关键词： 电火花加工   碳化钨   微小孔加工   COMSOL   正交实验  

摘要： 目前超过90%的集成电路的封装是采用引线键合技术,称之为引线键合。金属劈刀广泛应用于引线键合中,但劈刀的导丝孔一直是制造领域的难点,因为金属劈刀导丝孔的精度与表面质量直接影响键合效果。本文将电火花加工工艺应用于金属劈刀（材质:WC）的导丝孔加工,该方法充分利用电火花加工高精度、高效率的优点。论文完成的主要工作如下:1)通过阅读大量文献介绍了微孔加工的特点,对比了各种微孔加工工艺的优缺点以及研究现状,由此引出电火花加工微小孔的优势所在,并阐述了本课题的研究意义。2)介绍了电火花加工的过程,分析了各加工参数对加工效率以及加工质量的影响,主要是:放电能量与凹坑大小的关系、放电能量与加工速度的关系、放电能量与工具损耗速度的关系,脉冲与加工间隙的关系,为实验加工参数的选取提供了理论基础。3)利用COMSOL Multiphysics仿真软件的计算流体力学（CFD）模块对加工间隙流场进行分析,根据间隙内流场的分布特点,为加工实验中电极丝的进给策略提供参考依据;同时,利用传热模块对单脉冲电火花加工过程中材料的温度场进行仿真,根据材料去除情况及温度分布情况,得出单向脉冲电流对材料蚀除速率的影响规律。本实验选择100V的电压进行实验。4)搭建了电火花加工微孔的实验平台,主要包括运动机构、运动控制系统、检测仪器等。使用自行搭建的简易打孔实验平台,设计工艺实验总体方案,进行了打孔实验。采用正交试验研究进给参数（最大进给速度和加工深度）和伺服参数（回退距离、回退速度、采样平均次数、短路判断电压）对加工性能（电极损耗率以及加工时间）影响明显的显著性因素;然后单个因素分析进给参数（最大进给速度和加工深度）和伺服参数（回退距离、回退速度、采样平均次数、短路判断电压）对加工性能（电极损耗率以及加工时间）的影响规律,总结出较合适的加工参数组合。综合考虑各因子的影响,电极损耗率较低的参数组合为:进给速度0.16mm/min、加工深度0.2mm、回退距离0.0016mm、回退速度3 mm/min、采样平均次数16、短路判断电压1.4V;加工效率较高的参数组合为:进给速度0.16mm/min、加工深度0.1mm、回退距离0.0008mm、回退速度0.6mm/min、采样平均次数14、短路判断电压0.2V。使用优化后的参数进行加工,将加工结果使用Origin软件中Q-Q图进行正态分析,验证加工的一致性。

关键词： 创新教育   激光加工   共享平台   实践教学  

摘要： 为推动师范类工科专业的发展,各师范类高校都在积极发展工科创新教育改革,从而推动了师范类工科创新实践课程的快速发展。激光加工工程训练已经成为高等院校工科教育重要实践课程。本文在新工科背景下,通过激光加工训练内容实施教学项目的设计与实施,以创意的形成、资源规划、团队协作机制、产品开发为主要路线,培养学生创新意识、锻炼学生的创新设计思维、提高学生的创新实践动手能力。以学科竞赛作为项目载体,以解决工程实际问题为任务和目标,将创新内容与市场需求结合起来,通过激光加工工程训练提高学生创新创业实践意识与能力,促进新工科教育发展。

