管狀電極電弧銑削加工實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與研究*

劉兆全 李文卓 柴永生② 范文龍 劉 光 于志強(qiáng)

(①煙臺(tái)大學(xué)機(jī)電汽車工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005;②清華大學(xué)機(jī)械工程系制造工程研究所，北京 100084)

電弧加工技術(shù)是一種非接觸式極間放電加工技術(shù)，機(jī)械切削力幾乎為零，工作介質(zhì)為水氣混合物或水或氣。在加工過(guò)程中利用兩電極之間產(chǎn)生的受激發(fā)電弧放電群組或電火花放電群組蝕除金屬或非金屬導(dǎo)電材料的一種加工方法［1-3］。特別適用于特硬、超強(qiáng)、高韌性等難加工材料的加工，有效解決常規(guī)機(jī)械方法難以加工的技術(shù)難題，在冶金、機(jī)械、航空航天、石油、化工、水利發(fā)電等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用［4］。為此科學(xué)家們?cè)O(shè)計(jì)研發(fā)了多種實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)備，對(duì)電弧運(yùn)動(dòng)機(jī)理以及電弧運(yùn)動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱現(xiàn)象進(jìn)行了一系列探究［5-7］。然而這些研究的直接目的僅在于減小電路部件的損耗，沒(méi)有把電弧運(yùn)動(dòng)作為有益的現(xiàn)象加以利用［8］。本文通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)對(duì)圓柱管狀電極電弧銑削加工技術(shù)進(jìn)行分析探究，研究了電弧銑削的加工特性與加工規(guī)律，在恒定電壓下電弧銑削加工的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)

本實(shí)驗(yàn)研究系統(tǒng)主要由兩部分組成:硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由機(jī)床主體、電弧銑削電源、控制系統(tǒng)、機(jī)床附件等組成;軟件系統(tǒng)主要由自主研發(fā)的電弧銑削加工操作系統(tǒng)、電弧銑削加工控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。

1.1 硬件系統(tǒng)

1.1.1 機(jī)床主體

主要由機(jī)床本體、電極夾頭、電極旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、電極進(jìn)給機(jī)構(gòu)、排氣裝置、沖液裝置和通氣裝置組成。

機(jī)床本體:采用立式C 型床身結(jié)構(gòu)，步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、滾珠絲杠控制驅(qū)動(dòng)X、Y 移動(dòng)模組，具有彈性?shī)A片的工裝平臺(tái)。

電極夾頭:采用可自動(dòng)定心的三爪夾頭，夾持直徑范圍為φ1～φ20 mm。

電極旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu):由步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、同步齒形帶輪(減速比為1∶ 1)和同步齒形帶組成。采用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、同步帶輪傳動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)電極高速旋轉(zhuǎn)。

電極進(jìn)給機(jī)構(gòu):由伺服電動(dòng)機(jī)、滾動(dòng)導(dǎo)軌線性模組組成。通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，由滾動(dòng)導(dǎo)軌線性模組帶動(dòng)電極夾頭移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)電極的伺服進(jìn)給。

排氣裝置:由普通鼓風(fēng)機(jī)和伸縮排氣管組成。排氣管兩端分別連接鼓風(fēng)機(jī)和機(jī)床床身。

沖液裝置:由水箱、高壓水泵、可調(diào)節(jié)沖液管、回流管和廢水處理裝置組成。純凈水利用高壓水泵通過(guò)可調(diào)節(jié)充液管進(jìn)入加工位置，加工廢水通過(guò)回流管回流到廢水處理裝置，廢水處理裝置把水處理之后回流入水箱，實(shí)現(xiàn)加工液的循環(huán)重復(fù)利用。

通氣裝置:由空壓機(jī)和氣管組成。氣管一端連接空壓機(jī)一端連接中空管狀電極。

機(jī)床的結(jié)構(gòu)示意圖和實(shí)物圖如圖1 所示。

1.1.2 電弧銑削電源采用基于IGBT 封裝的逆變脈沖恒流電源作為電弧銑削加工用電源［9］。

1.1.3 控制系統(tǒng)

