便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備設(shè)計及工藝參數(shù)優(yōu)化

武甘雨，倪文波，王雪梅，李偉，楊林

便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備設(shè)計及工藝參數(shù)優(yōu)化

武甘雨1，倪文波1，王雪梅1，李偉2，楊林2

（1.西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 610031；2.眉山中車緊固件科技有限公司，四川眉山 620010）

針對當前傳統(tǒng)鉚釘拆除設(shè)備工作時傷害母材、切除效率低下等問題，利用電火花加工技術(shù)設(shè)計一款便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備。為了提高鉚釘電火花切除設(shè)備的實用性，提高鉚釘切除效率和降低電極損耗是其關(guān)鍵。在介紹所研制的便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理的基礎(chǔ)上，采用正交試驗法對四個主要加工工藝參數(shù)進行雙目標優(yōu)化，選擇工作脈沖頻率、脈沖占空比、工作電壓和工具電極進給速度四個參數(shù)作為試驗因素，加工效率和電極損耗率作為試驗指標。通過對LMB10型號的拉鉚釘進行正交試驗，采用極差分析法確定了各影響因素對目標指標的影響次序以及各因素的最佳水平，得出了切除該型號鉚釘?shù)募庸すに噮?shù)的最佳組合。

鉚釘切除；電火花加工；鉚釘；工藝參數(shù)優(yōu)化

隨著鉚接技術(shù)的發(fā)展，鉚釘連接性能越來越好，因此在機械結(jié)構(gòu)連接中運用越來越普遍。但設(shè)備檢修時，如果需要拆卸、更換零件，如何快速取出鉚釘則成為了新的問題。傳統(tǒng)的方法是采用氣割或機械銑削方法切除鉚釘頭部，以達到取出鉚釘?shù)哪康?。由于氣割或機械方法切割精度低，很容易傷到鉚接的工件母材，造成結(jié)構(gòu)損傷。特別是氣割對工作空間有一定要求，無法對狹小空間內(nèi)的鉚釘完成切割、取出任務(wù)。基于電火花加工原理來切除鉚釘是一種方便、有效的方法。利用此原理研制的便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備具有切割精度高，切除速度快的特點，且能夠避免損傷工件母材，在機械制造領(lǐng)域具有實際工程意義和使用價值。

為了提高便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備的實用性，必須提高其鉚釘切除效率且降低電極損耗率。與電火花加工機床一樣，影響這兩個指標的主要因素有工作脈沖頻率、脈沖占空比、工作電壓和工具電極進給速度等[1-4]。但這四個加工工藝參數(shù)和兩個指標之間的關(guān)系沒有準確的數(shù)學(xué)模型加以描述，因此需要通過試驗方法，以選擇最優(yōu)的加工工藝參數(shù)。

本文利用所研制的便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備，對型號為LMB10的拉鉚釘進行雙目標優(yōu)化正交試驗，以此來完成對該類鉚釘切割最佳加工工藝參數(shù)的確定，實現(xiàn)高效率、低損耗的目標。

1 系統(tǒng)組成及工作原理

電火花加工是利用脈沖火花放電產(chǎn)生的高溫將材料蝕除的一種加工方法[5]。加工時工具電極和工件電極分別接入脈沖電源正負極。當兩個電極之間的間隙達到一定距離時，極間介質(zhì)液被擊穿形成放電通道，瞬間產(chǎn)生的大量熱能熔化金屬，達到蝕除材料的目的。

便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。主要包括機械部分和控制器部分。機械部分設(shè)計成手持式槍體，槍體內(nèi)部的主軸被套在水套內(nèi)，能夠隨水套軸向移動，且能夠在水套內(nèi)轉(zhuǎn)動；水套能夠借助M1步進電機通過絲桿傳送來的動力上下移動；同時主軸和M2直流電機通過齒輪連接；工具電極和主軸通過密封管螺紋連接，因此工具電極也能實現(xiàn)軸向移動和旋轉(zhuǎn)。工件電極位于中空的工具電極內(nèi)部，工件電極和來自于控制器脈沖電源的電源線的正極連接，將正極導(dǎo)入被切除鉚釘；工具電極通過電刷與脈沖電源負極連接。介質(zhì)液從進水管進入水套到達主軸內(nèi)部的介質(zhì)液通道，通過中空工具電極排入水罩內(nèi)，然后通過回水管流回控制器，完成介質(zhì)液循環(huán)。電火花鉚釘切除設(shè)備槍體部分實物照片如圖2所示。

圖1 電火花鉚釘切除設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備機械部分實物照片（無水罩）

控制器部分負責(zé)對加工脈沖的控制和工具電極的進給控制。控制器采用STM32F407ZGT6單片機作為CPU，可通過觸摸屏設(shè)定加工參數(shù)。此外還可控制高壓水泵啟停，實現(xiàn)對介質(zhì)液的高壓輸送。