关键词： 电火花   超声振动   中心复合试验   响应曲面  

摘要： 电火花加工技术在高硬度、高弹性、高粘性、脆性导电材料加工中应用广泛。普通电火花加工中,加工速度增大会引起表面粗糙度增大、重铸层增厚、表面微裂纹增多等问题,还需后续处理,影响加工效率。介质中混粉在一定程度上能有效减少集中放电,在大电流加工时获得较好的表面质量,但提高混粉浓度时,介质流动性变差,容易沉积在加工表面影响正常放电。为了解决以上问题,本文在工具电极加载超声,利用超声高频振动加快极间介质循环,从而改善极间放电环境,提高混粉电火花加工效率、表面质量。首先,通过理论分析不同的放电形式、混合介质的击穿特性、添加粉末对放电过程的影响以及超声对电火花加工的影响。分析表明:介质中混入粉末、空气时更容易击穿,增大了放电间隙,减小了电极与工件之间的寄生电容;超声的扰动加快了极间介质循环,振动增大了介质有效击穿范围,有利于提高放电效率,超声空化提高了电蚀物抛出效率,保持极间良好的放电环境;并依据试验要求,利用ANSYS软件设计了工具电极超声振动装置。其次,以TC4合金为工件,设计了 7水平单因素与5水平5因素中心复合试验。通过单因素对比试验发现:混粉介质中大电流(16A～20A)、大脉宽(70μs～90μs)加工时工件表面粗糙度Ra值比普通介质中小,加工速度也有较大提升,小脉间(15μs～30μs)加工时,工件表面质量与加工效率均比普通介质中高;不加超声时混粉浓度超过20g/L时工件表面质量与加工效率有所降低,加载超声时混粉有效浓度可达到30g/L,超声振动有利于粉末均匀悬浮,减少沉积。最后,通过中心复合试验全面的研究了各因素对加工的影响。对试验结果进行方差分析得出各因素的显著性,建立回归方程利用响应曲面分析得出各因素之间的交互作用以及各因素对加工的影响规律。试验结果表明,超声在混介质电火花加工过程中作用显著,加工速度平均提高了20.7%、表面粗糙度Ra值平均降低了11.1%。

关键词： 电火花加工   等离子体射流   氮气等离子射流   加工性能   磁场辅助  

摘要： 微细电火花加工(Micro-EDM)是一种特殊的加工工艺，能够从材料中去除亚晶粒尺寸的金属，而不论其韧性如何。在传统微细加工技术已越来越无法满足消费者对硬质材料加工需求的情况下，微细电火花加工技术多被用于微型硬质材料产品的加工。然而，目前微细电火花加工的材料去除率(MRR)仍远低于工业生产需求。以前，已经开发了许多技术来满足工业需求。但是，它们要么达不到行业目标，要么已针对特定材料开发。在微细电火花加工中，电介质对加工性能起着关键作用。煤油、去离子水和气体是工业上常使用的放电介质。液体放电介质的主要缺点是电极磨损大和污染严重。气中微细电火花加工的工具电极损耗率(TWR)几乎为零。但放电间隙非常小，导致加工时非正常放电现象频繁发生。本文研究工作旨在创建一种可应用于任何材料的方法，以增强微细电火花加工中的MRR，重点是非磁性材料。为了解决这个问题，已经开发了两种方法，一种方法是通过使用影响等离子体密闭性或等离子体稳定性的磁场来改变氮气等离子体射流中的等离子体通道;另一种方法是利用熔池中的洛伦兹力改善微细电火花加工方法的材料去除机理。　　所有实验均在非磁体H62黄铜工件上进行，以研究材料的去除机理及上述两种方法的作用效果;通过扫描电子显微镜(SEM)结果，在X和Y轴上评估了放电凹坑的直径。　　将洛伦兹力引入工件，与以前的研究工作相比，MRR提高了71％，表面粗糙度降低了约34％，而TWR则像气体电介质中通常发生的那样随机分布。此外，在最大洛伦兹力作用下，电子密度略有降低，而放电凹坑的直径在一定程度上减小，等离子体温度不受影响。基于这些结果，在加工过程中增加外部洛伦兹力会在等离子通道上产生机械效应，从而有助于提高MRR。

关键词： 电火花加工   油包水型工作液   稳定性   分子动力学模拟  

摘要： 电火花加工技术因其具有以柔克刚的优势,被广泛应用于机械制造领域。在电火花加工过程中,工作液对加工效率、加工精度、表面加工质量和电极损耗等具有重要的影响。油包水型工作液本质上是油包水型乳液,其在配制、存贮、使用过程中存在失稳的问题,提高油包水型工作液的稳定性对提升电火花加工工艺效果具有重要意义。本文创新性地采用了分子动力学模拟和实验研究相结合的方法,开展了对工作液中液滴行为及其稳定特性的研究工作,并取得了多项理论创新成果。相关研究成果已在多本国际权威期刊上发表,对揭示电场中液滴行为变化的微观机理,以及提升油包水型工作液的稳定性具有重要的指导作用。提出了液滴的临界变形度和内外压力差的概念,用于分析和预测液滴在不同环境条件下变形和破碎行为的变化。基于该方法对单个液滴在电场作用下的变形和破碎特性进行了分子动力学模拟研究,分析了电场强度、环境温度、离子类型、液滴粒度等因素对液滴的变形度、破碎方式、破碎行为的影响,探讨了各因素作用下液滴变形和破碎的微观机理。建立了液滴间的接触锥角和压力差与部分聚并产生的子液滴特征之间的关系,提供了预测和分析液滴聚并和反弹行为的新方法。利用分子动力学模拟研究了两个液滴在电场作用下的聚并与反弹行为,分析了电场强度、环境温度、液滴粒度、离子类型等因素对液滴间的接触锥角和压力差,以及液滴的聚并行为和子液滴特性的影响作用,揭示了各因素对液滴聚并行为的影响规律。开展了电场作用下液滴行为和工作液稳定性的实验研究,阐明了电场强度、液滴粒度等因素对液滴破碎和聚并行为,以及工作液稳定性的影响效果。将各因素作用下液滴的变形度、破碎方式、聚并行为、子液滴特征、工作液电导率、液滴粒径分布等的变化特性与模拟结果进行了定性分析,取得的实验结果与分子动力学模拟结果符合较好。

