小于2 5 1 t m 和5 0 1 t m ，最大深宽比分别超过2 0 和l o ；哈尔滨工业大学分别 研制出了蠕动式、集成压电式、超声直接驱动式微进给机构及差动往复式电火花 加工装置【2 1 埘】，其中利用基于超声直接驱动式微进给机构研制出了 4 0 m m x10 m r n x 2 0 m m 的微型电火花加工装置，电极进给步距可达0 2 p m 。差动往 复式电火花加工装置的外形尺寸为4 5 m m x 2 0 m m x 4 0 m m ，实现了电极的差动往复 式进给。 另外，张国春等【2 5 】将压电陶瓷与整体式柔性铰链相结合，设计出一种压电驱 5 山东大学硕十学位论文 动蠕动式微进给机构，实现了工具电极的轴向进给和周向回转。甘雪松等人1 2 6 】设 计开发了一种新型的管状结构蠕动式微细电火花加工机构，能够对微细电极进行 较为有效精确的夹持和定位，响应速度较高，且可以实现从任意方位任意角度进 行加工。刘伟等人刚研制出一种微细电极进给与激振机构，实现了加工过程中微 细电极的伺服进给、损耗自动补偿、辅助激振及高精度导向。张勇等郾】设计开发 出了具有四轴三联动的微细电火花加工装置，实验加工出了最小直径为6 岬的微 细轴以及最小直径为l o p , m 微细孔，并实现了外径为4 m m 、具有2 4 个叶片的微 型涡轮盘以及直径为1 5 0 p m 微小半球的加工。清华大学的李勇教授【2 9 1 开发了一 种电极丝辅助激振微细孔电火花加工设备，采用拉拔微细钨丝作为工具电极，加 工出直径1 0 0 - 3 0 0 i ，t m 的微孔及阵列微细孔。易茂斌等【3 0 3 1 】根据微细结构加工的 需要，研制了高精度微电火花加工装置，能实现三轴联动，进行微三维结构加 工，并且成功在线制作了直径为3 0 岬的微细电极。 这些电极直接驱动的微小型电火花加工装置的出现，有效地降低了进给驱动 系统的惯性，对提高电极的响应速度、充分发挥电火花加工的技术特点无疑是十 分有利的。但值得注意的是，上述装置主要是解决了电极的轴向驱动系统的微型 化问题，尚未形成一个包括带动电极高精度回转运动在内的完整的微细电火花加 工系统【1 2 3 。 1 3 2 微细电火花加工工艺研究进展 加工过程中的排屑问题是微细电火花加工技术的一个难点。由于加工尺度较 小，工具电极细微，放电脉冲能量和放电间隙小，传统电火花加工中的冲液排屑 方式已不适于微细电火花加工，致使电蚀产物不易从加工区排出，尤其是高深径 比的微细孔或异型孔排屑更加困难【3 2 3 ”。排不出去的碎屑不仅会占据一部分空间 而使极间实际距离减小，而且还会引起极间电场的畸变，发生短路和拉弧，难以 保证加工过程稳定性和加工工件精度。为此，国内外诸多学者从微小孔的加工工 艺入手进行了一系列的研究，取得了一些进展。 微小孔加工是电火花穿孔成形加工的一种典型应用。电火花微小孔加工的主 要特点是：1 ) 工具电极截面积小，容易变形；2 ) 加工孔径小，放电间隙微小； 3 ) 微小孔加工深径比大，散热及排屑困难。因此，电火花微小孔加工中往往电 6 第1 章绪论 极损耗较大。工具电极应选择刚性好、容易矫直，加工稳定性好和损耗小的材 料，如铜钨合金丝、钨丝等。加工时为了避免电极倾斜或弯曲，还需要设置工具 电极的导向装置。 一般认为，小孔的直径范围为2 m m , - o i m m ，微孔为直径小于0 i r n m 的孔径， 而深孔为孔的深度与直径之比( 深径比) 大于1 0 以上的孔。小孔电火花加工通常 是采用空心电极的加工方法，而使用实心电极进行微小孔、深孔的电火花加工还 未得到广泛的应用【3 4 ，3 5 1 。 目前，微细电火花加工的研究工作一方面是朝着精微加工方向发展，另一方 面是朝着微细加工的稳定性、进而能够达到实用化的方向发展，而这一方面的研 究国内外所作的努力都是很有限的i s 6 j 。实现高深径比的电火花微小孔加工的研究 是研究微细电火花加工稳定性的基础。 早在1 9 8 9 年，日本的增泽隆久就以纯水为工作介质，在横轴布置的电火花 机床上加工出了直径为5 5 p m ，深5 0 0 “m 的微孔【3 7 1 。