多微细孔电火花同步复合加工装置研究

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微细群孔是一种较为常见的结构,加工有微细孔的材料,刚度及散热性好,因此具有大量复杂位置关系的微细孔结构被设计出来,并广泛应用于航空航天和汽车零部件。目前电火花是加工微细孔的主要方式之一。  总结前人的研究经验可知,在微细孔的电火花加工过程中,由于孔径过小引起的电极与工件之间切削液流动不畅,常常导致切屑难以排出、散热困难、孔径容易变形、放电环境较差等问题。不完全放电常常引起电极损耗过大、工件加工精度差、电能利用率低下。而且微细孔加工通常孔径偏深,数量偏多,因此多微细孔已成为微细结构加工的重点研究对象之一。  本文在此背景下研制出一套多微细孔电火花振动复合加工设备。区别于传统电火花机床,该设备具有多电极同步旋转、各电极独立放电、振动装置促进排屑的功能。  通过对电极振动与旋转在理论上提升加工效率的分析,设计了装置的整体结构,并论述各零部件之间结构特点、安装方式、相对运动及功能。  按照由下到上,由繁到简的原则,通过ANSYS辅助设计与理论分析,基于结构轻量化与装配件互不干涉的原则,确定了上下圆盘、振动轴、振动电机支撑板和弹簧支撑板的尺寸,并进行了相应的校核,保证零部件尺寸满足加工要求。  对装置进行了可靠性分析,其中结构分析包括过盈配合、疲劳寿命、电极偏心度、进给机构性能分析,验证了装置设计的稳定性;动力学分析为电极在最大激振力作用下的速度和位移随时间变化曲线,验证了电极微细振动的合理性。  在结构设计的基础上对其配套的控制程序进行了开发,通过STM32单片机输出脉冲控制旋转电机和振动电机转速;使用驱动器控制步进电机的转角,进而控制滑台的微分进给量;采用USMART实现了通过串口控制电机的起停和实时调速。  对装置进行结构安装调试、电路调试、程序调试与联合调试;调试无误后,设计实验验证了电极振动与旋转对加工效率的提升作用;最后基于振动电机控制脉冲占空比、旋转电机控制脉冲占空比、加工电压,材料厚度设计四因素三水平正交实验和响应面实验,得出在不同控制脉冲占空比、电压、厚度的条件下加工镀锌不锈钢所需时间,通过Design Expert软件进行多元回归拟合分析和相关性分析,制定了理想的工艺参数,验证了装置的实用性。
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