便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備在進行切割工作時，工件電極連接由控制器發(fā)出的脈沖電源正極，工具電極通過電刷連接由控制器發(fā)出的脈沖電源負極，利用電火花加工原理對鉚釘進行電腐蝕；工具電極軸向移動將極間間隙控制在起弧距離范圍內(nèi)，實現(xiàn)電腐蝕的連續(xù)性；采用機械式斷弧和流體動力斷弧兩種方式結(jié)合的方法實現(xiàn)滅弧[6]，工具電極在進給過程中保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，并且輔以高壓介質(zhì)液體流體斷弧形式能夠?qū)崿F(xiàn)快速斷弧，提高加工效率；加工時產(chǎn)生的碎屑由高壓介質(zhì)液及時帶走。

2 試驗設(shè)計與結(jié)果

正交試驗設(shè)計是在大量試驗基礎(chǔ)上總結(jié)出來的一種科學(xué)的試驗設(shè)計方法，具有高效，均勻，可靠的優(yōu)點[8]。選取便攜式電火花鉚釘切割設(shè)備的工作脈沖頻率、脈沖占空比、工作電壓以及工具電極進給速度四個加工工藝參數(shù)作為試驗因素，每個因素取四個水平，試驗指標為鉚釘切割效率和電極損耗率。

試驗現(xiàn)場如圖3所示，將水罩扣在被加工鉚釘套環(huán)上，按下開關(guān)按鈕，工具電極將對鉚釘套環(huán)進行電火花切割，鉚釘套環(huán)如圖4（a）所示，工具電極切割一段時間后，切割結(jié)果如圖4（b）所示，然后輕輕敲擊鉚釘釘芯即可將鉚釘取出，取出后留下的鉚釘孔上表面未見明顯損傷痕跡，取出的鉚釘如圖4（c）所示。

圖3 試驗現(xiàn)場照片

圖4 鉚釘加工過程圖

根據(jù)鉚釘頭部被切割的深度，切割效率選擇30 s切割深度作為試驗數(shù)據(jù)值，電極消耗比以1 mm加工深度所消耗的工具電極量為試驗數(shù)據(jù)值。試驗設(shè)計因素水平表如表1所示。根據(jù)試驗因素和每個因素選取的水平數(shù)，選擇正交表L16(44)。其試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表1 工藝參數(shù)因素水平表

表2 鉚釘切割正交試驗及試驗結(jié)果

3 數(shù)據(jù)分析

3.1 極差分析

極差分析是正交試驗分析中常用的分析方法，該方法計算簡單，結(jié)果直觀形象[9]。極差分析能夠直觀的表達出各因素對實驗指標的影響次序。值為同一水平各因素的試驗指標的總和，值為相應(yīng)試驗結(jié)果的平均值，極差為同一水平各因素中平均值的最大值和最小值之差。

對表2鉚釘切割試驗結(jié)果數(shù)據(jù)分別計算其值和值，并進行極差分析，其計算結(jié)果如表3所示。

表3 鉚釘切割正交試驗的極差分析表

從表3中的分析可以看出，對加工效率影響最大的是加工電壓和電極進給速度，其次是加工脈沖頻率，影響最小的是脈沖頻率占空比；對電極損耗影響最大的是加工電壓，其次是加工脈沖頻率，再次是電極進給速度，影響最小的是脈沖頻率占空比。

每種因素不同水平對兩個指標的影響如圖5、圖6所示。

但是我個人認為，針對這種記憶力不好的小伙伴，如果老是漏服，還是不要吃口服短效避孕藥了，應(yīng)該把記憶力差列入口服短效避孕藥的禁忌！

圖5 加工工藝參數(shù)對加工效率的影響

圖6 工藝參數(shù)對電極消耗比的影響

圖5（a）表示脈沖頻率對加工效率的影響。

從圖中可以看出，頻率在800 Hz時，加工效率最高，脈沖頻率為600 Hz的加工效率次之，從整體來看脈沖頻率對加工效率的影響不大。

圖5（b）表示脈沖占空比對加工效率的影響。從圖5（b）中可以看出隨著脈沖占空比的增加，加工效率也在逐漸上升。這是因為隨著占空比的增加，每個脈沖所蘊含的能量越高，因此加工效率隨之上升。

圖5（c）表示工作電壓對加工效率的影響。從圖5（c）中可以看出電壓越高，加工效率也越高。隨著電壓的升高，極間放電能量變大，極間溫度也越來越高。加速了被加工材料融化速度，從而提高了加工效率。

圖5（d）表示電極進給速度對加工效率的影響。當電極速度為0.3 mm/s時加工效率最高。進給速度過慢不能保證電極和工件之間的間距始終保持在起弧距離范圍內(nèi)，這樣就不能保證加工的連續(xù)性；如果進給速度過快，造成電極和工件之間的間距太小而短路的幾率大幅增加，此時電極必須回退避免短路現(xiàn)象發(fā)生，這就增加了加工的時間，因此進給速度過快或過慢加工效率都會下降。

圖6（a）表示脈沖頻率對電極損耗的影響。從圖中可看出，隨著脈沖頻率的增加，電極損耗有下降的趨勢。電極的熔點高于工件的熔點，加工時的理想狀態(tài)是電弧溫度介于兩者熔點之間，從而達到切除工件而不損傷電極的目的。從單個脈沖角度分析，脈沖頻率越高則單次電弧持續(xù)的時間越短，極間溫度傳導(dǎo)到工具電極的熱量越少，從而降低了工具電極的損耗，因此隨著脈沖頻率的增加，電極損耗變小。