1 9 9 7 年又加工出2 5 岬微 细轴和西5 1 t m 的微细孔【3 引，在很长时间内代表了这一领域的世界最高水平。 随着电火花加工技术的发展，微小孔加工在微细加工中的作用也显得越来越 重要，微细及微小孔电火花加工系统的研究、设计和开发，也已经受到经济发达 国家的高度重视。 2 0 0 2 年，余祖元【3 9 】等人用电极行星运动的方法加在2 5 m m 的不锈钢板上工 出了入口直径和出口直径分别为1 4 5 p m 和1 2 0 1 t m 的通孔。新加坡学者m p j a l l a n 【4 0 】等对比研究了晶体管脉冲电源和r c 类型电源在碳化钨( w c ) 上进行电 火花微小孔加工的效果，指出r c 类型的微细电火花加工更适合在w c 上进行微 细结构的加工。美国学者e b 曲a r db a m b 耐4 1 】等提出了一种电极摇动的新型微细 电火花加工工艺，并与电极不做摇动的传统电火花加工进行了对比研究，结果显 示电极摇动改善了电火花加工过程中的冲液状态，从而提高了加工深度和表面质 量，降低了电极损耗，且加工孔的稳定性和盲孔的底面质量均有所提高。 由于制作直径微小的微细轴有很大难度，因而限制了更微小孔的加工。直到 2 0 0 8 年，日本学者采用w e d g 及e c m ( e l e c t r o c h e m i c a lm a c h i n i n g ) 相结合的方 法制作出了直径小于0 3 i - t m 的钨电极，使得微细孔的加工取得了很大的突破【4 2 1 。 他们采用该方法制作出的l l a m 的钨电极在开路电压2 0 v 的条件下在铜片上成功 7 山东大学硕十学位论文 加工出了直径约2 9 m 、深度约5 9 m 的微细孔；并且采用直径o 1 5 9 m 的硅电极在 7 v 的开路电压下，利用离散电容放电在锌片上成功加工出直径约为0 5 9 m 的微 细孔。这也是目前微细电火花加工所能达到的最小尺度。 2 0 世纪9 0 年代以来，国内在微细孔电火花加工技术的研究领域也取得了较 大进展。南京航空航天大学对微细电火花加工的研究起步较早，研究也较系统， 首次在国内加工出直径1 9 岬、深径比为3 l ：1 的微细孔【4 3 1 。哈尔滨工业大学研 制的横轴布置微细电火花加工样机可以加工出直径为4 5 p m 的微细轴和8 岬的 微细孔1 1 2 1 ，达到了世界先进水平。浙江大学提出了一种电极摇动加工的补偿方法 1 4 4 ，用以修正电极的几何形状，从而消除电极摇动对型腔的影响。伍端阳对提高 电火花加工效率的工艺进行了探讨f 4 5 j ，从电火花加工工艺、电火花加工机床的调 整、电火花加工操作三个方面作了充分阐述，对提高电火花加工质量有重要指导 作用。上海交通大学对喷雾电火花加工工艺进行了系统的研究【矧，得到了各种参 数对喷雾电火花加工的材料去除率及相对电极损耗率的影响规律。 为解决微细电火花加工排屑困难的问题，许多学者把超声振动引入微细电火 花加工中来【盯5 2 1 。超声振动有助于碎屑的排除，解决了间隙小、电蚀产物不易排 出的问题，但是引入超声振动极易引起工具端面和工件瞬时接触，造成频繁短 路，加工间隙难以控制，从而影响加工精度的提高。 1 3 3 微小孔电火花加工工艺参数优化及建模研究进展 由于电火花加工中所要选择的参数较多，在加工中存在着许多的不确定性因 素，在选择加工参数时，既要保证单项工艺指标的实现，又要综合考虑各项工艺 指标之间的相互制约，因此，将参数优化组合并灵活的运用于生产实践比较困 难。国内外不少学者对此进行了实验、优化及仿真研究。 翟德梅【5 3 】等通过正交试验分析，探讨了电火花成形加工中，影响加工效果的 主要因素，分别阐述了脉冲峰值电流、脉冲宽度及脉冲间隔等对加工速度、加工 表面粗糙度及工具电极损耗的影响关系。崔晶【5 4 】等综合考虑电火花微小孔加工中 伺服参数与电参数的影响，采用j 下交试验设计的方法对微小孔加工效率进行优化 研究，首先以一次正交试验对小孔加工中的微进给速度进行优化，以获得稳定快 速的伺服响应，在此基础上进行二次正交试验，采用田口方法确定电参数的最佳 第l 章绪论 水平组合，提高了a n - r _ 效率。孔凡国等【5 5 】提出了用蚁群算法改进的模糊c 均值聚 类算法来选取工艺参数。 