由空氣開(kāi)關(guān)、PC 機(jī)、Next Move ES 運(yùn)動(dòng)控制卡、脈沖信號(hào)發(fā)生裝置、繼電器、驅(qū)動(dòng)器、步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、伺服電動(dòng)機(jī)等組成。采用PC -DSP 控制方式實(shí)現(xiàn)電弧銑削加工運(yùn)動(dòng)控制。

1.1.4 機(jī)床附件

主要由空壓機(jī)、高壓水泵、鼓風(fēng)機(jī)、水箱、廢水處理裝置等組成。通過(guò)機(jī)床附件實(shí)現(xiàn)機(jī)床加工過(guò)程通氣、沖液和排氣。

1.2 軟件系統(tǒng)

1.2.1 系統(tǒng)組成

由自主研發(fā)的電弧銑削加工操作系統(tǒng)、電弧銑削加工控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)控制原理

采用NC(numerical control)嵌入PC 機(jī)的方式，由PC 機(jī)對(duì)NC 代碼、圖形等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸接口發(fā)送指令到達(dá)DSP，DSP 分別發(fā)送實(shí)時(shí)信號(hào)給Next Move ES 運(yùn)動(dòng)控制卡、脈沖發(fā)生裝置、光電隔離裝置，控制X、Y、Z、C 軸驅(qū)動(dòng)器，實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的實(shí)時(shí)控制，對(duì)電壓信號(hào)、電流信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與反饋。實(shí)驗(yàn)控制系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制原理圖如圖2 所示。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)主要目的是對(duì)恒定電壓(U=25 V)下電弧銑削加工中電流、進(jìn)給速度、工件移動(dòng)速度、氣壓等因素對(duì)電弧銑削加工的影響特性與規(guī)律進(jìn)行探究，并對(duì)加工工藝參數(shù)進(jìn)行分析研究，得出在此條件下各因素的影響特性與規(guī)律和加工工藝參數(shù)的主、次要矛盾，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。影響加工工藝的參數(shù)具有多樣化、不穩(wěn)定性等特點(diǎn)。正交試驗(yàn)具有試驗(yàn)次數(shù)少、數(shù)據(jù)點(diǎn)分布均勻并且可通過(guò)極差分析法、方差分析法等方法對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析得出有價(jià)值結(jié)論的特點(diǎn)，特別是對(duì)于多因素多水平實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)具有獨(dú)到優(yōu)勢(shì)。本實(shí)驗(yàn)采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法對(duì)電弧銑削加工工藝參數(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，聚焦加工工藝參數(shù)主、次要矛盾。采用對(duì)比驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)方法對(duì)工藝參數(shù)主要矛盾進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，細(xì)化主要影響參數(shù)，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

(1)加工試件:4Cr5MoSiV1 熱作模具鋼。

(2)工具電極:紫銅管，外徑D=10 mm，內(nèi)徑d=8 mm，轉(zhuǎn)速80 r/min。

(3)X、Y、Z 軸:運(yùn)動(dòng)精度20 μm，響應(yīng)周期5 ms。

(4)電流信號(hào)采集裝置:CHB -500S 型霍爾電流傳感器，響應(yīng)時(shí)間t ＜1 μs。

(5)電源:基于IGBT 封裝逆變脈沖恒流電源。

(6)電極進(jìn)給控制:電極進(jìn)給與補(bǔ)償通過(guò)伺服電動(dòng)機(jī)控制，采用實(shí)時(shí)檢測(cè)、延時(shí)預(yù)測(cè)混合自動(dòng)優(yōu)化方法。

(7)機(jī)床附件:恒流恒壓高壓水泵，鼓風(fēng)機(jī)，可調(diào)氣壓空氣壓縮機(jī)，可彎曲任意角度沖液管。

2.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

(1)工件運(yùn)動(dòng)行程:單行程1000 單位(30 單位/mm)，一次加工2000 單位(往返運(yùn)動(dòng))。

(2)衡量指標(biāo):電極損耗Ce、加工效率ηm。

(3)影響因素:電流I、進(jìn)給速度f(wàn)、工件運(yùn)動(dòng)速度v、氣壓P。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)影響因素水平選用L9(34)的正交實(shí)驗(yàn)表，如表1 所示。

表1 實(shí)驗(yàn)影響因素水平表

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 加工工藝參數(shù)對(duì)加工效率ηm分析研究

加工效率采用每秒鐘去除材料的體積(mm3/s)作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，用ηm表示。加工效率ηm計(jì)算公式為

