UV-LIGA和微细电火花加工技术组合制作三维金属微结构的研究

研究了UV-LIGA和微细电火花加工技术组合制作三维金属微结构的工艺方法。首先通过UV-LIGA制作二维金属微结构,再对该微结构进行微细电火花加工得到三维金属微结构。该方法具有加工精度高、可实现自由曲面三维金属微结构制作的优点。制作出了局部为梯形凸台和锥形凹槽三维微结构的镍模具。分析了微细电火花加工中放电参数对表面粗糙度的影响,通过减小放电电压和电容的方法降低了表面粗糙度。     

电火花单脉冲放电加工的电热模型与实验研究

为了探索电火花放电加工过程中的材料去除机理,以均匀热源模型为基础,建立了单脉冲电火花加工铝合金6061的温度场的电热模型。利用ANSYS软件仿真获得了单脉冲放电产生的温度场,分析了熔融凹坑的直径、深度和体积随不同脉冲宽度的变化趋势。进行了电火花单脉冲放电加工实验,模拟计算结果和试验结果基本吻合,表明该电热模型可以比较准确地预测电火花单脉冲放电加工的温度场分布,为进一步预测电火花连续脉冲放电加工的温度场分布情况打下基础。     

微细电火花加工放电状态逐级映射检测方法

在微细电火花加工中,对放电状态的准确检测是实现加工过程稳定控制的前提条件,而微细电火花加工过程中频繁出现的放电信号严重畸变、放电状态不稳定甚至突变等实际情况,使放电状态的准确检测成为微细电火花加工的技术难点之一。本文在分析和研究传统的微细电火花加工放电状态检测方法的基础上,结合系统辨识和模糊逻辑理论,提出了微细电火花加工放电状态逐级映射检测原理和方法。对实时采集到的极间电压和电流信号,通过模糊运算判别采样点的放电状态,再将采样点放电状态值映射为放电状态矢量,并对该矢量进行统计得到“短路率”和“火花/电弧率”,经过模糊推理辨识出各分析周期的放电状态。实验表明,该检测方法准确性高、运算量低并且运算速度快,检测结果为微细电火花放电加工过程的实时控制提供系统放电状态的反馈输入,保证了加工控制系统的稳定性和准确性。     

UV-LIGA和微细电火花加工技术组合制作三维金属微结构

为了制作三维金属微结构,研究了UV-LIGA和微细电火花加工技术组合的工艺方法。使用UV-LIGA技术制作了准三维金属微结构,然后,对该微结构进行微细电火花加工制作三维金属微结构。使用提出的方法制作出了局部为梯形凸台和锥形凹槽三维微结构的镍模具,给出了梯形凸台和锥形凹槽的尺寸。分析了微细电火花加工中放电参数对表面粗糙度的影响,在工作电压为65V,标称电容为100pF时得到了Ra为0.08μm的微细电火花加工表面。研究结果表明,使用该方法可实现三维金属微结构的制作;通过减小工作电压和标称电容的方法可降低微细电火花加工的表面粗糙度。     

微细电火花加工机床关键技术

研制开发两台高精度、高性能,具有自主知识产权的微细电火花加工机床,并对微细电火花加工机床的几个特有关键技术进行了深入研究.基于压电陶瓷的宏微伺服进给系统能实现分辨率为3.42 nm的微进给,并且能实现振动式进给,以改善微细电火花加工的间隙状态,提高微细电火花的加工效率和加工质量.结合块电极反拷与线电极反拷的微细工具电极反拷系统,可高效高精度地现场制作微细电极,电极直径最小可达4 μm.基于多传感器信息融合技术的放电间隙状态监测技术,能很好地解决微细电火花加工间隙状态的监测与识别问题.RC脉冲电源不存在维持电压现象,这一最新发现为降低单脉冲放电能量难题提供一个新的解决途径,使得基于RC方法开发的超微能脉冲电源的单脉冲放电能量最小降至皮焦级,为微细电火花加工奠定了良好的基础.最后的微细电火花加工试验表明,所开发的微细电火花加工机床性能稳定,且加工质量良好,尤其适合加工孔径为50～200 μm的微细孔.     

基于局域波分解的电火花加工放电状态预测方法

针对微细电火花加工和深孔电火花加工过程中频繁出现放电信号严重畸变、放电状态不稳定甚至放电状态突变等实际加工情况,建立基于模糊逻辑的电火花加工放电状态逐级映射检测系统;在此基础上,将局域波分解理论引入电火花加工放电状态预测的研究,结合系统辨识理论和线性预测方法,建立基于局域波分解的电火花加工放电状态预测数学模型,提出基于局域波分解的电火花加工放电状态预测方法。试验证明,基于局域波分解的电火花加工放电状态预测方法的预测精度高、辨识数据短、运算速度快、实时性强,能够有效消除传统预测方法的滞后性,达到提高微细和深孔电火花加工效率、增强电火花加工预测控制系统稳定性的目的,确保加工质量和加工效率等工艺目标的良好实现。     