由于微细电火花加工过程的随机性很大，使得多工艺目标参数优化组合成为 制约微细电火花加工技术发展的重要问题之一，国内外学者通过试验研究得到不 同优化目标相应的工艺优化组合。宋小中等【蚓通过研究各种工艺试验条件下的各 工艺参数对加工速度和孔径间隙的影响规律，得到了兼顾加工速度和加工精度的 组合。诸多国内外学者【3 5 5 7 。6 1 】采用灰色关联度分析方法，将多目标参数优化问题 转化为单目标优化问题，得到电火花微小孔加工的多项工艺指标要求下的参数优 化组合，为提高微细电火花的加工精度、加工效率和降低电极损耗等做出了有益 的探索。也有不少学者尝试采用人工神经网络、遗传算法等方法来优化电火花加 工中的参数组合，寻求兼顾多项工艺指标的最优化加工条件6 2 石7 】。顾丰【6 8 】及y a n - c h e r n gl i n 6 9 1 等人将信噪比方法成功运用于基于正交试验的电火花加工参数优化 问题，为电火花加工工艺参数的优化开辟了新的途径。j l l i n e 7 0 】等采用基于正交 试验的灰色模糊逻辑方法对电火花加工的多目标参数优化进行了研究。此外， k u o m i n gt s a i 7 1 】等通过对比所建立的不同神经网络模型，对电火花加工中的材料 去除率进行了较为深入的研究；i p u e r t a s 7 2 】等建立了加工表面粗糙度与加工参数 的理论模型。这些模型的建立和研究为电火花加工中参数的合理选取提供了理论 依据。 1 4 课题的研究目的及意义 纵观微细电火花加工的现状，微细电火花加工尺度微小引起的排屑困难、加 工状态不稳定等问题仍是制约微细电火花加工发展的难题，成为微细电火花加工 技术发展的瓶颈，压电自适应微细电火花加工技术研究开发成功将引起微细加工 技术的巨大变化。通过本课题的研究，推导出材料去除效率与压电自适应微细电 火花加工参数之间的关系式，建立完整的压电自适应微细电火花加工材料去除模 型。同时深入研究压电自适应微细电火花3 h i 技术对工件材料的加工效果，掌握 该加工技术与工件材料各项物理性能参数之间的关系，以此作为指导压电自适应 微细电火花加工技术应用的基础。 9 山东大学硕十学位论文 压电自适应微细电火花加工是以相对简单的直流电源为能量输入源，通过压 电陶瓷的逆压电效应驱动电极伸缩，实现工具电极与工件的脉冲放电。该技术可 以有效避免传统微细电火花加工中的排屑困难、加工效率低等缺点，是十分有效 的微细电火花加工方法，具有适应性好、设备成本低、加工效率高等优点；其研 究开发成功对打破传统微细加工限制，拓展电火花加工的应用领域具有非常重大 的意义，将引起微细电火花加工技术的巨大变革，具有巨大的技术经济和显著的 社会效益。 1 5 课题来源及主要研究内容 本课题来源于国家自然科学基金( 5 0 7 7 5 1 2 8 ) 。 本文主要研究压电自适应微细电火花加工技术的加工工艺，需研究压电自适 应微细电火花加工中各加工参数与加工效率、加工表面质量以及工具电极损耗之 间的关系，通过实验分析，总结加工规律，寻找出影响各工艺指标的各参数的主 次关系和优化结果，最终建立压电自适应微细电火花加工工艺模型。具体研究内 容如下： ( 1 ) 通过单因素实验，系统研究各加工电参数对材料去除率、电极相对损 耗率和加工表面质量的影响规律，以便对压电自适应微细电火花加工技术有一个 直观的认识。 ( 2 ) 设计j 下交试验，进一步分析总结规律，采用信噪比分析法将加工工艺 参数按影响规律以影响因子的形式表现出来，从而寻找出影响各工艺指标的各参 数的主次关系；通过灰色关联度分析，对各单项性能指标进行了工艺参数的优 化，得出针对单项工艺性能指标的最优化参数组合；将多项工艺指标的优化问题 转化为优化单项灰关联度，从而实现多项工艺指标的优化，得到压电自适应微细 电火花加工中多项工艺指标要求下的参数优化组合。 ( 3 ) 针对微细电火花加工过程的复杂性和已掌握的压电自适应微细电火花 加工工艺规律，采用b p 神经网络建立压电自适应微细电火花加工工艺模型。