式中:ηm為加工效率;V 為工件去除材料的體積，mm3;t 為加工一次(2000 單位)所消耗時(shí)間，s。

工件去除材料的體積V 計(jì)算方法:利用天平稱量工件在加工以前的質(zhì)量M1，一次加工完成后再一次稱量工件的質(zhì)量M2。在每一次的質(zhì)量稱量中均采用多次稱量取平均值的測(cè)量方法，以減小測(cè)量誤差，保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。即

式中:M1為工件加工前質(zhì)量，g;M2為工件加工后質(zhì)量，g;ρ 為熱作模具鋼的密度，g/mm3。

因此加工效率ηm公式可以演化為

3.1.1 主、次要矛盾探究實(shí)驗(yàn)

利用正交試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，將計(jì)算結(jié)果填入表中，如表2 所示。因?yàn)榧庸ば蕿槊棵腌娙コ牧象w積，因此計(jì)算結(jié)果越大說(shuō)明效率越高。通過(guò)表2 可以確定出各因素的最優(yōu)水平分別為:I3f2v2P3，即I3(160 A)f2(-1.0 單位/s)v2(80 單位/s)P3(5 MPa)。通過(guò)極差數(shù)據(jù)Rjv＞RjP＞Rjf＞RjI，因此對(duì)工件加工效率影響最大的因素為工件運(yùn)動(dòng)速度，其次是氣壓，再次是進(jìn)給速度，最后是電流。

本組實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)加工效率的影響效應(yīng)圖如圖3 所示。由圖3 得出本組實(shí)驗(yàn)中電流I、進(jìn)給速度f(wàn)、工件運(yùn)動(dòng)速度v、氣壓P 與加工效率的關(guān)系與趨勢(shì)。

(1)電流I:隨著電流的增大，加工效率隨之增加，但曲線的曲率沒(méi)有明顯變化，因此對(duì)加工效率的影響程度幾乎不變。增加電流使放電能量加大，銑削程度增強(qiáng)，促進(jìn)材料去除。

(2)進(jìn)給速度f(wàn):隨著進(jìn)給速度的增大，加工效率先增大后減小，當(dāng)進(jìn)給速度f(wàn)=-1.0 單位/s 時(shí)加工效率達(dá)到最大，且從該點(diǎn)開(kāi)始曲線曲率明顯減小，因此對(duì)加工效率的影響程度有所下降?？梢?jiàn)，在一定范圍內(nèi)提高進(jìn)給速度有利于增加工件加工效率。

(3)工件運(yùn)動(dòng)速度v:隨著工件運(yùn)動(dòng)速度的增加，加工效率先增加后減小，當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)速度v=80 單位/s 時(shí)工件加工效率達(dá)到最大，且從該點(diǎn)開(kāi)始曲線曲率明顯減小且變?yōu)樨?fù)值，因此從此點(diǎn)開(kāi)始增大工件進(jìn)給速度會(huì)阻礙加工效率的提升。

表2 加工效率直觀分析表

(4)氣壓P:隨著氣壓的增加，加工效率先減小后增加，在P=4 MPa 是達(dá)到最小，且從該點(diǎn)開(kāi)始曲線曲率明顯增加，由負(fù)值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?，因此從P=4 MPa 開(kāi)始增加氣壓會(huì)促進(jìn)加工效率的提升，且當(dāng)氣壓在5 MPa時(shí)加工效率大于在3 MPa 時(shí)加工效率?？梢?jiàn)，高氣壓與工件的高效率加工不是正比關(guān)系。

通過(guò)本組試驗(yàn)可以基本上確定影響工件加工效率工藝參數(shù)的整體水平因素以及各影響因素的主、次要矛盾，即工件運(yùn)動(dòng)速度v ＞氣壓P ＞進(jìn)給速度f(wàn) ＞最后是電流I。但數(shù)據(jù)不夠精確，還需進(jìn)一步的驗(yàn)證本組試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性，并對(duì)本組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步優(yōu)化，獲得各影響因素準(zhǔn)確的主、次要矛盾，獲得在本實(shí)驗(yàn)條件下最優(yōu)工藝參數(shù)。

3.1.2 主、次要矛盾實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與參數(shù)優(yōu)化

