电泳辅助微细超声加工新技术及机理研究

In this project, we propose a new method called electrophoretically assisted micro ultrasonic machining (EPAMUSM), which using ultrasonic vibration abrasive particles to process workpiece、micro hole polishing and micro tool online polishing. The method is mainly used electrophoretic characteristics of ultrafine abrasive particles, the aim of EPAMUSM is to combine this electrophoretic effect with the micro ultrasonic machining (MUSM). Electrophoresis adsorption effect is used to prevent the abrasive particles from being driven out of the machining area in MUSM, as a result , not only can improve the utilization rate of the abrasive particles, but also to improve the quality and efficiency of the MUSM, and to reduce the wear of the micro tool. The application of EPAMUSM for micro hole polishing and micro tool online polishing, in order to achieve ultra precision machining of the micro hole and the micro tool. Further, we do the research about ultrafine abrasive particle electrophoretic effect, MUSM, micro ultrasound-electrophoresis composite effect, electrophoretically assisted micro ultrasonic polishing miro hole and micro tool, and the relative scientific problems from the theoretical and experimentals aspects, respectively. Mesoscopic and microscopic level numerical simulation to maching process is made by using Smoothed Particle Hydrodynamics, finite element method, brittle solid plastic removal and brittle removal model, which to study the mechanism of the EPAMUSM. Finally, through the research of the project, it is expected to obtain a new technology for micro machining, micro hole and micro tool polishing. Therefore, it has important theoretical and practical significance.

本项目提出一种电泳辅助微细超声加工新技术，利用超声驱动的磨粒对工件进行加工、微孔抛光以及微细工具在线抛光。该技术主要应用超微磨粒的电泳特性，实现电泳效应与微细超声加工复合，通过电泳的吸附作用能够保证微细超声加工中加工区域磨粒的存在，不仅可以提高磨料的利用率，而且还能改善微细超声加工质量、加工效率以及减少微细工具损耗。应用电泳辅助微细超声加工技术对微孔进行抛光，以及微细工具进行在线抛光；实现微孔与微细工具的超精密加工。从理论和实验方面分别对超微磨粒电泳效应、微细超声加工、微细超声-电泳复合效应、电泳辅助微细超声抛光微孔与微细工具，以及相关科学问题进行研究；利用光滑粒子流体动力学、有限元以及脆性固体塑性去除和脆性去除模型，对加工过程的介观、微观层面进行数值仿真，研究电泳辅助微细超声加工机理。通过该项目的研究，有望获得一种全新的微加工、微孔与微细工具抛光技术，具有重要的理论和现实意义。

本项目提出一种电泳辅助微细超声加工的新技术，通过电泳效应将溶液中的超微磨粒吸入加工区域，甚至是附着或半附着在微细工具上，以保证加工区域磨粒的存在，不仅可以提高磨料的利用率，而且还能改善微细超声加工质量、加工效率以及减少微细工具损耗。对加工设备研制、微细工具在线制作、超微磨粒电泳效应、电泳辅助微细超声加工机理、电泳辅助微细超声加工实验、电泳辅助超声微铣削等问题开展研究，主要取得的成果如下：（1）研制了多功能微细加工机床。（2）对电泳辅助微细超声加工装置关键零部件进行了设计，基于Labview开发了电泳辅助微细超声加工运动控制系统；提出了一位控制策略和二位控制策略，并对控制系统的控制性能进行了测试与实验。（3）对电火花块反拷加工的运动控制系统进行了设计，提出了可行的数据采集策略与运动控制策略。研究了脉宽、脉间、主轴转速与进给率对电火花块反拷加工碳化钨工具材料去除率的影响。（4）应用COMSOL中的粒子追踪模块对电泳吸附过程进行了仿真，并通过实验验证了仿真结果。对自由磨粒冲击的过程进行了理论分析，实验研究不同加工间隙条件下，自由磨粒对工件被加工表面的冲击加工效果。应用ABAQUS对磨粒锤击工件形成微裂纹及扩展的过程进行仿真。对不同静压力作用下的电泳辅助微细超声加工微孔进行实验，研究静压力对材料去除率以及表面形貌的影响。分析了电泳辅助微细超声加工中工具的受力及磨损。（5）对比实验研究微细超声加工与电泳辅助微细超声加工中的微孔崩边率和材料去除率，实验结果论证了电场的施加有利于微细超声加工加工质量的改善以及加工效率的提高。通过单因素实验，研究电泳电压、主轴转速和超声功率对微孔入口崩边与材料去除的影响。进行响应曲面参数优化实验，得到了最佳的电泳辅助微细超声加工工艺参数。（6）提出了一种有效去除微铣削毛刺的新方法，将电泳辅助微细超声应用于塑性金属材料的微铣削。加工出了高质量的尺寸约为45μm的三维立体梯形微结构。.在本项目支持下，在国内外重要期刊上发表学术论文10篇，其中SCI收录论文4篇；基于此项目设计并制作了一台多功能微细加工机床，授权中国实用新型专利7项，申请中国发明专利5项；与广东工业大学机电工程学院联合培养博士生1人，已取得博士学位，培养硕士生1人；培养本科生7人，其中2人已毕业。