单晶硅放电蚀除机理研究及有限元分析

提出了单晶硅电火花加工蚀除机理假设,认为热应力在放电蚀除过程中起主要作用。建立了单晶硅电火花线切割放电模型,利用有限元法模拟了在单脉冲放电条件下单晶硅的温度场及热应力场分布。分别计算了单晶硅在温度场和热应力场作用下的蚀除量,并与实际放电切割蚀除量进行了对比,结果表明,实际蚀除量近似等于模拟得到的温度场与热应力场蚀除量之和,验证了对单晶硅电火花加工蚀除机理所作假设的正确性。     

微细电火花加工控制系统的集成

针对微细电火花加工中精密的放电间隙要求,对微细电火花加工控制的方案进行研究,利用宏微控制方案,以压电元件作为放电间隙伺服调整单元,实现了对放电状态的快速响应与控制.对宏微控制系统中的控制策略,多线程控制及控制系统的集成进行探讨,以宏动控制系统的行程,微动控制放电间隙,实现了微细电火花加工过程控制与放电间隙调整.     

气中电火花加工颗粒增强金属基复合材料的有限元分析

根据傅里叶热传导理论,建立了气中电火花放电加工颗粒增强金属基复合材料的二维有限元仿真模型。利用有限元软件ANSYS分别采用高斯热源模型和均匀热源模型对单脉冲放电加工金属基复合材料的温度场进行数值模拟。根据温度场的分布情况,对比分析了在两种不同热源模型下放电凹坑的形貌、直径和深度,并与实验结果进行比较,结果表明,与高斯热源模型相比,均匀热源模型能较好地预测单脉冲放电加工金属基复合材料的放电凹坑特征。根据电火花加工金属基复合材料的特点,对均匀热源模型中所采用的放电通道半径进行了修正,结果表明,修正后的模型能够比较准确地模拟单脉冲放电加工金属基复合材料放电凹坑的几何特征。     

压电自适应微细电火花加工系统特性分析

针对微细电火花加工过程中排屑困难,极易产生短路、拉弧等非正常加工现象,进而造成微细电火花加工效率低、电极损耗大等特点,基于压电陶瓷的逆压电效应提出了一种新的加工方法--压电自适应微细电火花加工技术,对其加工原理进行了详细阐述,并结合试验对该加工系统的加工特性进行了详细分析.试验证明该技术在加工过程中能够实现放电间隙与放电状态的自适应调节,促进捧屑,可有效控制短路及拉弧现象的出现,进而提高微细电火花的加工稳定性及加工效率,并能实现超低电压下的微细电火花加工.结合实例说明采用压电自适应微细电火花加工技术进行小孔加工的过程中能实现稳定加工,获得较高的加工效率,并且加工的小孔圆度较好,说明该技术在微小孔加工方面具有广阔的应用前景.     

Micro electrical discharge machining using high electric resistance electrodes

In micro electrical discharge machining (EDM), because the material removal per single pulse discharge mainly determines the minimum machinable size of a micro EDM, decreasing the material removal per single pulse discharge is important. In this study, in order to decrease the material removal per single pulse discharge, high electric resistance materials such as single-crystal silicon are used for electrodes. Analytical results show that when the electrode resistance increases, the peak value of the discharge current decreases, whereas the pulse duration increases. In addition, the discharge energy decreases when increasing the resistance. Silicon is used as a tool electrode, and the effect of resistivity of the silicon tool electrode on the diameter of discharge craters generated on the stainless steel workpiece is examined. Experimental results reveal that with increasing silicon electrode resistivity, the diameter of discharge craters decreases. Because the diameter of discharge craters can be decreased to 0.5 μm, improved finished surfaces of R_z 0.03 μm are obtained.     

高频窄脉宽微细电火花加工用微能脉冲电源的研究

分析了微能脉冲电源的实现途径。采用开关管推挽工作原理设计出了具有高频窄脉宽的微细电火花加工用微能脉冲电源。并对具有陡上升沿和下降沿的高频脉冲电源工作时产生的电磁振荡现象的原因进行了深入的研究。在此基础上设计出的脉冲电源最小脉宽可达100ns，较好地满足了微细电火花加工的需要。     

基于MEMS技术的微型热导检测器的研制

文中采用MEMS技术加工研制了一种新型热导检测器,这种微型热导检测器采用电阻率高、电阻温度系数大的Pt热敏电阻,利用MEMS技术将Pt薄膜沉积在Pyrex 7740玻璃上并通过剥离技术获得热敏电阻,而气体通道以及热导池是通过深刻蚀在硅片上刻蚀得到,热导池的体积为0.4 μL.这种热导检测器具有灵敏度高,不受气流影响,不易氧化等特点,适用各种混合气体分离检测.     