本組實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件、加工行程、衡量指標(biāo)、影響因素均與上一組實(shí)驗(yàn)保持一致。采用四因素三水平的正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)，L9(34)正交試驗(yàn)因素水平表，如表3所示。

表3 實(shí)驗(yàn)因素水平表

利用正交試驗(yàn)得出數(shù)據(jù)，計(jì)算數(shù)據(jù)填入表中得到加工效率直觀分析表，如表4 所示。該數(shù)據(jù)表表明本組試驗(yàn)中因素水平最優(yōu)組合為I3f2v2P1，即:I3(170 A)f2(-1.0 單位/s)v2(80 單位/s)P1(4.5 MPa)。

通過(guò)極差數(shù)據(jù)RjI＞RjP＞Rjv＞Rjf得出本組試驗(yàn)中電流對(duì)工件加工效率影響最大，其次是氣壓，再次是工件運(yùn)動(dòng)速度，最后是進(jìn)給速度。

本組實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)加工效率的影響效應(yīng)圖如圖4 所示。

表4 加工效率直觀分析表

由圖4 得出本組實(shí)驗(yàn)中電流I、進(jìn)給速度f(wàn)、工件運(yùn)動(dòng)速度v、氣壓P 與加工效率的關(guān)系與趨勢(shì)。

(1)電流I:隨著電流的增加，加工效率呈上升趨勢(shì)，但從I=160 A 開(kāi)始上升趨勢(shì)的斜率減緩，即影響程度有所下降?？梢?jiàn)，在一定范圍內(nèi)增加電流強(qiáng)度可以提高加工效率。

(2)進(jìn)給速度f(wàn):隨著進(jìn)給速度的增大，加工效率先增大后減小，當(dāng)進(jìn)給速度f(wàn)=-1.0 單位/s 時(shí)加工效率達(dá)到最大，從該點(diǎn)開(kāi)始曲線曲率明顯減小變?yōu)樨?fù)值，從此點(diǎn)開(kāi)始進(jìn)給速度增大會(huì)阻礙加工效率的增加。

(3)工件運(yùn)動(dòng)速度v:隨著工件運(yùn)動(dòng)速度的增加，加工效率先增加后減小，當(dāng)工件運(yùn)動(dòng)速度v=80 單位/s時(shí)工件加工效率達(dá)到最大，且從該點(diǎn)開(kāi)始曲線曲率明顯減小且變?yōu)樨?fù)值，因此從此點(diǎn)開(kāi)始增大工件進(jìn)給速度會(huì)阻礙加工效率的提升。

(4)氣壓P:隨著氣壓的增加，加工效率一直減小，且從P=5 MPa 開(kāi)始曲線曲率明顯增加，因此從P=5 MPa 開(kāi)始增加氣壓對(duì)加工效率的影響程度增加。

本組實(shí)驗(yàn)中得到的加工效率效應(yīng)曲線圖與上一組實(shí)驗(yàn)加工效率效應(yīng)曲線圖在影響加工效率程度方面的趨勢(shì)大體是一致的，從而驗(yàn)證了上一組實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3.2 加工工藝參數(shù)對(duì)電極損耗率的研究

在電弧銑削過(guò)程中，由于端面放電會(huì)產(chǎn)生電極的損耗。電極損耗是由于在電弧產(chǎn)生的極短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生無(wú)窮電子流群撞擊電極表層聚集大量能量瞬間融化金屬產(chǎn)生的［10］。在加工過(guò)程中需要對(duì)電極損耗進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)補(bǔ)償。電極損耗會(huì)影響加工質(zhì)量，因此對(duì)電極損耗進(jìn)行研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

在本實(shí)驗(yàn)中衡量電極損耗的指標(biāo)是電極損耗長(zhǎng)度，電極損耗長(zhǎng)度可以在軟件系統(tǒng)中直接顯示，采集電極損耗長(zhǎng)度數(shù)據(jù)填入正交試驗(yàn)表中，如表5 所示。實(shí)驗(yàn)中電極損耗越小越好，通過(guò)表5 數(shù)據(jù)可以確定在本實(shí)驗(yàn)條件下各因素的最優(yōu)水平分別為:I1f1v3P2，即:

