毕业论文定稿-电火花线切割放电块电蚀消耗分析的研究

题 目 电 火 花 线 切 割 放 电 块 电 蚀 消 耗 分 析 的 研 究 学生姓名所在学院专业班级指导教师完成地点 陕西理工大学本科毕业设计任务书院(系) 机械工程学院 专业班级 机械设计制造及其自动化(机自 1303) 学生姓名 一、毕业设计题目 电火花线切割放电块电蚀消耗分析的研究 二、毕业设计工作自 2016 年 10 月 27 日 起至 2017 年 6 月 17 日止三、毕业设计进行地点: 陕西理工大学机械工程学院博思楼 四、毕业设计应完成内容及相关要求：以现有实验室电火花线切割机床为研究对象，完成实验方案的设计，在给定约束条件下，在相同切割电参数条件下，完成采样相同电参数条件下对不同加工材料的加工，并总结加工材料对于放电快的影响，同时观察放电快的电蚀消耗情况，并用电子显微镜观察放电快的表面组织结构。论文摘要、关键词、引文格式参照机械工程学院毕业设计规范 ，引文不少于 10 篇。论文结论要准确、鲜明、完整，措词严谨。论文文档要求：开题报告一份；毕业设计论文一份，由题名、目录、摘要、前言、正文、结论、参考文献组成，且附有英文摘要和关键词。外文翻译不少于一篇。论文字总字数不少于 10000. 结论是全篇的总结，是论文的全面概括，结论要准确、完整、鲜明，要以本文的论述为基础，但比本论的表达更精炼、更集中，更有价值。因此，措词要严谨，观点要鲜明。其余归档附件参照机械工程学院毕业论文设计规范 。 五、毕业设计应收集资料及参考文献：1 李明辉.电火花线切割技术的研究现状及发展趋势J.模具技术 2003,1.2 周大农.电火花切割加工技术的现状和发展J.专家论坛,2003,6.3 狄士春,等.国外电火花线切割加工技术最新进展J.电加工与模具,2003,3.4杨川线切割加工中断丝产生的原因及排除方法.电加工，1999,(5) 5陈辉 基于电火花线切割加工变频进给的研究 BHD0 连云港职业技术学院学报6王新荣.电火花线切割多轴联动加工运动学及其应用研究D.哈尔滨:哈尔滨工程大学,2000.7姜永成.空间曲面电火花线切割加工 CAM 应用技术研究D.佳木斯:佳木斯大学,2005.8 CIMT2001 特种加工机床评述组J.电加工与模具,2001,3.9 徐盛林.日本电火花加工技术的发展现状J.电加工与模具,2001,3.10 狄士春,于滨,赵万生,等.微细电火花切割加工技术的研究现状及发展趋势J.航空精密制造技术,2004,1.11 周玉丰，吴流发. 电火花线切割加工工艺评价指标J. 兰州石化职业技术学院学报，2006，6（1）：14+1612 周大农. 电火花线切割加工技术的现状和发展J. 机械工人（冷加工） ，2003（6）：17+1913 张成茂. 影响高速走丝电火花线切割丝损的因素与对策J. 制造技术与工艺，2006（2）：74+7614 白基成，郭永丰，刘晋春，电火花和线切割加工技术的产生和在我国的发展A.2007 年中国机械工程学会年会论文汇编A ，2007 六、毕业设计的进度安排：2017 年 3 月 6 日，提交外文翻译；2017 年 3 月 18 日，提交开题报告；2017 年 4 月 18 日，完成论文初稿；2017 年 5 月 18 日。完成论文终稿。 指导教师签名 专业负责人签名 学院领导签名 批 准 日 期 2017-01-13 陕西理工大学毕业论文电火花线切割放电块电蚀消耗分析的研究作者： （陕西理工大学机械工程学院机自专业 1303 班级，陕西 汉中 723000）指导教师： 摘要随着航空航天、模具等行业的发展，电火花线切割机床切割的加工质量要求越来越高，特别是对精密零部件，模具制造精度和表面质量日益增长的要求提高。电火花线切割加工一般作为工件加工的最后一道工序，能够使工件达到图样规定的尺寸、形位精度和表面粗糙度，而加工过程的稳定性和材料的差异是影响零件加工质量的关键。实际加工发现电火花线切割机床的加工稳定性对导电块的影响非常大，对加工效率有着明显影响，不仅加大了加工成本，同时加工不稳定性对工件表面质量的问题一直制约着该技术的发展与应用。因此，进行电火花线切割加工稳定性对导电块的损耗研究，有着必要的意义，科学合理地改进加工工艺和加工条件，对推动电火花线切割加工技术的发展与应用具有重要的理论意义和显著的社会经济效益。 