论文摘要
微小孔和阵列孔加工一直是机械加工领域的难题之一。微细电火花加工技术的非接触式加工、无明显宏观作用力和“以柔克刚”等特点，使其在加工微小孔、阵列孔，尤其在加工难加工材料小孔时具有明显的优势。因此，微小孔和阵列孔的微细电火花加工技术已成为当前微细加工技术研究与应用的热点。然而在微小孔微细电火花加工过程中也存在着明显的局限性，如工具电极损耗大、放电状态不稳定、加工效率低等问题，阻碍了加工过程的顺利进行。通常采取电极旋转、电极削边、定时抬刀和超声复合加工等辅助策略来改善极间放电状态以降低电极损耗、提高加工效率和加工状态的稳定性。尽管如此，由于电火花放电过程的复杂性和随机性，对放电过程基础理论的研究，特别是对放电过程中材料蚀除过程和电蚀产物排出过程的研究尚存在诸多不足，已成为制约微小孔和阵列孔微细电火花加工技术发展与应用的瓶颈。为此，本文在分析国内外相关文献资料的基础上，对电火花单脉冲、有限次脉冲和连续脉冲放电过程的温度场分布和微小孔、阵列孔微细电火花加工过程的流场分布进行理论分析与实验研究，分析了放电过程中材料的蚀除过程和电蚀产物的排出过程的影响因素，为深入研究微细电火花加工技术提供了理论依据。单脉冲放电过程是认识和研究电火花放电过程的基础。本文基于热传导理论，对电火花单脉冲放电过程进行温度场研究。通过数值模拟单脉冲放电过程温度场分布，分析了峰值电流和脉宽对温度场分布和放电凹坑尺寸形貌的影响规律，并做相应的实验验证。通过数值模拟相同放电能量条件下单脉冲放电过程温度场分布，分析了不同的峰值电流和脉宽组合对放电凹坑尺寸的影响规律，为提高能量利用效率提供了理论依据。电火花连续脉冲放电过程可以看作是由无数次单脉冲放电过程重复叠加的结果。然而由于电火花放电过程的复杂性和随机性，很难将单脉冲放电过程的研究结果直接推广至连续脉冲放电过程。为此，在单脉冲放电过程温度场研究的基础上，通过数值模拟有限次脉冲放电过程温度场分布，分析了不同放电位置对后续脉冲放电过程温度场分布和蚀除凹坑的影响规律。根据有限次脉冲放电凹坑的分布情况和极间电场分布情况，确定了连续放电位置的随机分布原则，并依此建立了连续脉冲放电过程的温度场模型。通过数值模拟连续脉冲放电过程温度场分布，仿真了工件表面的动态蚀除过程；分析了单个脉冲放电过程的残留温度场和蚀除凹坑对后续脉冲放电过程温度场分布和蚀除凹坑的影响规律，并做了相应的实验验证。在微小孔微细电火花加工过程中，通常采用电极削边和定时抬刀等工艺来提高电蚀产物的排出效率以改善加工状态，这些改进措施都与间隙流场密切相关。因此，对微细电火花圆柱电极、削边电极旋转和抬刀加工过程中间隙流场进行了仿真，通过数值模拟间隙流场中速度场分布和电蚀产物的运动规律，分析了在电极旋转加工过程中电极形状差异对加工效率的影响规律、以及在抬刀加工过程中抬刀速度和高度对加工效率的影响规律，并做相应实验验证。在阵列孔微细电火花加工过程中，工具电极损耗严重、加工效率低、阵列孔一致性差和放电状态不稳定等问题一直限制着阵列孔微细电火花加工技术的快速发展，通常采取微细电火花超声复合加工方法来提高加工效率和放电状态的稳定性，但并没有从理论上合理的解释其作用机制。为此，结合微细电火花超声复合加工阵列孔实验，对阵列孔微细电火花超声复合加工过程间隙流场进行研究，通过数值模拟一个振动周期内间隙流场中电蚀产物的运动规律，分析了超声振动对微细电火花超声复合加工过程中电蚀产物排出过程的作用机制、以及超声的振幅和频率对加工效率的影响规律。综上所述，本文研究了电火花单脉冲、有限次和连续脉冲放电过程的温度场分布情况，并据此分析和探寻了电火花放电过程中材料的蚀除机理；研究了电火花加工微小孔和阵列孔过程的间隙流场分布情况，并据此分析和优化了电蚀产物的排出过程。上述研究为进一步挖掘微细电火花加工的技术潜能提供了一定的理论依据。