关键词： 电火花加工   高精度   间隙流场   加工碎屑  

摘要： 电火花加工（EDM）是常用的微孔加工方法,但是加工过程中工具电极损耗,排屑困难等原因,影响微孔加工精度。为及时排出加工屑,研究人员采用电极摇动、超声辅助或改变电极形状等方法,提高排屑效果,然而极少兼顾电极损耗对加工精度的影响;为预测电极损耗并对其进行补偿,研究人员建立了多种预测模型,然而电火花加工过程复杂随机,理论模型通常无法预测确切的电极损耗,经验模型只适用于特定加工条件和特定的工具电极和工件材料组合。为解决这些问题,本文通过对加工屑的排出过程进行了建模分析,基于分析结果,采用电极螺旋进给来促进加工屑的排出,提高了微孔加工的形状精度;同时为减少电极损耗引起的深度误差,本研究提出一种定点检测轴向补偿法来对电极损耗进行精确补偿,最终通过螺旋进给+定点检测轴向补偿的方法实现了高精度微孔的放电加工。本文的主要内容如下:1)提出定点检测轴向补偿法加工高精度微孔的方案,通过多次重复进给逐次逼近的方式降低深度误差,即每完成一次进给加工之后,电极移动到固定参考点检测电极轴向损耗,依据实测的电极损耗值计算深度误差,若深度误差大于设定误差,则将Z轴坐标置零,并将电极移动至加工区域,进行第二次进给加工（进给深度与前一次一样）,每次重复,材料的去除量均降低,因此电极的损耗值会逐次减少,也就是加工深度值会逐次逼近设定值,如此往复,直至加工深度误差达到设定的误差范围为止。2)运用ANSYS软件FLUENT模块,对电火花加工微孔进行间隙流场仿真。对比直线进给和螺旋进给在加工不同深度孔流场的差异。由仿真结果可知,电极螺旋进给的排屑效果优于直线进给,加工碎屑更容易排出。3)电极直线进给在钛合金工件加工微孔深度误差实验研究。对比无补偿、均匀损耗法和定点检测轴向补偿法加工不同深度微孔的差异,利用短脉冲和长脉冲两种电源,钨钢、黄铜和紫铜三种电极验证所提方法有效性,结果表明不同电极材料组合以及不同放电能量,所提方法都可加工出接近预期深度的孔,深度偏差精准控制在0.8%以下,距离预期深度最小相差0.106?m,但黄铜和钨钢加工形状精度差,由于加工屑堆积,孔底部存在孤岛和台阶问题,严重影响孔的形状精度,紫铜电极加工效果最佳。4)电极螺旋进给在钛合金工件加工高精度微孔实验研究。针对钨钢直线进给加工微孔形状精度差问题,研究结果表明,电极螺旋进给+定点检测轴向补偿法不仅可以促进加工屑的排出,消除孤岛,获得良好的形状精度,而且可以极大降低微孔的深度误差。

