网状钛基复合材料电火花小孔加工自适应脉冲电源研究

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网状钛基复合材料改善了传统钛基复合材料的室温脆性,提升了综合性能,在航空航天领域拥有广阔应用前景。在航空航天领域,常需要加工微小孔起到减轻重量和散热的作用。采用常规的机械加工方法时,由于材料硬度过大,容易出现刀具崩刃的现象。电火花加工是解决高硬度材料小孔加工的有效方法,其中脉冲电源控制技术和放电检测技术对电火花加工稳定性、加工效率影响巨大。为此,本文旨在基础实验基础上,搭建自适应脉冲电源,通过改进间隙放电检测方法和引入自适应控制系统提高网状钛基复合材料电火花小孔加工的效果。通过网状钛基复合材料电火花加工基础工艺实验,分析了电容值、电阻值、以及脉间值三种电参数对加工效率与电极相对损耗的影响;并进一步探究了间隙放电波形电压与电流特征,为放电检测系统提供依据;针对脉间对加工效果的影响和随着深度增加放电状态变差的问题,提出了所研制脉冲电源采用自适应调节脉间、高能清扫脉冲、消电离功能的设计要求和控制策略。基于FPGA与ARM搭建了脉冲电源的硬件系统,使用FPGA作为主芯片,利用并行处理能力提高电源的高速响应能力,使用ARM芯片作为辅助芯片完成自适应算法运算;提出了改进的电压阈值比较法用于间隙放电状态检测,通过判断比较器输出电平值与电平持续时间有效区分四种放电波形。完成了FPGA芯片各功能模块的软件编写,主要包括:串口通信模块、电容电阻选择与脉宽脉间设定模块、放电状态检测模块、高能清扫脉冲与消电离控制模块;提出了基于CARMA模型的电火花加工过程数学模型,根据递推最小二乘法对模型中参数进行在线识别,使用最小方差法推算出控制率方程,通过工艺实验确定期望放电率等参数,编写了自适应算法的ARM程序。通过实验验证了脉冲电源功能的可行性;使用原有机床电源和研制电源进行了网状钛基复合材料电火花小孔加工对比试验,从放电状态、加工效率、电极相对损耗和极限加工深度四个方面进行比较。对比结果表明所用本文研制的自适应脉冲电源相较于常规电源在电火花小孔加工中以上四个方面加工效果均有所改善,其中,火花放电率提升12.5%,加工效率提升了17.8%,电极相对损耗降低了33.9%,极限深径比提升了24.9%。
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