本文分析电火花线切割加工技术的研究现状，对电火花线切割加工过程中导电块的损耗因素做了详细分析与叙述。其次，采用对不同材料的加工进行实验，研究了材料不同和电极丝对线切割的加工稳定性以及导电块的影响，并提出了合理可靠的改进加工工艺的方法。关键词 电火花线切割机床；加工稳定性；材料差异；导电块损耗。陕西理工大学毕业论文Analysis of electrical discharge wire cutting discharge blockAuthor：Shi Yan (Grade13,Class03,Major Mechnical Engering Shaanxi University of Technology,Hanzhong 723000,Shaanxi)Tutor：Jiangang LiAbstract Along with the development of the industry, such as aerospace, mould, wire-cut edm machine cutting processing quality requirements more and more high, especially for precision parts, mould manufacturing precision and surface quality of the growing demand. Wedm processing general as the last procedure of workpiece processing can make the size of the workpiece meet requirements in the design, form a precision and surface roughness, and the difference of the stability of the machining process and material is the key factor affecting the quality of parts processing. Actual processing find wire-cut edm machine is very big, the influence of stability of conductive block on the machining efficiency has a significant effect, not only increased the processing cost, at the same time, the workpiece surface quality of machining instability problem always restricts the development and application of the technology. On the stability of wedm processing, therefore, the wastage of the conductive piece of research, has the essential meaning, scientifically to improve processing technology and processing conditions, to promote the development of wedm processing technology and application has important theoretical significance and significant social and economic benefits.This paper analyzes the present situation of the electrospark line cutting processing technology, and makes a detailed analysis and description of the dissipation