超声振动管电极电化学放电加工玻璃小孔技术研究

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电化学放电作为一种新型特种加工方式,由于加工对材料本身属性没有要求,因此广泛的用于玻璃、陶瓷这类绝缘硬脆材料。但由于其材料去除机理的特点,加工过程中存在着许多尚未有效解决的问题,特别是在电化学放电加工小孔过程中,由于侧壁放电所导致入口热影响区、孔锥度以及电解液循环困难导致放电不连续等问题,使得加工所得小孔的尺寸精度和深度无法同时保证。因此本文采用超声振动管电极电化学放电加工方式,利用超声振动以及管电极内喷液改善间隙内流场以提高加工质量本文首先对气膜生成时间及超声及内喷液条件下气泡受力进行理论分析并建立数学模型。利用ansys仿真模拟超声振动作用下气膜的厚度以及分布状态分析超声辅助火花放电材料去除机理,仿真结果显示超声振动能够细化加工间隙内气膜厚度,并且避免气膜与工件表面接触。在此模型的基础上,引入管电极内喷液,分析气膜在内喷液和流速的共同作用下的生成效果,分析得出当内喷液速率较低时,内喷液与超声振动的耦合作用能够细化气膜,提高放电效果;内喷液速率较大时,由于内喷液对加工间隙流场的作用过大使得超声振动所带来的优化效果并不明显。其次,通过单个及多个放电周期试验验证了超声振动对气膜的优化效果。利用COMSOL软件仿真模拟管电极加工过程中火花放电产生能量分布状态,理论分析采用单孔管电极加工时由于其中空结构使所得小孔可能存在中心未去除材料,结合试验确定选用多孔管电极作为工具电极进行加工。确定了合适的浸没深度、电解液浓度以保证加工稳定性。进一步讨论了频率对加工小孔质量、进给速率和电极损耗的影响,根据加工结果将频率分为低频(<10kHz)、高频(10kHz<F<70kHz)和超高频(70kHz<F<150kHz)三个阶段。之后获得了加工阵列孔的参数组合以及加工所需内喷液速率的参数范围。最后首先利用正交试验分析电压、占空比、脉冲频率以及内喷液速率对加工效果的影响并分析权重,之后分析内喷液速率分别于电压、频率和占空比对加工效果的影响,优化加工参数组合。之后选取最优参数组讨论超声振动对加工效果的影响,结果证明,低压低频低流速条件下,气泡生成并不剧烈且内喷液对间隙内流场作用较小,超声振动对流场的优化作用最明显,能够减小小孔尺寸,加工所得小孔尺寸从1488.3μm降低至1376.6μm,利用最优低频电参数加工得到深度为600±10μm、直径为1380±5μm的5×5阵列孔;高压、高频、高内喷液速率条件下,由于气泡生成过于剧烈,并且流速对加工间隙内流场作用较强,超声振动几乎不起作用,直接利用最优高频加工参数得到平均加工深度3030±20μm、平均入口尺寸1670±20μm的小孔。
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