利 用实验结果作为样本数据对所建立的网络模型进行训练，并利用训练好的网络对 给定工艺参数条件下的加工时间、电极相对损耗率和表面粗糙度进行了预测，验 l o 第1 章绪论 证了所建立的数学模型具有良好的预测效果和精度，实现基于选取的加工工艺参 数的加工结果智能预测，为压电自适应微细电火花加工技术的进一步实验研究提 供新的途径。 第2 章加工原理及特性 第2 章压电自适应微细电火花加工原理及特性 如前所述，微细电火花加工由于加工尺度微小引起的排屑困难、加工状态不 稳定等问题制约了微细电火花加工技术的发展。本课题组提出的压电自适应微细 电火花加工方法可以有效改善传统微细电火花加工的上述问题，打破传统微细加 工限制，拓展电火花加工的应用领域。本章将详细介绍该方法的加工原理，并对 该加工方法的加工特性进行分析。 2 1 压电自适应微细电火花加工原理 微细电火花加工是利用工具和工件( 正、负电极) 之间微小能量脉冲放电的 电腐蚀现象对多余金属进行微尺度蚀除，以达到对零件的微小尺寸、形状及表面 质量预定的加工要求。本课题利用压电陶瓷的逆压电效应创造性地将脉冲电源和 微进给机构集成在同一电路中，不但简化了微细电火花加工系统，而且实际加工 时，电极能产生高频振动，这种振动可以有效消除拉弧和短路现象，大大改善微 细电火花加工状态。 2 1 1 压电致动器 压电陶瓷是一种能够将机械能和电能互相转换的功能陶瓷材料。压电效应是 指某些介质在力的作用下，产生形变，引起介质表面带电，这是j 下压电效应。反 之，施加激励电场，介质将产生机械变形，称为逆压电效应。压电致动器就是利 用压电陶瓷的逆压电效应产生机械能的一种动力装置，即通过控制输入电压的大 小来改变输出位移大小，它不但能产生微小位移( 纳米级) ，易于控制，容易实 现自动化，而且具有很高的响应速度。 本课题组选用了德国产压电陶瓷致动器，该致动器为开环的线性致动器，具 有纳米级的分辨率和较高的响应速度，其主要性能参数如表2 1 所示。另外，致 动器是由压电陶瓷堆叠而成，压电陶瓷本身具有电容性，因此致动器不仅可以产 生微位移，而且其本身还相当于一个电容，其充电与放电特性与普通电容器完全 一样。 1 3 山东大学硕十学位论文 表2 - 1 致动器主要性能参数 行程( 0 , , - q 0 0 v )4 5 9 m ：1 ：2 0 开环分辨率 0 9 n m 最大拉力 5 0 n 最大推力 l 0 0 0 n 电容量 4 5 9 f + 2 0 空载共振频率 1o k h z - - l 2 0 2 1 2 加工原理 压电自适应微细电火花加工是一种全新的电火花加工方法，它借鉴了传统 r c 电路电火花加工没有维持电压从而可以产生微能放电的优点，将致动器集成 到放电电路内部，使致动器本身成为电火花加工电路的一部分，用以驱动电极微 进给。 新型压电自适应微细电火花加工技术主要是利用压电陶瓷的逆压电效应，它 主要由机床主轴( 提供宏纵向进给运动) 、压电致动器、电极、工件和电源五部 分组成。其原理图如图2 1 所示，压电致动器通过连接板固定在宏动工作台上， 由宏驱动机构进行粗进给；电极固定在致动器上，并与致动器的金属外壳绝缘； 压电致动器本身由直流电源激励，直接驱动工具电极完成微进给。激励压电致动 器的直流电源不仅与压电致动器相连，而且还分别与工件和工具电极相连，在电 路上构成并联回路。 1 4 e 图2 - 1 原理示意图图2 - 2 等效电路图 利用压电陶瓷致动器自身可作为一个电容，构成一个等效r c 电路，为使放 第2 章加工原理及特性 电能量可调，从而适应不同加工规准的电火花加工，在压电致动器两端并联一可 调电容，其等效电路图如图2 2 所示，其中c ，为压电致动器( 其容值固定，约为 4 5 i t f ) ，c z 为普通电容器( 其容值可调) ，电火花加工过程中的放电能量主要由 q 提供。为防止压电致动器放电回路中电流过大而使其损坏，在压电致动器放电 回路中串联限流电阻，同时利用该电阻改变压电致动器的跟随效果，使加工过 程始终保持在最佳状态。限流电阻尺，的大小影响回路的充放电时间，起到相当于 脉冲电源中脉冲宽度和脉冲间隔的调节的作用；由于致动器的最大电流不能超过 0 1 8 a ，所以限流电阻飓的作用主要是限制流过致动器的电流，其阻值大小影响 致动器的跟随效果，改变飓的大小可以改变放电间隙的自适