绿色高效水基介质电火花成形加工技术研究

Water-in-oil microemulsion suited for high-efficiency green die sinking EDM process is researched. The relationships between electromachining performance parameters of the microemulsion and different composition ratios of the microemulsion are searched. The flow resistance of water-in-oil microemulsion flowing through the small gap between tool electrode and workpiece is studied. Mathematical model of the flow resistance is established. Microstructure topography on the workpiece surface machined by high-efficiency green die sinking EDM is investigated. The formation mechanism of the microstructure topography is discovered. High-efficiency and energy-saving pulse generator suited for high-efficiency green die sinking EDM process is developed. Mathematical model for control system of the pulse generator is established. Effects of working fluid, electrical parameter, electrode polarity and fluid-jet method on productivity, machining accuracy and electrode wear of the high-efficiency green die sinking EDM process are investigated. Relationships between working fluid, electrical parameter, electrode polarity and fluid-jet method and the process performance are discovered. A new method using water-in-oil microemulsion instead of oil working fluid to achieve high-efficiency green die sinking EDM, and new methods that enhance the effects of working fluid passing in and out of the discharge gap and materials eroded by EDM to be ejected form the discharge gap with mixed-gas water-in-oil microemulsion high pressure jet are firstly proposed. Working environment of die sinking EDM is greatly improved. Machining effciency of die sinking EDM is enhanced. A new kind of high-efficiency green die sinking EDM process can be developed in this project. Basic theory system of the high-efficiency green die sinking EDM process can be established. Non-traditional machining theory, technological level and international competitiveness of EDM machine tool can be improved.

研究开发适合于绿色高效电火花成形加工要求的油包水微乳液，寻找其电加工性能参数与其各组成成分配比间的规律关系；研究油包水微乳液流经工具电极与工件间的微小间隙流阻特性，建立其间隙流阻的数学模型；研究工件加工表面的微观结构形貌特性，揭示其形成的微观机理；研制专用高效节能脉冲电源，建立其控制系统的数学模型；研究工作液、电参数、加工极性和冲液方式等对生产率、加工精度和电极损耗等的影响作用，揭示其影响规律关系。本项目的独特之处在于率先提出研制油包水微乳液替代油类工作液实现绿色高效电火花成形加工的新方法，以及采用混气油包水微乳液高压内冲液的方法提高工作液进出放电加工间隙和排出电蚀产物效果的新思路，可大幅改善电火花成形加工技术的工作环境，提高其加工效率。本项目可以开发出一种绿色高效水基介质电火花成形加工新技术，建立其应用基础理论体系，丰富特种工的理论和内容，提升国产电火花加工机床的技术水平和国际竞争力。

针对电火花成形加工采用油类工作液分解释放有害气体、易引起火灾事故，采用常见的水基工作液加工效率低、易锈蚀机床、难以进行电火花成形加工等问题，提出研制油包水型工作液替代油类工作液来实现绿色高效电火花成形加工的新方法，研究开发了绿色高效电火花成形加工技术及其专用的油包水型工作液。与目前国内外常用的采用油类工作液的电火花成形加工技术相比，该技术具有加工效率高、工作环境好、无火灾隐患等优点。研究得到了高频脉冲电场中油包水微乳液的液滴粒径和排列方式对工作液电导率的影响规律，建立了评价油包水微乳液在高频脉冲电场中稳定性的数学模型，揭示了电场强度、脉冲宽度和电场频率等对油包水微乳液在高频脉冲电场中稳定性的影响规律，给出了提高其电加工稳定性的方法。提出正负电极间微米级液滴与电极接触时充放电量的测量方法，建立了加工间隙中微米级液滴与电极接触时充放电量的数学计算模型，揭示了微米级液滴与电极接触时的充放电特性。研究得到了油包水微乳液的含水量和温度对其微观结构及流变特性的影响规律关系，建立了其流变特性的理论模型。基于流固两相流理论研究了油包水微乳液在加工间隙的流场特性，建立了加工间隙中工作液流动和放电蚀除产物固体颗粒的流固耦合数学模型。率先开展了基于重铸区域几何尺寸测量的放电能量分配与放电通道膨胀特性的研究工作，建立了放电通道半径随时间变化的数学模型，明确了放电能量的分配关系，揭示了工件表面材料蚀除及微观结构形成的机理。提出了采用在线调压的拓扑结构和DC/DC变换控制策略，以及基于暂态能量与高频分量检测的放电状态综合辨识方法研制绿色高效水基介质电火花成形加工专用脉冲电源的新思路，研制出了相应的脉冲电源。研究得到了峰值电流、脉冲宽度、加工面积、油包水微乳液的乳化剂浓度等对材料去除率、相对电极损耗和表面粗糙度的影响规律关系。建立了该技术的应用基础理论体系，可较大提升国产电火花加工机床的技术水平和国际竞争力。