factor of the conductive block in the process of edm. Secondly, using the processing experiment of different material, different material and wire electrode was studied in wire-cutting processing stability and the influence of conductive block, and put forward the reasonable and reliable method of improving processing technology. Keywords Electrical discharge line cutting machine; Processing stability; Material differences; Conduction block loss.陕西理工大学毕业论文I目 录引言 .11.绪论 .21.1 课题研究的意义和目的 .21.2 电火花线切割技术的综述 .21.3 国内外线切割技术研究现状 .41.4 电火花线切割加工的现状 .51.5 电火花线切割加工技术的发展趋势 .61.5.1 高速走丝线切割机的发展 .61.5.2 低速走丝线切割机的发展 .71.6 电火花线切割加工技术最新研究进展 .81.6.1 加工工件的在线厚度辨识 .81.6.2 电极丝偏差的在线检测 .81.6.3 基于浮动阀值的放电间隙状态的检测 .91.6.4 加工表面在线修正技术 .91.6.5 混粉对电火花线切割加工的影响 .102.电火花线切割基本原理及规律 .112.1 电火花线切割原理 .112.2 电火花线切割机床的结构组成 .112.2.1 机床主机部分 .112.2.2 脉冲电源 .122.2.3 数控装置 .12陕西理工大学毕业论文II2.2.4 工作液循环与过滤系统 .122.3 电火花线切割机床的分类 .122.4 电火花线切割机床的工作环境、加工的特点 .122.4.1 电火花线切割机床的工作环境 .122.4.2 电火花线切割加工的特点 .132.5 电火花线切割工艺的应用 .132.5.1 加工模具零件 .132.5.2 加工特殊材料 .132.5.3 试制新产品 .132.6 电火花线切割导电块 .142.6.1 电火花线切割中导电块的作用 .142.6.2 导电块的材质 .142.6.3 导电块在电火花线切割中的问题发现 .142.6.4 工件材料的影响 .143实验设备 .153.1 机床设备 .153.1.1 机床参数 .153.1.2 机床结构 .163.1.3 机床的控制系统 .163.2 实验操作 .173.3 测量仪器 .174试验过程 .18陕西理工大学毕业论文III4.1 试验目的 .184.2 总体研究方案的拟定 .184.2.1 多次切割工艺方案拟定 .184.2.2 具体试验研究方案拟定 .184.3 加工参数选择 .184. 4 工作液的选取 .184.5 试验操作步骤 .184.6 实验现象及问题分析 .194.6.1 加工铝材料 .194.6.2 加工铜材料 .204.6.3 问题分析 .214.6.4 极性效应的影响 .214.6.5 电极丝延伸率对导电块的损耗 .224.6.6 电极丝振动 .234.6.7 改进措施 .234.6.8 本节小结 .245.结论 .25致谢 .26参考文献 .27附录 A.28附录 B.29陕西理工大学毕业论文第 1 页 共 46 页引言自 1956 年前苏联生产出第一台电火花线切割机床至今已有 40 多年。在此期间无论国外还是国内电火花线切割加工都经历了巨大的变化，从最初的靠模电火花线切割机床，到光电控制电火花线切割机床，到数控电火花线切割机床以及一系列加工技术、工艺方法的改进，使得电火花线切割加工已成为目前应用最为广泛的特种加工方法，并愈来愈引起人们的关注和重视。同时电火花线切割加工中出现的不利因素也越来越多，比如在电火花线切割加工中导电块的消耗与磨损；在电火花线切割工作时由于导电块静止不动，钼丝在其表面来回运动，其摩擦方式为滑动摩擦，摩擦系数大，钼丝和导轮磨损严重，导致导电块出现割痕且在高速运动时免不了产生颤动，造成钼丝和导电块的接触不良，因而产生放电现象，对导电块产生了切割的现象。