关键词： 电火花加工   脉冲电源   状态检测   FPGA   MOSFET  

摘要： 电火花加工作为特种加工的一个重要分支,非接触式的加工方式决定了其具有传统机械加工所不具备的优势,从而被广泛应用于涉及国计民生的诸多领域。脉冲电源作为电火花加工能量的提供者,其性能的优劣直接影响了电火花加工的结果,而电火花加工是否能够稳定高效地进行,电火花加工间隙放电状态检测技术则起着决定性的作用。本文通过研究电火花脉冲电源、间隙放电状态检测方法的国内外研究现状,总结其发展趋势,在前人研究的基础上,研制了一款性能优良的电火花加工脉冲电源及其间隙放电状态检测装置。本文利用FPGA作为控制核心研制了一套独立式电火花加工脉冲电源及其间隙放电状态检测系统。该独立式脉冲电源使用FPGA作为脉冲发生器,以MOSFET半桥电路为主电路,在专用驱动电路的驱动下,上下桥臂的MOSFET交替导通,能输出高频、高压的矩形脉冲。通过研究电火花加工放电时不同状态下的电压、电流变化规律,总结出开路、电火花放电、过渡电弧放电、稳定电弧放电、短路五种放电状态的电压电流及波形参数特征。间隙放电状态检测装置以五种放电状态的电压、电流为识别要素,硬件检测电路和FPGA控制板相结合对每个脉冲放电状态进行在线检测,并判断一段时间周期内电火花加工所处的状态。其中FPGA针对从硬件电路检测到的数据进行采样、分析,判断每个脉冲的放电状态,并对1秒时间内开路状态的脉冲数、电火花放电状态的脉冲数、电弧放电状态的脉冲数加短路状态的脉冲数分别占总脉冲数的比例进行计算,当开路脉冲数占比大于90%时,判断此段时间内电火花加工处于偏开路状态,然后通过上位机减小放电间隙;当电火花放电脉冲数的占比大于90%时,判断此段时间内的电火花加工处于正常放电状态,不用对放电间隙进行调节;而当电弧放电脉冲数加上短路脉冲数的占比大于90%时,判断此段时间内的电火花加工处于偏短路状态,上位机就会适当调大工具电极和工件的间隙距离。经试验验证,该脉冲电源能输出频率高达500KHz,脉宽、脉间低至1μs,且电压电流可调的矩形脉冲,最后,设计了不同峰值电流、不同加工极性和不同脉冲频率的电火花加工实验以进一步验证研制的电源系统的性能,并对实验后的工件型腔的表面质量、实际加工深度和加工时间等参数进行了分析,验证了该电源系统能实际应用于电火花加工,结果表明整套装置工作状态稳定、性能良好。

关键词： 电火花加工   微孔   微圆柱电极   微螺旋电极   微阵列电极  

摘要： 随着航空航天、汽车制造、生物医疗等科技领域的不断发展,微尺度结构的作用越来越大,其中微小孔及阵列孔是最基本也是最能体现加工技术水平的一种微结构。伴随着二十一世纪工业的快速发展,微尺度加工技术得到迅猛的提升,其中电火花加工技术以其加工过程中无宏观作用力,不受材料本身强度、刚度和硬度等物理属性的限制,在微尺度加工领域一直是解决相关问题最有效的方法。本课题通过自主搭建高精密防水回转机构实现了利用低速走丝电火花线切割机床进行微回转零件的加工,基于电火花加工原理制备出了不同结构的微细圆柱电极、微细螺旋电极和阵列电极,并开展了微小孔及微阵列孔的加工工艺实验研究,为高质量、高效率和低成本微孔及微阵列孔的加工提供理论参考。本文主要研究内容如下:（1）开展微小孔及微阵列孔加工过程中的间隙流场的仿真研究。基于ANSYS FLUENT软件对微细圆柱电极、微细螺旋电极和阵列电极在微孔和微阵列孔加工过程中的间隙流体及流体内部的电蚀产物的运动进行了仿真研究。通过对单微孔和阵列孔间隙流体进行了建模,利用动网格技术模拟仿真了电极的上下抬刀运动,分析电极结构参数和抬刀高度、抬刀速度等工艺参数对加工介质和电蚀颗粒产物运动规律的影响。（2）开展单电极和单微孔的加工工艺实验研究。利用低速走丝电火花线切割机床制备不同直径、不同长度的微细圆柱电极和螺旋电极,在镍基高温合金单晶零件上开展微孔加工工艺实验研究,通过实验分析电极的结构参数（如螺旋槽深度和螺距等）、抬刀速度、抬刀高度等对单微孔加工精度和加工质量的影响规律,并进行不同电极的损耗研究,得出加工工艺规律。（3）开展阵列电极和阵列微孔的加工工艺实验研究。利用电火花加工方法制备出方形和圆形阵列电极,探究不同的加工方式对电极的尺寸精度、表面质量和加工效率等方面的影响。开展阵列微孔的加工工艺实验研究,得出加工工艺参数（如抬刀速度、抬刀高度等）对阵列微孔加工精度、质量和一致性的影响规律,给出最佳的工艺方案。（4）开展异形微孔和微阵列结构的加工工艺实验研究。制备出阶梯形电极和D字形电极并进行异形微孔加工工艺实验。制备出矩形微阵列电极并进行矩形阵列槽的加工。同时,充分利用单电极以实现在微铣刀后刀面上微阵列凹坑结构的加工。