圖6（b）表示占空比對電極損耗的影響。從圖中可看出，占空比對電極的損耗影響較小。

圖6（c）表示電壓對電極損耗的影響。從圖中可看出，隨著電壓升高，電極損耗逐漸變大。電極之間的電場強度隨著電壓的升高而升高，因此，電壓越高，極間放電能量越大，極間溫度也越高，從而造成工具電極損耗也隨之變大。

圖6（d）表示工具電極進給速度對電極損耗的影響。隨著工具電極進給速度的提高，電極損耗越大。

3.2 綜合平衡法分析

根據(jù)試驗結(jié)果可知，工藝參數(shù)對兩個試驗指標的影響主次不同，因此需要運用綜合平衡法分析，來確定最優(yōu)的工藝參數(shù)[10]。

對于因素A脈沖頻率而言，對加工效率的影響不大；但是不同水平脈沖頻率對工具電極損耗有一定影響，根據(jù)圖6（a）選取A4水平。

對于因素B脈沖頻率占空比而言，對加工效率影響排在第三位，針對加工效率單一指標，選取B4水平；脈沖頻率對電極損耗影響不大，因此綜合考慮選取B4水平。

對于因素C工作電壓而言，電壓對加工效率影響排第二位，針對加工效率單一指標選取C3水平；電壓對電極消耗率影響占主要地位，但是將高效率作為主要指標的話，綜合考慮選取C3水平。

對于因素D工具電極進給速度而言，進給速度加工效率影響排第一位，針對加工效率單一指標選取D2水平，進給速度對電極損耗的影響排第二位，綜合考慮選取D2水平。

3.3 試驗驗證及實驗結(jié)果分析

對加工效率影響最大的是工作電壓和工具電極進給速度，其次是脈沖占空比，影響最小的是脈沖頻率；正交試驗得出的各因素的最優(yōu)水平為A3B4C3D2。對電極損耗率影響從大到小依次為工作電壓、脈沖頻率、工具電極進給速度、脈沖占空比；各因素的最優(yōu)水平為A2B4C1D1或A4B4C1D1。綜合平衡法分析后的工藝參數(shù)組合為A4B4C3D2。將優(yōu)化組合與加工效率最優(yōu)組第4組和電極損耗最優(yōu)組第16組進行比較，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗結(jié)果對照表

通過對表4結(jié)果分析得出：優(yōu)化組和第4組比較，切割速度降低了1.6%，電極損耗比降低了32.1%；優(yōu)化組和第16組比較，切割速度提高了80%，電極損耗比增加了90%。優(yōu)化組能夠兼顧加工效率和電極損耗率，實現(xiàn)高效率、低損耗的目的。

4 結(jié)論

本文介紹了便攜式電火花鉚釘切割設(shè)備的結(jié)構(gòu)和工作原理，針對LMB10型鉚釘進行切割正交試驗，尋找出了加工工藝參數(shù)的最優(yōu)值。通過該方法也可以獲得其他型號鉚釘切除的加工工藝參數(shù)最優(yōu)值；與傳統(tǒng)的切除鉚釘方法相比，便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備能夠在避免損傷工件母材的情況下將鉚釘取出，且具有切割精度高、切除速度快的特點。該設(shè)備利用電火花加工原理對鉚釘進行切割，切割過程不受鉚釘材料的硬度和強度的影響，因此也可應(yīng)用于其他領(lǐng)域內(nèi)高強度、高硬度合金鉚釘或螺栓的切除工作。

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Design and Process Parameter Optimization of a Portable EDM Rivet Removal Device

WU Ganyu1，NI Wenbo1，WANG Xuemei1，LI Wei2，YANG Lin2

(1.School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China; 2.Meishan CRRC Fastening System Co., Ltd., Meishan 620010, China)

Aiming at the problems of the damage to base material and low cutting efficiency of traditional rivet removal equipment, a type of portable rivet removal device is designed by using EDM technology. Improving the rivet cutting efficiency and reducing the electrode loss are the key points of improving the practicability of the EDM rivet cutting device. In this paper, the structure and working principle of the portable EDM rivet cutting device is introduced. In the experiment, the orthogonal test method is used to optimize the four main processing parameters. The working pulse frequency, pulse duty cycle, working voltage and tool electrode feed rate are selected as the test factors, and the machining efficiency and electrode loss rate are taken as the test indexes. Through the orthogonal test of lmb10 rivet, the influence order of each influencing factor on the target index and the best level of each factor are determined by range analysis method, and the optimal combination of processing parameters for cutting this type of rivet is obtained.

rivet cutting；EDM；rivet；process parameter optimization

TG484

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2021.08.011

1006-0316 (2021) 08-0074-07

2021-01-18

武甘雨（1996－），男，山東德州人，碩士研究生，主要研究方向為電火花控制，E-mail：269637917@qq.com。