正因如此，导电块属于易损件、消耗品，经常更换导电块与钼丝的接触面，磨损严重的情况下必须重新更换新的导电块了，如果更换频率较高那么使用成本也将提高。本课题就是以现有实验室电火花线切割机床为研究对象，对电火花线切割放电块电蚀消耗分析的研究。陕西理工大学毕业论文第 2 页 共 46 页1.绪论1.1 课题研究的意义和目的电火花线切割加工属于特种加工中的一种，其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝(称为电极丝) 作电极，对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。在过去很长一段时间里，由于线切割加工速度较慢，导致加工费用较高，一般只有在其它方法可加工得情况下才使用；近年来由于在脉冲电源、机床的机械结构、工作液及加工工艺等方面的发展，使得电火花线切割的加工得到了很大的提高，加工费用比普通加工还要低，使得电火花线切割加工应用更加广泛。从另一方面而言电火花线切割加工中出现的问题也越来越多，比如在电火花线切割加工中导电块的消耗与磨损；在电火花线切割工作时由于导电块静止不动，钼丝在其表面来回运动，其摩擦方式为滑动摩擦，摩擦系数大，钼丝和导轮磨损严重，导致导电块出现割痕且在高速运动时免不了产生颤动，造成钼丝和导电块的接触不良，因而产生放电现象，对导电块自身产生了切割的现象。正因如此，导电块属于易损件、消耗品，经常更换导电块与钼丝的接触面，磨损严重的情况下必须重新更换新的导电块了，如果更换频率较高那么使用成本也将提高。本课题就是以现有实验室电火花线切割机床为研究对象，对电火花线切割放电块电蚀消耗分析的研究。本课题的研究目的是要求以机械学院机制实验室为研究地点，以现有实验室电火花线切割机床为研究对象，完成实验方案的设计，在给定约束条件下，在相同切割电参数条件下，完成采样相同电参数条件下对不同加工材料的加工和对加工时间的观察，并总结加工材料对于放电快的影响，同时观察放电快的电蚀消耗情况，并用电子显微镜观察放电快的表面组织结构。为以后的电火花线切割加工技术改造提供有效的实践依据。1.2 电火花线切割技术的综述电火花加工是一种电加工技术。使金属熔化，从而被蚀除，从此开创了电火花加工的历程。电火花加工，是在一定绝缘介质中通过工具电极和工件电极之间的脉冲性火花放电来蚀除金属，从而达到一定的形状尺寸和表面粗糙度要求。其特点是电极丝做单向低速(对于 WEDM-LS）或往复高速(对于 WEDM-HS）走丝运动，工件相对电极做 X, Y 向的任意轨迹运动。后者可以用靠模、光电、特别是数字来控制。如果电极丝再作某些辅助运动，还可以切割带斜度的复杂工件。总之，电火花加工这门新工艺以其特有的功能，为各种新型材料的发展和应用开辟了广阔的途径，为各种工业产品的改革与制造提供了新的加工设备，为现代化科学技术的发展和试验设计水平的提高提供了有效手段。电火花加工工艺技术的应用范围目前仍在迅速扩大，逐步渗透到各个工业部门，展示了广阔的发展前景。电火花线切割加工时，在电极丝和工件之间进行脉冲放电。电极丝接脉冲电源的负极，工件接脉冲电源的正极。当来一个脉冲时，在电极丝和工件之间产生一次火花放电，在放电通道的中心温度瞬时可高达 10000 以上，高温使工件金属熔化，甚至有少量气化，高温也使电极丝和工件之间 陕西理工大学毕业论文第 3 页 共 46 页的工作液部分产生气化，这气化后的工作液和金属蒸汽瞬间迅速膨胀，并且有爆炸的特性。这种热膨胀和局部微爆炸，抛出熔化和气化了的金属材料而实现对工件材料进行电蚀切割加工。随着工件材料的应用范围越来越广，一些硬度大、耐磨性好的材料用传统的加工方法，刀具材料很难适应这种加工条件。而电火花线切割可以实现“以柔克钢”胜任切削。电火花线切割加工向微米级精加工发展，是社会技术发展的需要，也是向 WEDM-HS, WEDM-LS 线切割技术提出的要求。众所周知，工艺是技术发展的有力武器，是决定企业竞争力大小的一个重要变量。因此仅从工艺技术正在直接推动企业变革这一点来说，它已成为一个战略因素，是未来企业竞争力之一;任何同生产有关的新工艺技术都可能彻底改变产品价格的结构。