外加旋转磁场对微细电解加工精度的影响规律及实验研究

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随着微细制造技术的发展,难切削金属材料微尺寸零件结构广泛应用在国防装备、航空航天以及民用精密设备等领域。因此对难切削材料微尺寸零件结构制造的加工精度提出了更高需求,传统机加工技术难以满足难切削金属材料微尺寸结构加工要求,而微细电解加工技术具有工具无损耗、无接触式加工等特性,是一种实现微尺寸零件结构成形加工的理想方法。针对微细电解加工技术中存在的加工精度难以提高以及加工定域性差等问题,研究了外加旋转磁场辅助微细电解加工技术,主要从旋转磁场对加工过程的作用影响、旋转磁场辅助装置的研制、旋转磁场的分布特性以及工艺实验等几个方面进行了研究。(1)为了得到外加旋转磁场对微细电解加工过程的影响理论,开展了外加旋转磁场对带电粒子运动与气泡运动的影响作用研究。将旋转磁场复合到微细电解加工中,运用经典电磁理论与流体动力学理论在定磁场基础上,引入旋转磁场变量研究了微细电解加工过程中外加旋转磁场对带电粒子运动轨迹与气泡运动的影响。研究表明在旋转磁场作用影响下,带电离子运动轨迹由简单的单向运动变为“螺旋式复杂运动”,并且气泡运动运动轨迹发生变化快速逃离加工区域,对电解液更新具有促进作用,提高了加工定域性。(2)为了解决在微细电解加工过程中提供满足课题需求的外加旋转磁场环境,研制了一套可控可调的旋转磁场辅助装置与阴极辅助装置。对旋转磁场辅助装置的高度调节、仰俯倾斜、水平旋转、磁场强度调节以及阴极辅助装置的结构尺寸等核心部分进行了设计,并对阴极辅助装置进行了结构优化。最后,旋转磁场辅助装置实现水平旋转、仰俯倾斜、高度可调且磁场强度可调的需求,该装置达到水平连续旋转在0~30RPM、磁场强度在0~0.2T、磁极倾角为-60°~60°范围内可调可控的指标,并与现有的微细电解加工机床成功构建了外加旋转磁场辅助微细电解加工系统。(3)为了研究旋转磁场的分布特性情况,开展了旋转磁场在空间中与加工域内的分布特性仿真。首先,对旋转磁场辅助装置的磁场分布进行了实际测量,在同一参数下对旋转磁场分布进行了仿真,验证了该装置结构合理性。进而分别开展了不同倾角0°、10°、20°、30°作用下与不同磁场转速5RPM、10RPM、15RPM、20RPM作用下,旋转磁场在空间中与加工域内的分布特性研究。结果表明旋转磁场在空间中的分布特性为,随加工中心距离越近磁场强度变化波动越小,磁场强度衰减呈拟线性趋势;旋转磁场在加工域中分布特性为,随磁极倾角增大磁场强度波动越剧烈,转速对强度变化影响较为微弱,主要影响旋转磁场对加工域的作用频率。(4)为了研究外加旋转磁场对微细电解加工精度的影响作用,开展了关键加工参数对加工精度的单因素实验、正交实验并进行参数优化确定最优参数组合进行验证。进行阴极进给速度、加工电压、磁场旋转速度、磁极倾角与磁场强度等5种加工关键参数对加工精度影响的单因素和正交实验,通过单因素实验得到工艺参数对加工精度影响规律;通过正交实验与灰色关联分析法对加工参数进行优化分析并获得理想的加工参数组合,即阴极进给速度为0.4μm/s、加工电压为4.5V、磁场旋转速度为5RPM、磁极倾角为10°和磁场强度参数为0.09T。综合实验结果表明在叠加旋转磁场环境辅助微细电解加工相比无磁场辅助微细电解加工出的微孔表面质量有明显提高,并且加工精度衡量指标微孔侧向间隙与微孔锥度分别提高了26.3%与60.8%。理论分析与实验研究表明,研制的可调可控旋转磁场辅助装置满足旋转磁场辅助微细电解加工的实际需求,外加旋转磁场可以提高微细电解加工的精度,为解决难切削金属材料微尺寸零件加工难题提供一种新思路。
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