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压电自适应微细电火花加工系统研究

作　者: 朱玉杰
导　师: 张勤河
学　校: 山东大学
专　业: 机械设计及理论
关键词: 微细电火花加工压电致动器自适应加工装置模态分析
分类号: TG661
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

随着科学技术的快速发展,微型结构件的应用日益广泛。微细电火花是加工微型结构件的一种重要手段,但加工尺度微小引起的排屑困难、加工状态不稳定问题是制约微细电火花加工技术发展的一大瓶颈,因此,研制新型微细电火花加工装置,提高排屑速度和加工稳定性进而提高加工效率是微细电火花加工技术的重要研究方向。为此,本文基于压电陶瓷的逆压电效应提出了压电自适应微细电火花加工技术。本文首先分析了压电致动器的工作原理,详细的阐述了压电自适应微细电火花加工技术的工作过程。对压电自适应微细电火花加工系统的放电能量进行了理论计算,计算结果表明放电能量主要由电容C2提供。通过具体实验对计算结果进行了验证,实验结果与理论分析一致。在深入分析微细电火花加工对加工系统的技术要求基础上,设计、研制了一套压电自适应微细电火花加工装置,并详细的阐述了各部分的设计过程。该装置由机械系统和电气系统两部分组成,机械部分主要包括花岗岩基座、高精度三轴运动平台、精密旋转主轴、微进给机构、电极反拷机构等几个单元；电气部分主要由微能脉冲电源、伺服控制系统、放电间隙检测回路、接触感知控制回路等几部分组成。采用ABAQUS软件对机床的关键部件(立柱)进行了静力分析和模态分析。建立了立柱的受力模型,确定了相应边界条件,分析了它的受力状态。通过静力分析得到了立柱静力学特性(应力和应变)；通过对立柱的模态分析,得到了立柱的前六阶固有频率及其振型。机床立柱前六阶固有频率都远离外加作用力的频率,验证了机床立柱结构设计的合理性和可靠性。利用自行设计搭建的微细电火花加工机床进行了实验研究。对压电致动器的运动性能和机床的加工性能进行了测试,测试结果表明该机床能够提高加工效率；分析了放电间隙与开路电压的关系,放电间隙随着开路电压的增大而增大。详细研究了该技术的放电加工特性,并对实验中出现的不稳定现象进行了分析,分析结果表明短路和拉弧是影响加工过程稳定的主要因素。进行了微细孔和微槽加工实验,实验结果表明,该技术加工效果良好。

全文目录

摘要  11-13
ABSTRACT  13-15
第1章绪论  15-27
  1.1 引言  15-16
  1.2 微细加工技术的研究进展  16-21
    1.2.1 微细车削  16-17
    1.2.2 微细铣削  17-18
    1.2.3 MEMS制造技术  18-19
    1.2.4 微细电化学加工  19
    1.2.5 微细线切割加工  19-20
    1.2.6 微细电火花加工  20-21
  1.3 微细电火花加工技术的研究进展  21-25
    1.3.1 微细电极的制作技术的研究进展  21-22
    1.3.2 微能脉冲电源的研究进展  22-23
    1.3.3 微细电火花加工装置的研究进展  23-25
  1.4 本课题研究目的和意义  25-26
  1.5 本课题的来源和研究内容  26-27
第2章压电自适应微细电火花加工原理  27-39
  2.1 微细电火花加工的特点  27-28
  2.2 压电致动器  28-30
    2.2.1 压电效应与逆压电效应  28-29
    2.2.2 压电致动器的工作原理  29-30
  2.3 压电自适应微细电火花加工原理  30-34
    2.3.1 压电自适应微细电火花加工装置  30-32
    2.3.2 工作原理  32-33
    2.3.3 压电自适应微细电火花加工特点  33-34
  2.4 放电能量分析  34-36
  2.5 实现微细加工的实验验证  36-37
  2.6 本章小结  37-39
第3章压电自适应微细电火花加工装置设计  39-55
  3.1 微细电火花加工对加工系统的技术要求  39-40
  3.2 微细电火花加工装置的总体方案设计  40-43
    3.2.1 设计方案对比  40-42
    3.2.2 加工装置的总体设计  42-43
  3.3 机械系统部分设计  43-50
    3.3.1 宏微伺服机构  43-46
    3.3.2 花岗岩基座  46-47
    3.3.3 机床立柱设计  47
    3.3.4 旋转主轴及上电装置  47-50
    3.3.5 电极反拷机构  50
  3.4 电气部分设计  50-52
    3.4.1 RC脉冲电源  50-51
    3.4.2 放电间隙检测电路  51-52
  3.5 压电自适应微细电火花加工装置的实现  52-53
  3.6 本章小结  53-55
第4章机床立柱的有限元分析  55-67
  4.1 ABAQUS动静态分析基础  55
  4.2 机床立柱的静力分析  55-62
    4.2.1 立柱受力分析  56-57
    4.2.2 立柱的有限元分析过程  57-60
    4.2.3 有限元计算结果分析  60-62
  4.3 立柱的模态分析  62-65
    4.3.1 立柱模态分析步骤  63
    4.3.2 结果分析  63-65
  4.4 本章小结  65-67
第5章压电自适应微细电火花加工实验及特性分析  67-81
  5.1 实验基础  67-68
  5.2 微细电火花加工装置性能测试  68-73
    5.2.1 压电致动器性能测试  68-69
    5.2.2 压电致动器振幅和频率分析  69-71
    5.2.3 加工性能测试  71-72
    5.2.4 放电间隙与开路电压的关系分析  72-73
  5.3 放电特性分析  73-75
    5.3.1 实现短路自消除  73-74
    5.3.2 提高加工过程稳定性  74
    5.3.3 可实现超低电压下的电火花加工  74-75
    5.3.4 提高脉冲电源的有效脉冲利用率  75
  5.4 不稳定现象分析  75-77
    5.4.1 短路现象  76
    5.4.2 拉弧现象  76-77
  5.5 加工实验  77-78
  5.6 本章小结  78-81
结论  81-83
参考文献  83-87
致谢  87-89
攻读硕士期间发表的学术论文  89-90
学位论文评阅及答辩情况表  90

压电自适应微细电火花加工系统研究

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