一项工艺技术，可以成为新的竞争者介入的强大障碍，而发明这项工艺技术的企业有可能持久的保持工艺领先地位。从最近的情况看，国外电火花线切割工艺水平以口本、瑞典为代表，取得很大进展;而我国电火花线切割水平基本上没有明显提高，这使我们比起世界先进水平有了显著差距。从能达到的工艺指标来看，我国主要落后在加工精度和表面粗糙度上，这种落后与工艺差距是有密切关系的。我国的线切割工艺基本上是一次切割工艺，即经过一次切割就完成了工件的最后成形。而口本、瑞士等国发展起来的电火花线切割工艺，既有普通的一次切割工艺，又有多次切割工艺。多次切割工艺是专为高精度加工而发展起来的一套方法。多次线切割技术是一种为了提高加工精度，相比于单次线切割在线切割机床上进行的多次电火花线切割技术。多次切割如同传统金属切削时的粗加工后进行半精加工，再进行精加工，它是改善线切割工艺指标的有效手段。第一次切割任务是稳定切割，第二次切割的任务是精修，保证加工尺寸精度，第三次切割的任务是抛磨修光经过多次切割研究，探索出最优的切割工艺。多次切割技术通常是运用“切割成型-提高精度-提高表面质量”的加工顺序和原则进行几次切割，从而实现加工目的。我国的 WEDM-HS 与国外 WEDM-LS 一次切割工艺水平相比较，主要工艺指标相距还不大，个别指标还略高于国外 WEDM-LS 一些。但国外多次低速走丝线切割工艺能进行到士 5um 级高精度加工，获得高达 Ra 0.160.32um 的表面粗糙度。这在我国目前高速走丝机床上无论是一次或多次切割工艺是根本无法达到的。向微米级加工精度而努力，需要工艺上的创新，WEDM-LS 二次或多次切割工艺，是国外的电加工研究者多年来以低走丝机床为基础，总结出的一套工艺方法。这套工艺方法比较充分地适应了 WEDM-LS 机床的特点，是一套成功的精加工工艺方法。这种成功也给了我们一个启示:我国的 WEDM-HS 机床也有着自身的特点，也可以打破过去的旧工艺，摸索出一条与高速走丝机床相适应的新工艺方法。可是，过去我们在这方面的努力显然是远远不够的，尤其是对于精加工工艺的探索，这无疑是今后应该引起重视的一个方面。此外，必须注意到，所有电火花线切割工艺，都必须以机床为手段而加以实施。因此，电火花线切割的工艺水平与机床的性能水平有很大关系。实践表明，我国的高速走丝机床还存在着许多缺点，必须提高机床的设计水平和制造工艺水平。当前我国 WEDM-HS 机床存在的主要问题有:1.机床制造精度不高，全行程加工区机床自身精度均在 0.01 mm 之内，而国外 WEDM-LS 全行程加工区机床自身精度均在 0. 002mm 之内，相差 4 至 5 倍。同时 WEDM-HS 机床精度保持性差，无法进入微米级加工。陕西理工大学毕业论文第 4 页 共 46 页2.机床整体结构设计不合理，机床 X, Y 两个座标采用重叠式十字拖板，负载轻重不一致。没有WEDM-LS 龙门式拖板结构合理，也没有采用精密机床设计中要求的发热元件隔离、隔热，防振处理，丝杠间隙补偿，闭环控制和等温一体化原则。WEDM-LS 机床为防止热变形，均采用了花岗石台面、大理石线架，采用电液脉冲马达与坐标直接连接驱动，并预加上了静压，把可能出现的热变形及传动误差尽可能降低到最小值。此外，WEDM-LS 机床在丝杠上加上了间隙补偿，控制上采用闭环控制等措施。但 WEDM-HS 不仅没有这些措施，有些部件设计很不合理，例如，大部分机床将脉冲电源放在机床切割台内，经测试，工作 4h 后机床热变形引起的误差达 0.02mm，乳化液冷却水箱过小，一般为 25L，经测试，工作 6h 后用同一参数加工的工件测得的误差为 0.001 至 0.002mm，干净的与很脏的乳化液在同一参数加工的工件，造成的误差达 0. 004mm 至 O.OO5mm，这些问题大大恶化了 WEDM-HS 的加工精度。3.走丝机构不够完善，WEDM-HS 走丝系统没有恒张力恒速度控制，电极丝张力是一个变化值；电极丝往复使用产生损失；导轮轴承跳动及污染；线架的刚度低等等，严重影响加工表面粗糙度和加工精度。而 WEDM-LS 不仅有恒张力恒速度控制装置，而且不计丝损，最近储丝机构已发展到可连续运转 80 小时而不用换丝，为多次切割创造了极为有利的条件。