超声电火花复合加工

超声电火花复合加工试验研究
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所

工件材料：钛合金、硬质合金、镁合金、不锈钢、稀土

对工件材料进行小参数电火花加工和超声电火花复合加工的
对比实验, 具体为：
①电极损耗对比试验
②分析电参数对加工表面粗糙度的影响规律

分析超声参数对加工表面粗糙度、去除率等的影响规律 利用扫描电镜, 观察超声电火花复合加工工件的表面形貌与
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产生
美国物理学家玻璃雕刻加工 非导电及硬脆材料 加工精度高、加工复杂型面 机床简单、易操作 超声装置的设计比较复杂 加工速度慢
超 声 加 工
优势
局限性
发展趋势
超声复合加工 微细超声加工技术
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国 内 发 展 现 状
哈尔滨工业大学：超声电火花磨料复合加工方法，通过改变电源容量
西北工业大学：对钛合金难加工材料进行了超声电火花复合加工研究
山东大学：对超声振动辅助电火花铣削间隙流场进行了分析和验证
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电火花加工技术的基本理论研究
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功率超声电火花复合加工间隙电磁场研究
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阳极熔融坑 阳极（ + ） ++ + +++ ++ 等离子体 加工液介质 超声振动
被压缩 加工液 超声波振动 前沿 e e e e e e e e e
阴极（ - ） 阴极熔融坑
超声放电间隙示意图

放电加工技术的材料去除机理、工具电极损耗机理和加工表
面形成机理极其复杂，涉及热传导、能量转换和分配、溶化、气
化、电离、气泡的形成和爆炸、等离子通道的形成和扩展、材料 的抛出等现象。

目前放电加工技术的基本理论研究已经取得了一定进展。然
而，放电加工过程中的物理现象具有瞬变、复杂等特性，其观测 受到当前技术水平的制约。例如,在放电加工过程中，能量转换于 电能、动能、光能、热能、声能等能量形式之间，难以对这一复
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超声电火花复合加工
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“电火花加工”又称为“放电加工”或“电腐烛
加工”,是在一定的介质中,利用工具电极与工件电极之 间脉冲性火花放电时的电腐烛现象去除多余材料,获得
杂瞬变过程进行有效的观察和记录。这些来自于观测技术领域的
困难,制约了电火花加工技术的材料去除机理、工具电极损耗机理 以及加工表面形成机理的全面系统揭示。
电火花加工机理
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实现放电点的转移 形成介质电绝缘性 放电通道 的形成 雪崩电离形成放电通 道，时间短，温度高
功率超声电火花复合加工声场研究
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所 由于功率超声振动的空化效应通常发生在密闭、狭 窄的空间，很难用肉眼直接观察。因此本项目拟进行如 下研究： 建立工件电极-工作液-电极丝的液固耦合声场数学模 型； 借助有限元分析软件，对超声声场进行详细分析，重 点研究工件与电极丝在液体中的声压分布，进行2D、 3D的声场谐响应分析，与功率超声声振系统谐响应分 析进行对比研究； 对超声空化特性进行分析，研究其对超声电火花的影 响情况； 研究超声频率和振幅对工作液超声空化的影响情况。
电火花加工工件表面形貌的区别、重熔层的厚度差异程度, 观察
了零件的表面裂纹

最后利用X 射线衍射方法观察钛合金加工表面的成分, 证实
了加工过程中没有对钛合金中的钛元素产生影响
加工工艺参数：
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电参数、超声参数等。 以人工神经网络理论为基础, 建立基于人工神经
满足一定的形状、尺寸和表面粗糙度要求的制品的非接
触式加工方法。
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产生
电 火 花 加 工
优势
难加工材料、成型质量好 加工复杂型面、自动化生产
局限性
导电材料、最小脚步半径 加工速度慢、加工精度受限
发展趋势
微细化、智能化、精密化 高速高效化、绿色化
泵吸、涡流：冷却工 作液、加快工作液循 环、改善加工环境
放电通道
消电离
超声电火花
加工过程
放电间隙
空化泡溃灭释放的能量有 利于工件材料的去除
电蚀产物
放电点的转移，加大 了放电间隙，减少了 拉弧放电的产生。
主要研究内容：
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功率超声电火花复合加工间隙电磁场研究
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所 本项目拟从工程电磁场理论出发，对功率超声电火 花复合加工间隙电场进行深入研究。 超声放电通道形成机理 超声对放电通道位置和形状的影响 超声放电通道的扩散效应 建立超声放电通道的位形半径公式 等离子的集体振荡频率与放电参数（电压、电流、 间隙等）关系
功率超声电火花复合加工温度场研究
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所 工件表面是由无数个放电小凹坑组成的，加工表面 的粗糙度以及加工后表面的应力状态，与加工过程中凹 坑的大小都有关系。放电点周围温度场的分布是形成放 电凹坑的关键。本项目拟建立超声中走丝线切割的温度 场模型，进行有限元仿真研究。 能量分配模型 在功率超声线切割复合加工中，除极间介质击穿释 放的热能、动能、磁能、光能、声能以及电磁波辐射等 外，还受到辅助超声作用。 利用有限元软件进行温度场仿真
消电离 的进行
电火花 加工过程
极间能量 的转换
工件表面瞬时热源， 材料熔化、汽化抛出
蚀除产物 的抛出
热能
电能
动能
2.2超声电火花加工机理
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加剧雪崩电离，磁压缩 效应和声压效应，放电 通道在电场与磁场不断 地变化中慢慢趋于稳定
网络的超声电火花复合加工工艺数据库和加工工艺参 数智能预测系统。有效地解决电火花加工参数选择中 的经验性和动态性问题。
研究超声加工与电火花加工的匹配问题，实
现二者的有机结合
本项目拟研究超声加工与电火花加工的匹配问题， 简化间隙检测控制系统，重点解决控制系统延时问题， 优化超声加工与电火花加工的配合，实现二者的有机结 合。
超声电火花复合加工装置
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所 超声加工与电火花加工的复合加工方法能有效地改 善放电加工的稳定性,且加工效率或工件表面质量高于单 独的超声加工或电火花加工。复合加工的关键问题在于 如何有机地结合超声加工与电火花加工,使加工效率最高, 加工效果最好。 一般分为： 超声电火花的简单叠加复合加工 控制电脉冲的超声-放电复合加工 超声频间隙脉冲-放电加工 超声-间隙脉冲放电复合加工 超声电火花线切割 等

超声电火花复合加工装置
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所 方案一：超声+普通直流电源 方案二：超声+主轴电极 方案三：超声+工件
电火花加工原理图
功率超声电火花复合加工间隙流场研究
现 代 机 加 械 工 与 理 动 论 力 及 工 技 程 术 学 研 院 究 所 本项目拟从流场理论出发, 采用固液两相流理论对 超声电火花线切割复合加工间隙流场进行理论研究。 ① 功率超声电火花线切割复合加工间隙流场动力学模 型 ② 超声振动对间隙流场的作用 ③ 超声空化效应对间隙流场的作用 ④ 利用Fluent软件进行功率超声线切割复合加工间隙 流场仿真分析
印度：对电火花加工过程中碎屑的运动规律进行了系统研究
超 声 电 火 花 复 合 加 工 研 究 现 状
国 பைடு நூலகம் 发 展 现 状
法国：对超声振动对电火花加工环境的影响进行了系统的研究
英国：率先申请了超声电火花复合打孔的专利
日本：研究了超声的引入对普通电火花加工速度的影响
北京电加工研究所：超声电火花复合加工对超硬工具材料进行抛光研究