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上世纪80年代,北京市电加工研究所曹凤国研究员发明了以电力效应理论为基础的增爆式电火花加工技术,该技术曾于1984年荣获国家发明二等奖,已经成功应用于聚晶金刚石等硬脆难加工材料的电火花加工,创造了世界上最高的加工效率。虽然以电力效应理论为基础的增爆式电火花加工技术已经在工业生产中发挥了重要作用,但目前世界各国学者尚未对此机理进行深入研究,本课题对其加工机理首次进行深入探索研究,将对电加工事业的进一步发展起到一定的促进作用,具有重要的理论及实际应用价值。
论文主要针对上述增爆式电火花加工技术的放电爆炸力蚀除机理进行研究。通过大量实验,对聚晶金刚石等超硬材料电火花加工过程中的力学特性进行研究,研究放电爆炸力对材料蚀除特性的影响机理。
通过单脉冲放电实验对不同电源以及不同电极材料条件下电极放电端面的放电痕半径和深度等空间特性进行了研究。采用压力传感器测量了放电通道在放电爆炸力作用下所产生的冲击波压力,研究了电源能量、电极材料以及脉冲前沿时间等电参数对冲击波压力的影响规律。同时对聚晶金刚石复合片电火花加工时的温度场进行了数值模拟,通过比较模拟结果与实验结果,进一步明确了聚晶金刚石材料电火花加工时的材料蚀除机理。同时,在聚晶金刚石电火花加工机理研究的基础上,开发了一种高效节能的大面积聚晶金刚石复合片电火花专用脉冲电源。建立了材料蚀除率及表面粗糙度估算模型,对聚晶金刚石电火花加工时的加工特性进行了研究,以指导实际生产。
研究结果表明:用普通电源加工聚晶金刚石时,其材料的蚀除主要是受热作用的影响,而用增爆电源加工聚晶金刚石时,其材料的蚀除主要是力作用的结果。工件材料的热导率可能对放电产生的爆炸力有一定的影响;计算机仿真可以很好地模拟放电蚀坑的温度场分布以及放电过程中蚀坑形状的变化情况,以便直观地分析其加工机理;应用计算机仿真技术可以准确地得出不同加工参数条件下电极相对于工件的运动轨迹图形,从轨迹图形可以方便地预测聚晶金刚石的加工效果;所开发的电源具有加工效率高、表面质量好、电能利用率高等特点,是一种高效节能的电源。利用所建立的材料蚀除率及表面粗糙度估算模型,可以定性地分析材料蚀除率及表面粗糙度随放电脉宽、脉间、峰值电流等的变化规律。