关键词： 建模取点   分区加工   工艺误差   加工质量   电磁仿真  

摘要： 频率选择表面(Frequency Selective Surface,简称FSS)作为功能性结构的一个代表,是一种周期性的具有空间滤波特性的频率选择结构。鉴于其电磁特性独特,FSS在隐身领域广泛应用,在复杂的电磁场中表现出滤波作用。尤其是在不可展频率选择表面上加工单元图形依旧存在许多问题。本文以方环形单元和Y形单元作为研究对象,运用激光分区加工的方法完成加工实验,与此同时,对加工单元图形进行质量分析,研究激光加工工艺对功能结构表面质量的影响。首先,为了实现对曲面盖板的整体双面加工。先借助三坐标测量仪对样件进行了测量,然后通过Creo4.0软件对其进行建模取点,接着在Matlab软件中利用修正的点投影算法获得初步打标图案,根据分区原则对其进行区域划分,再通过Coreldraw软件将初步打标图转换成标刻软件能识别的打标图进而完成激光加工。对铝镀层样件进行激光加工试验,探讨延时参数、轮廓相关参数以及填充相关参数对单元图形加工质量的影响。最终找到加工质量较好的加工参数组合。为了表征单元图形的加工质量,本文使用材料去除率或均方根差结合单元图形加工形貌来表征单元图形的加工效果。为了研究在铝镀层、银镀层、铬镍合金镀层、银浆涂层四种不同表层材料的同种样件上激光加工获得高质量的单元图形。利用工具显微镜测量最终制件相应的单元图形尺寸和记录加工形貌,不同材料选用不同的加工功率,分析比较各材料的加工难易程度以及加工质量。鉴于本次试验的样件尺寸较小,无法通过电磁测试对其进行质量评估。故选择仿真来显示其电磁特性。总结了成型工艺误差,像中间介质层成型厚度误差、加工单元图形畸变放大误差、双屏单元图形错位误差等,通过CST2014软件对单元进行相应的仿真分析,得到实际加工单元图形对样件电磁特性的影响。最后,重点研究了在银浆涂层样件上高效加工单元图形。分别探讨了加工次数和加工功率两个工艺参数对单元图形加工质量的影响,最终找到最适的加工次数以及能提高加工效率的加工功率。然后对加工制件进行了马弗炉还原处理,分析了加工缺陷,并进行了尺寸畸变的电磁仿真,为实现不可展曲面的高效加工提供了重要的参考和指导。

关键词： 慢走丝线切割   线电极磨削   回转件精度   精微球头刀具  

摘要： 线切割放电加工技术是我国广泛应用的特种加工方式之一,具有加工精度高,无机械作用力,加工成本低的优点,广泛应用于高硬度、高强度材料加工和异形件加工。但目前大多数割机床只能满足切割各种形状的零件,无法加工高精度回转类精微零件,为了提高线切割的应用范围,满足当下航天航空、高精度模具、高精度仪器对精微零件的需求,现应用慢走丝CF20线切割机床,在其基础上搭建成加旋转轴的六轴联动机床进行实验研究。在慢走丝机床运丝系统的基础上研制添加了实现线电极电火花磨削的运丝装置。为实现对回转零件加工精度的在线测量,搭建了基于激光位移传感器的二自由度回转零件加工精度在线测量系统。开展线电极电火花磨削回转零件实验研究,进行了主轴转速、进给速度、丝速和丝张力对回转零件磨削精度的影响实验研究,分析了加工表面产生不完全去除现象的原因,最后进行了精密回转零件加工实验验证,采用所提出的加工方法加工的回转件径向跳动小于±3.5μm,略大于主轴径向跳动值,证明了所提出加工方法的有效性。此外,在慢走丝机床加工平台上搭建了由伺服控制系统控制的主轴系统,进行了精微钨钢刀具的制作。首先探索了三种不同磨削路径对钨钢刀具制作的效率影响,在确定最优路径的情况下研究该路径不同分段进给速度下磨削效率的影响,继而在最优磨削参数条件下,研究电火花线切割对制作钨钢球头刀具精度的影响,并分析了加工过程中效率和精度优化的原因。研究制定出的加工平台和加工策略加工出球头直径的刀具,其直径极趋近于目标值。