工件竖直超声振动对电火花加工间隙流场的影响研究

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超声振动电火花复合加工是一种结合超声加工优势和电火花加工优势的复合加工方法,超声振动的引入会改变电火花加工间隙流场的运动和加工屑的排出。本研究的目的是探究工件竖直超声振动对不同放电间隙、不同电极直径和不同加工深度间隙流场运动的影响规律,并分析超声振动引起的流场运动对电火花加工工艺指标的影响。首先理论分析了工件竖直超声振动对电火花放电、加工液流动和加工屑排出的影响。通过理论分析发现:工件竖直超声振动可以增加电火花放电的几率、扩大电火花加工液的耐压范围,同时使加工间隙流场的压力在、、zyx方向上产生反复循环变化,这些都有利于电火花的稳定、持续加工。接着设计出了一套用于装夹在常规电火花成型机床上的工件竖直超声振动装置,基于ANSYS模态仿真确定了与超声谐振系统匹配较佳的工件试样尺寸,并将设计好的超声振动装置安装在EDM450/60NC型电火花数控机床上,进行相关的调试和校验。其次,利用Fluent软件对放电间隙为40μm、55μm、65μm和75μm的工件竖直超声振动电火花加工间隙流场进行仿真,并进行了相应的常规电火花和工件竖直超声振动电火花加工试验。结果发现:放电间隙的缩小会增大间隙流场的流速和压力变化范围、缩短加工屑的排出时间;工件竖直超声振动对电火花的加工效率和加工质量有一定的提升作用,但过大的加工液流速和压力变化范围反而会降低这种提升作用。最后,仿真分析了超声振动对不同电极直径和不同加工深度电火花加工间隙流场流速、压力及加工屑排出的影响,并进行相应的常规电火花和超声电火花加工试验。结果发现:常规电火花加工过程中存在较为明显的面积效应和深度效应,工件附加竖直超声振动引起的加工液往复循环流动可以有效抑制面积效应和深度效应,提升电火花的加工速度和加工精度,同时也会增加电极的损耗量和加工后小孔的尺寸误差。
摘要第4-5页
abstract第5-6页
1 绪论第10-20页
    1.1 课题来源第10页
    1.2 课题研究背景及意义第10-11页
    1.3 电火花加工概述第11-12页
        1.3.1 电火花加工原理第11-12页
        1.3.2 电火花加工的特点及应用第12页
    1.4 国内外电火花加工技术的研究现状综述第12-14页
        1.4.1 电火花排屑方式的发展第12-13页
        1.4.2 电火花加工试验研究进展第13-14页
        1.4.3 电火花加工理论研究进展第14页
    1.5 国内外超声电火花复合加工技术的研究现状综述第14-17页
    1.6 国内外超声电火花加工间隙流场的研究现状综述第17-18页
    1.7 课题主要研究内容第18-20页
        1.7.1 课题主要研究内容第18-19页
        1.7.2 课题研究技术路线第19-20页
2 工件竖直超声振动电火花复合加工理论分析第20-31页
    2.1 超声波加工原理及应用第20-21页
        2.1.1 超声波加工原理第20-21页
        2.1.2 超声波加工的优点第21页
    2.2 工件附加竖直超声振动电火花加工的理论分析第21-30页
        2.2.1 超声振动对电火花放电的影响第21-23页
        2.2.2 超声振动对加工液流动的影响第23-27页
        2.2.3 超声振动对加工质量的影响第27-30页
        2.2.4 超声振动对加工屑排出的影响第30页
    2.3 本章小结第30-31页
3 工件竖直超声振动电火花加工试验装置设计第31-41页
    3.1 EDM450/60NC电火花数控机床第31-32页
    3.2 超声谐振系统简介第32-34页
        3.2.1 超声波发生器第32-33页
        3.2.2 超声谐振系统的换能器与变幅杆第33-34页
    3.3 工件超声振动装置的设计第34-35页
    3.4 工件与超声谐振系统的匹配优化第35-39页
        3.4.1 工件材料的确定第36页
        3.4.2 工件形状和尺寸的确定第36-39页
    3.5 工件竖直超声振动电火花加工机床第39-40页
    3.6 本章小结第40-41页
4 工件竖直超声振动对不同放电间隙电火花加工的影响第41-61页
    4.1 间隙流场仿真软件及理论方法第41-44页
        4.1.1 基于数值模拟计算的CFD软件第41-42页
        4.1.2 基于湍流流动的数值模拟方法第42-43页
        4.1.3 基于离散相模型的加工屑运动模拟方法第43-44页
    4.2 不同放电间隙流场仿真研究条件与方法第44-47页
        4.2.1 加工间隙流场仿真几何模型第44-45页
        4.2.2 底面放电间隙的确定第45页
        4.2.3 侧面加工间隙的确定第45-46页
        4.2.4 网格划分及边界条件的定义第46页
        4.2.5 DPM离散相模型源项设置第46页
        4.2.6 仿真物理模型及参数设定第46-47页
    4.3 仿真结果及分析第47-52页
        4.3.1 放电间隙变化对间隙流场压力分布的影响第47-50页
        4.3.2 放电间隙变化对间隙流场速度分布的影响第50-51页
        4.3.3 放电间隙变化对加工屑排出的影响第51-52页
    4.4 不同放电间隙电火花加工试验第52-59页
        4.4.1 试验目的第52-54页
        4.4.2 试验条件及方法第54-55页
        4.4.3 试验结果与分析第55-59页
    4.5 本章小结第59-61页
5 超声振动对不同直径电极和加工深度电火花加工的影响研究第61-80页
    5.1 不同直径电极和加工深度超声电火花加工间隙流场仿真分析第61-66页
        5.1.1 仿真目的与方案第61页
        5.1.2 单个振动周期内间隙流场流速和压力变化规律第61-63页
        5.1.3 加工深度对间隙流场流速分布的影响第63-64页
        5.1.4 电极直径和加工深度变化对间隙流场流速压力的影响第64-65页
        5.1.5 电极直径和加工深度变化对加工屑排出的影响第65-66页
    5.2 不同直径电极和加工深度电火花加工试验第66-79页
        5.2.1 试验目的与方案第66-68页
        5.2.2 试验结果第68-70页
        5.2.3 电极直径和加工深度对加工表面形貌的影响及原因分析第70-72页
        5.2.4 电极直径和加工深度对表面粗糙度的影响及原因分析第72-74页
        5.2.5 电极直径和加工深度对工件材料去除率的影响及原因分析第74-76页
        5.2.6 电极直径和加工深度对相对电极损耗率的影响及原因分析第76-77页
        5.2.7 电极直径和加工深度对侧面间隙大小的影响及原因分析第77-79页
    5.3 本章小结第79-80页
6 总结与展望第80-82页
    6.1 总结第80-81页
    6.2 展望第81-82页
参考文献第82-88页
攻读硕士学位期间发表的论文及所取得的研究成果第88-89页
致谢第89-90页
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