微细电火花加工设备技术研究

微细电火花加工的关键设备技术涉及电极的微进给伺服机构、电极和工件的附加树对运动机构、微小能量放电电源以及加工状态检测与控制系统等。文章围绕微细电火花加工系统的设计系统，介绍基于压电致动原理以及摩擦传动的微进给机构、工具电极的线放电磨削机构和旋转主轴、以及微小能量放电电源的设计等，并指出需要进一步研究的课题。     

含半圆形埋藏裂纹金属构件脉冲放电时应力场分析

对纯弯曲载荷作用下含半圆形埋藏裂纹的金属构件在脉冲放电瞬间的应力场进行了理论分析,运用热传导、非定常热应力及汉克尔变换等理论,推导出应力场分布理论公式。由公式可知,在脉冲放电瞬间,电磁热在裂纹尖端形成热压应力场,压应力场能有效地抑制裂纹的扩展。对脉冲放电前后的含半圆形埋藏裂纹构件进行了超声波检测实验,利用超声波对比法测得脉冲放电后构件裂尖应力值,该应力值有所增大。     

电火花加工单脉冲放电通道直径扩展规律研究

电火花加工的加工表面是由一系列的脉冲放电凹坑叠加而成的,因此研究单脉冲放电通道直径的扩展规律,对研究电火花加工的工艺规律以及加工表面质量预测等具有非常重要的意义。研究脉冲放电通道的形成与扩展机理,讨论电压、极值电流、脉宽等放电参数对放电通道直径扩展的影响,并根据理论推导建立了单脉冲放电通道直径扩展的数学模型。以煤油作为电介质工作液开展了单脉冲放电试验,使用超景深显微镜对单脉冲放电凹坑的直径进行了测量,并把测量得到的单脉冲放电直径数据代入建立的数学模型进行回归求解。回归公式的计算值与试验测量得到的单脉冲直径数据吻合度较高。     

微细电火花加工中电极材料的蚀除机理研究

在微细电火花加工过程中 ,由于放电时间极短 ,使得其阴阳两极的电极材料蚀除过程产生较大的差异。本文应用传热学和电场的基本理论 ,分别对微细电火花加工阴阳两极的材料蚀除机理进行了理论研究 ,得出了在窄脉宽微细电火花加工中 ,尽量缩短脉宽可提高阳极材料的去除效率 ,同时又不会明显增加阴极材料损耗的结论。为微细电火花加工脉冲电源设计及加工工艺的改进提供了理论依据     

MICRO ELECTRICAL DISCHARGE MACHINING DEPOSITION IN AIR

A new deposition method is described using micro electrical discharge machining (EDM) to deposit tool electrode material on workpiece in air. The basic principles of micro electrical discharge deposition (EDD) are analyzed and the realized conditions are predicted. With an ordinary EDM shaping machine, brass as the electrode, high-speed steel as the workpiece, a lot of experiments are carried out on micro EDD systematically and thoroughly. The effects of major processing parameters, such as the discharge current, discharge duration, pulse interval and working medium, are obtained. As a result, a micro cylinder with 0.19 mm in diameter and 7.35 mm in height is deposited. By exchanging the polarities of the electrode and workpiece the micro cylinder can be removed selectively. So the reversible machining of deposition and removal is achieved, which breaks through the constraint of traditional EDM. Measurements show that the deposited material is compact and close to workpiece base, whose components depend on the tool electrode material.     

甚高频共振式脉冲源放电蚀除

针对传统微细电火花脉冲电源普遍存在的放电频率低、脉宽较大、纳米级高效蚀除能力难以日益提高的问题,设计出了一种基于电路共振原理的甚高频微能脉冲源,该脉冲源可产生放电频率55 MHz、电压峰峰值220 V的开路电压波形,电压脉宽可压缩至9.1 ns。进行了不同开路电压下的放电实验,获得了各实验条件下的放电波形。实验结果证明所设计的甚高频微能脉冲源具有良好的加工工艺性能。     

An experimental study on micro wire-EDM of polycrystalline diamond using a novel pulse generator

This paper presents a new pulse generator for cutting of polycrystalline diamond (PCD) by micro wire electrical discharge machining (micro wire-EDM). The pulse generator using anti-electrolysis circuitry and digital signal processor-based pulse control circuit was developed to suppress damages on the machined surface of PCD while achieving stable machining. A novel pulse control method was proposed to provide high-frequency pulse control signals with a period of off duty cycle for reionization of the dielectric in the spark gap so as to reduce the consecutive occurrence of short circuits. A series of experiments were carried out to investigate the effect of open voltage on machining performance in terms of material removal rate, slit width, thickness of the damaged layer on machined surface, and surface finish. An increase of open voltage increases peak current, thus producing greater discharge energy and, thereby, contributing to improvements in material removal rate, but leading to larger slit width and thickness of the damaged layer and worse surface finish. Experimental results not only demonstrate that the developed pulse generator could achieve satisfactory machining results but also have verified the applicability of this new technique in micro wire-EDM.