微细电火花加工微喷阵列孔孔径一致性及相关装置的研究

摘要

具有微喷阵列孔的结构件是工业用喷墨打印机喷头、喷油嘴和喷丝板等部件的重要组织部分,微喷阵列孔的作用是喷射具有一定粘度的墨水、雾化油等液态介质。微喷阵列孔的孔径一致性决定了喷射质量，如工业用喷墨打印机上微喷部件的阵列孔孔径一致性直接影响了墨滴速度、墨滴大小以及墨滴在移动的纸张或布料上的均匀分布，从而直接影响打印质量。作为打印机的核心部件，微喷部件被国外生产厂垄断，主要原因是打印机微喷部件的阵列孔孔径一致性难以保证，尤其是我国在微细电火花加工领域暂未实现工业化加工微喷阵列孔。因此，国内打印机生产商只能依靠进口喷头，严重制约了我国工业用喷墨打印技术的发展。
　　本文针对微喷阵列孔孔径一致性尚未解决这一技术难题，分别进行了微喷阵列孔微细电火花加工系统中关键部件如加工支撑平台、CCD视觉检测系统、真空吸盘工件装夹装置和旋转主轴等部件的设计与研制、宏微复合驱动数控系统的研制、工作液供给条件控制和电极损耗及其补偿技术等方面的研究。
　　为最大限度地减少外部振动干扰对微喷阵列孔孔径一致性的影响，需要提高加工系统的抗震性和稳定性。在对微细电火花加工微喷阵列孔特点进行分析研究的基础上，采用隔振防震措施，完成了具有良好抗振稳定性的花岗岩龙门结构的微喷阵列孔微细电火花加工系统的研制。该加工系统具有块电极磨削和线电极磨削相结合的电极在线制作功能，具有电极直径和微喷阵列孔直径 CCD在线测量等功能，为提高微细电火花加工微喷阵列孔的一致性，提供了良好的加工平台。
　　为兼顾丝杠螺母副宏驱动系统的大行程、低精度、低速响应与压电陶瓷微驱动系统的小行程、高精度、快速响应的特点，研制了基于PMAC运动控制卡的宏微复合驱动数控系统，实现了微喷阵列孔微细电火花加工系统的大行程、高精度定位和快速响应。压电陶瓷微驱动系统的高精度和快速响应实现了电极损耗的微量补偿和微伺服进给的快速响应，提高了微喷阵列孔自动加工中放电状态的稳定性，为提高微喷阵列孔孔径一致性提供了可靠的硬件支撑。
　　为考察工作液特性对微喷阵列孔加工的影响，进行了以去离子水和煤油作为工作液的微细电火花加工微喷阵列孔的试验研究，研究发现在去离子水工作液中加工具有加工间隙大、冲水排屑效果好、放电加工状态稳定、加工速度快等优点，有利于提高微喷阵列孔的孔径一致性。为进一步提高微喷阵列孔孔径的一致性，对去离子水工作液加工间隙进行了流场仿真研究，分析了冲水流速、冲水角度及电极旋转速度对加工间隙内流速分布和流速大小的影响，根据仿真结果的后续试验验证表明：调整冲水角度、提高冲水流速和电极转速有利于提高间隙内流速、改善排屑效果、提高微喷阵列孔微细电火花加工中加工状态的稳定性，从而提高了微喷阵列孔的孔径一致性。
　　为降低电极损耗对微喷阵列孔孔径一致性的影响，研究了单电极微细电火花加工微喷阵列孔的工具电极损耗特性。通过合理选择加工条件和优化脉冲电源参数，降低了微喷阵列孔加工中工具电极相对损耗率。建立了微喷阵列孔微细电火花加工电极损耗模型，提出了结合定长补偿和分组检测变量补偿的电极损耗补偿方法，减小了电极损耗过量补偿或欠补偿对加工孔径的影响，提高了微喷阵列孔的孔径一致性。
　　为控制微细电火花加工的加工间隙波动对微喷阵列孔孔径一致性的影响，进行了脉冲电源参数对微喷阵列孔微细电火花加工的加工间隙、加工效率和加工质量影响的试验研究。以此为基础进行了微喷阵列孔微细电火花加工的小批量试验研究，已成功地加工出160组、每组256个阵列孔、孔径小于50μm、孔径偏差小于2μm的微喷阵列孔部件。并进行了更小尺寸微喷阵列孔加工的探索试验，实现了Φ30μm和Φ20μm微喷阵列孔的加工，验证了本文研究的微喷阵列孔微细电火花加工方法加工微小尺寸微喷阵列孔的可行性。
　　总之，本文对微细电火花加工微喷阵列孔的加工装备及加工工艺方法进行了系统的研究，解决了目前我国工业用喷墨打印机微喷部件关键结构的加工及其孔径一致性难于保障的技术难题，为我国自主研发工业用喷墨打印机喷头和促进工业用喷墨打印技术的发展奠定了基础。

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第1章 绪 论

1.1课题的来源及研究的目的和意义

1.2 微细阵列孔的研究现状及分析

1.3 微细电火花加工及其加工微细阵列孔的研究进展

1.4微细电火花加工工作液及流场仿真的研究现状

1.5 微细电火花加工电极损耗及其补偿技术的研究现状

1.6 本文的主要研究内容

第2章 保障微喷阵列孔孔径一致性的相关装置研究

2.1 微喷阵列孔微细电火花加工系统的特性分析

2.2 微喷阵列孔微细电火花加工系统方案设计

2.3 在线制作电极系统的研制

2.4 CCD在线视觉测量系统设计与研究

2.5其他功能装置设计与研究

2.6 本章小结

第3章 基于P M AC的宏微复合驱动数控系统的研制

3.1 宏微复合驱动数控系统的设计

3.2 基于PMAC的伺服进给系统设计与研究

3.3 基于PMAC的定位补偿技术研究

3.4 压电陶瓷的驱动控制与位移线性补偿技术研究

3.5 本章小结

第4章 间隙流场对孔径一致性影响的仿真与试验研究

4.1微细电火花加工工作液的对比研究

4.2 微喷阵列孔加工冲水条件的流场性能分析

4.3微喷阵列孔加工间隙流场仿真研究

4.4去离子水条件下加工微喷阵列孔径一致性试验研究

4.5 本章小结

第5章 控制孔径一致性的电极损耗及其补偿技术研究

5.1 微喷阵列孔加工电极损耗特点的分析

5.2 微喷阵列孔加工电极损耗模型的建立

5.3电极损耗的工艺参数试验研究

5.4 微喷阵列孔加工孔径一致性控制的电极损耗补偿技术研究

5.5 本章小结

第6章 微喷阵列孔孔径一致性加工工艺试验研究

6.1 微喷阵列孔孔径一致性影响因素分析

6.2 脉冲电源参数对加工孔径一致性的影响试验研究

6.3 脉冲电源参数对加工速度和加工质量的影响试验研究

6.4 微喷阵列孔加工应用试验研究

6.5 小尺寸微喷阵列孔加工孔径一致性的应用试验研究

6.6 本章小结

结论

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

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致谢

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