I1(80 A)f1(-0.8 單位/s)v3(90 單位/s)P2(52 MPa)。

通過(guò)極差數(shù)據(jù)RjI＞Rjv＞Rjf＞RjP得出對(duì)電極損耗影響最大的因素為電流I，其次為工件運(yùn)動(dòng)速度v，再次為進(jìn)給速度f(wàn)，最后為氣壓P。

本組實(shí)驗(yàn)中各因素對(duì)加工效率的影響效應(yīng)圖如圖5 所示。

表5 電極損耗直觀分析表

由圖5 得出本組實(shí)驗(yàn)中電流I、進(jìn)給速度f(wàn)、工件運(yùn)動(dòng)速度v、氣壓P 與加工效率的關(guān)系與趨勢(shì)。

(1)電流I:隨著加工電流增加電極損耗呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，但增長(zhǎng)幅度幾乎不變，即電流對(duì)電極損耗的影響程度幾乎不變。

(2)進(jìn)給速度f(wàn):隨著進(jìn)給速度增加電極損耗總體趨勢(shì)處于增長(zhǎng)狀態(tài)，但在f=-1.0 單位/s 時(shí)曲線曲率下降，說(shuō)明進(jìn)給速度對(duì)電極損耗的影響程度有所下降。

(3)工件運(yùn)動(dòng)速度v:隨著工件運(yùn)動(dòng)速度的增加，電極損耗出現(xiàn)先增加后下降的現(xiàn)象，但從f=80 單位/s 開(kāi)始，工件運(yùn)動(dòng)速度對(duì)電極損耗的影響程度會(huì)下降。

(4)氣壓P:隨著氣壓P 的增加電極損耗先減小后增加，當(dāng)氣壓P=4 MPa 時(shí)電極損耗達(dá)到最小，且從該點(diǎn)開(kāi)始?xì)鈮簩?duì)電極損耗的影響程度加大。

在實(shí)際電弧銑削加工過(guò)程中各種因素都會(huì)影響到工件的加工效果，在保證一定的加工效率的情況下盡量減少電極損耗。綜合加工效率和電極損耗兩項(xiàng)指標(biāo)，得出最優(yōu)加工組合為:I1f1v2P3，即:I(80 A)f(-0.8 單位/s)v(80 單位/s)P(5 MPa)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)正交試驗(yàn)、對(duì)比試驗(yàn)對(duì)圓柱管狀電極電弧銑削加工工藝參數(shù)影響因素進(jìn)行研究分析，為尋找最優(yōu)參數(shù)組合進(jìn)行圓柱管狀電極電弧銑削基礎(chǔ)性試驗(yàn)研究。通過(guò)對(duì)不同參數(shù)下加工規(guī)律、加工現(xiàn)象的研究分析，得出如下結(jié)論:

(1)增大電流會(huì)在一定程度上增加加工效率，但隨著電流加大，電流對(duì)加工效率的增加程度會(huì)有所下降且電極損耗會(huì)急劇增大。估計(jì)原因可能是單位面積發(fā)電量過(guò)大，電流增大使陰陽(yáng)極之間電子流密度增加，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生具有更高能量的電弧增多從而加快材料蝕除，同樣會(huì)產(chǎn)生重復(fù)放電現(xiàn)象，增加去除物在周圍區(qū)域的粘連形成重熔層，造成加工效率增加程度下降。

(2)在一定范圍內(nèi)提高工件運(yùn)動(dòng)速度會(huì)有效提高加工效率且減少電極損耗。提高工件運(yùn)動(dòng)速度會(huì)提高陰陽(yáng)極之間的有效放電次數(shù)減少重熔層，增加材料去除率。

(3)進(jìn)給速度相對(duì)于其他因素來(lái)講對(duì)加工效率和電極損耗的影響程度較小。大進(jìn)給速度可在一定程度上減小放電響應(yīng)時(shí)間，增加相對(duì)放電次數(shù)。但產(chǎn)生電弧的放電間隙較小且在理論上幾乎是相對(duì)固定的，因此提高進(jìn)給速度不會(huì)在很大程度上增加加工效率。

(4)通氣氣壓不能過(guò)大，氣壓并不是越大越好。在電弧銑削過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生金屬熔池，氣壓過(guò)大會(huì)加速金屬熔池中熔融材料的飛濺與冷卻增加去除難度。

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