微尺度低速走丝电火花线切割微回转零件仿真及工艺实验研究

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微尺度电火花线切割加工技术作为一种高精度、高效率的加工手段,由于其非接触式加工特点,加工过程无宏观作用力,不受材料本身硬度、强度等物理属性的限制,已逐渐成为解决难加工材料及微尺度结构精密加工难题的有效方法之一。本课题通过在五轴联动的低速走丝电火花线切割机床上搭建出旋转机构系统,从而实现了六轴联动的电火花线切割非完全贯穿曲面或局部具有微回转结构的零部件加工,并针对电火花线切割加工微回转结构进行基础工艺实验研究,从而为形成高精度、高效率、高性能、低成本的微回转结构加工手段提供参考。本文基于ANSYS软件对低速走丝电火花线切割加工回转件进行有限元热温度场仿真分析,得到熔蚀凹坑直径和半径方向上温度变化的规律,以及熔蚀凹坑尺寸随放电电压、放电电流、脉冲宽度的变化规律,并通过回归拟合分析,得到熔蚀凹坑直径及深度的经验公式。基于MATLAB软件先建立单脉冲放电下熔蚀凹坑表面形貌数学模型,并进一步得出连续脉冲放电下多个随机熔蚀凹坑表面形貌的数学模型,之后,对多工序加工下电火花线切割平面件及回转件表面形貌进行建模仿真分析,得到工件表面形貌、表面粗糙度,为实际加工提供仿真预测。采用Design-Expert设计Box-Behnken实验,利用响应曲面法探究速度参数(工件转速、进给速度、走丝速度)对低速走丝电火花线切割加工回转件表面粗糙度及材料去除率的影响规律,并得到兼顾加工效率与表面质量最优工艺参数组合。基于仿真实验所得到的最优工艺参数组合,进行实际电火花线切割微回转结构加工工艺流程研究,针对不同的微回转结构设计粗切(RC)、修切(TC)、精修(FTC)工序下的线电极走丝路径、进给量及偏移量,成功加工出了底端直径为796.5μm,顶端直径为104.2μm的锥形电极;以及大端轴直径为198.2μm,中间轴直径为147.5μm,小端轴直径为122.1μm的阶梯轴,尺寸误差保证在5μm以内;并在阶梯轴的基础上,加工出刃口角为20.4°的“D”字形微铣刀,从而为微尺度电火花线切割加工微回转结构的实用化提供了加工经验。
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