4.工艺水平较低，我们国家的模具材料处理至今仍采用常规工艺，材料中奥氏体很难转化，锻打、时效处理基本上只一次就拿去加工，残余应力较大，而各先进国家对此十分重视，精加工模具材料经过 7 至 8 次锻打和时效处理，把材料中残余应力尽量降低到最小值。1.3 国内外线切割技术研究现状 不管是传统加工机床，还是低速走丝线切割机床，都不可能在一次加工中满足工艺要求，都需要进行精加工。目前，多次切割加工工艺在低速走丝线切割加工中得到了普遍应用，如何在中快走丝线切割机上实现多次切割也正在不断研究和发展。多次切割技术虽早已被证明是能够应用于中快速走丝线切割加工的，但离真正的大众化应用还有很长的距离。中国科学院上海技术物理研究所的俄家齐以上下导轮间的电极丝为研究对象，指出在电极丝的振幅、跨度、频率、应力之间有一个严格的协同关系，并由此推断中快走丝线切割多次切割加工是可行的，中国科学院上海冶金研究所的杜炳荣通过试验，总结和分析了在中快走丝线切割机上采用多次切割工艺的经验规律，得出传动精度高的机床、电极丝的动态变化幅度小和动态下的平衡位置是实现多次切割的重要条件。近几年，随着对多次切割研究的深入，快速走丝电火花线切割运用多次切割也取得可喜的成果。苏州沙迪克三光机电有限公司同南京航空航天大学合作，在电极丝间隙状态控制系统、动态性能控制方式的改进上取得了一定进展:在加工 10cmCr 12 模具钢时，能在加工效率 24.6/min 前提下保证表面粗糙度达到 0.8 1.2 m，且没有明显丝痕 ;苏州新火花机床有限公司在普通机床上加装运丝稳定装置并采 用自主研发的全数字化脉冲电源，进行三次切割后获得的加工表面粗糙度不大于 1.2 m 且无明显切割条纹，综合加工效率大于 50/min。这些加工指标已经接近中档低速走丝线切割的工艺水平，加上生产成本低的优势大大提高了中快走丝电火花线切割加工的性价比，这对提升国内电加工的行业水平有重要意义。陕西理工大学毕业论文第 5 页 共 46 页虽然多次切割技术在国内的发展取得了长足的进步，多次切割机床在国内产量也日益增长，基于国内企业的实际情况，多次切割技术的普遍应用在目前来说还比较困难。国内的大部分企业实际加工与生产仅凭借操作工人的经验和技术水平来主观选取加工工艺参数，机床性能不能最大程度地展现，加工效果也会受到抑制。面对国内这种情况，多数电火花线切割机床生产厂家结合自家机床性能配备了工艺数据库系统，为用户提供了一个选择合理加工参数的可靠途径。但是，目前存在的这些数据库系统能力毕竟有限，在实际加工中要完全通过工艺数据库的选择来完成工艺效果的预测和加工参数选取显然是行不通的。国内多家科研院所和部分高校，针对这些情况做了大量研究工作，并且将大部分研究都锁定在加工工艺参数优选的问题上。国外电火花电加工新方法的研究状况:1.气中放电加工技术上世纪 90 年代中期，日本东京农工大学国枝正典博士等开展了气中电火花加工技术较为深入的研究，并取得了令人振奋的实验结果，如果能实现真正意义上的气中放电加工，将无疑对电火花加工工艺和设备本身产生革命性的变化。2.混粉工作液电火花镜面加工技术上世纪 80 年代末期日本毛利尚武等人，在工作液中混入适量的硅、铝等粉末，电火花加工后可以获得大面积类似镜面的效果。3.非导电材料的电火花加工此加工方法是由日本长冈技术科学大学福泽康与丰田工业大学的毛利尚武分别进行研究的，主要应用了煤油工作液在电火花加工时的碳化导电现象，可以对陶瓷材料进行加工。 4.电火花表面处理技术主要是利用放电过程所产生的高温，并控制加工条件实现被加工表面形成抗磨、抗氧化层，日本丰田工业大学毛利尚武开展了此项研究。英国伯明翰大学及 Spark Tech 公司还开展了冷轧辊表面的电火花毛化(EDT)技术研究，他们主要是通过调节脉冲放电参数来控制其表面粗糙度，不但提高了轧辊寿命，而且轧制的板材具有良好的喷漆效果。 此外，国外电火花加工的数控系统得到了改善，日本和瑞士的电火花加工机床开始采用了智能控制技术等。我国机械工程学会电加工分会刘正埙教授，在 1999 年还撰文对我国的特种工技术进行了回顾与展望。文中认为，我国的电火花成型加工领域中，在加工精度、自动化程度、功能和可靠性等方面与世界先进国家相比有一定差距；其低耗脉冲电源、防电磁辐射、微孔加工装置、仿铣功能、商品化 CAD