基于圆锥形电极损耗的微细电火花电极连续补偿方法研究

Micro electrical discharge milling is a very important method to manufacture micro three-dimensional structures with metal material. This project presents a precise and continuous wear compensation method in Micro Electrical Discharge Milling Based on coniform worn electrode. It is the first time that the shape of the worn electrode is considered during the compensation process. This paper gives a hypothesis of the process of electrode bottom becoming a conical shape under continuous wear compensation method. The consistence of the worn electrode is researched by experiments. Moreover, the experiments will show the relationship between machining parameters and the angle of electrode bottom. ..This paper obtains a precise way to measure the volume relative wear ratio based on the simulation and experiments. And the experiments will show the accuracy of this method. ..This paper presents a method to manufacture a surface by two step compensation. The influence of the flatness deviation of the surface to be machined to the flatness of the surface machined is researched. The electrode wear model and the corresponding compensation algorithm are developed when cross section of the surface to be machined is triangle. The consistence and the dimension of the worn electrode are studied under this situation. This paper also develops the optimized algorithm for the machining parameters with the Residual height after machining.

本课题针对三维金属微细结构的微细电火花铣削加工，提出一种基于圆锥形电极损耗的高精度连续补偿方法。将电极因损耗而产生的变形纳入考虑范围，探讨了其生成过程；研究其在加工过程中的一致性；研究电参数、电极对材料、分层厚度、电极直径、放电间隙大小、加工环境等因素对电极变形一致性的影响。..给出简单可行、精度高的电极损耗形状测量工艺方法及步骤。根据连续补偿方法的系列仿真结果，建立精确电极对体积损耗比与稳定加工深度之间的数理关系，并进行了误差分析；提出一套预加工实验步骤及方法，最终得到精确电极对体积损耗比的计算公式。..提出了一种两步骤连续补偿算法；对平面尺寸波动对补偿结果的影响进行研究；建立了加工面横截面为三角形时的电极损耗模型；研究了电极损耗形状的一致性及特征参数；提出了以残棋高度为目标的加工参数优化算法。

在微细电火花加工中，电极的损耗非常严重。尤其在微细电火花铣削中，如不能适时进行电极补偿，会导致三维型腔严重畸变。为此，本项目对微细电火花铣削加工中的电极损耗及补偿进行了深入研究。.本项目首次提出了定长补偿方法。针对棒状电极在定长补偿方法中呈现锥形的情况，进行了深入研究。首先建立了电极损耗的几何模型，对锥形电极的形成过程进行了仿真。通过与实验对比，发现在小分层厚度下，几何模型能够很好地预测锥形电极的形状，并清晰地呈现了锥形电极的形成过程。针对大分层厚度仿真结果误差大的情况，建立了基于电场分析的电极损耗模型。多个仿真测试及实验显示基于电场的模型更接近电火花放电的物理事实，在大分层厚度下依然与实验数据有很高的吻合度。该仿真模型不仅可以用于预测定长补偿方法下的电极形状，还能用于所有电火花加工电极形状的预测。.此外，根据定长补偿加工的特点，提出了一种体积损耗比的精确测量方法。并提出了基于图像识别的相对体积损耗比测量方法。.采用已建立的仿真模型，研究了单槽加工底面过渡段的形成过程。提出了预打孔、并预制锥形电极的方法，来缩短加工中的过渡段，以实现精密加工。.由于锥形电极的特殊性，导致单槽加工后表面的横截面为锯齿形。针对这个问题，建立了针对锯齿面的定长补偿数学模型，研究了此加工情况下锥形电极的形成及稳定性。.提出了完整的一套定长补偿方法铣削三维型腔体系，在一层一层加工的基础之上，提出每两层为一个加工单元的双层策略。其中每层刀具轨迹变换90度，每一层加工都由两道平行的槽完成，以形成一个等效平面。.提出了等效平面的概念。研究了具有波浪形等效平面特征的待加工表面，对下一层定长补偿加工的影响，仿真结果表明波浪面的起伏对下一层的加工影响很小，在2μm以内。研究了等效平面的加工方法，将三角模型和正弦模型应用于定长补偿的计算算法中，对比实验表明，采用内切三角形模型进行待加工工件体积的估算，其加工结果更接近等效平面。最后采用所提出的加工方法，进行了若干典型样件的加工。加工结果表明，单纯采用定长补偿加工型腔时，底面的误差在9μm，如果在加工的最后采用断面扫略法，则在保证高效加工的同时，还能获得不平度小于2微米的加工结果。.该项目的研究深入解释了电火花加工中电极损耗的形成，提出了完整的一套定长补偿方法，为后续更为复杂型腔的加工奠定良好开端。.