劉兆全 李文卓 柴永生② 范文龍 劉 光 于志強

(①煙臺大學(xué)機電汽車工程學(xué)院，山東煙臺 264005;②清華大學(xué)機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、高韌性等難加工材料的加工，有效解決常規(guī)機械方法難以加工的技術(shù)難題，在冶金、機械、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)家們設(shè)計研發(fā)了多種實驗裝置設(shè)備，對電弧運動機理以及電弧運動過程中產(chǎn)生的熱現(xiàn)象進行了一系列探究［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，沒有把電弧運動作為有益的現(xiàn)象加以利用［8］。本文通過正交實驗對圓柱管狀電極電弧銑削加工技術(shù)進行分析探究，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)進行優(yōu)化。

1 試驗系統(tǒng)

本實驗研究系統(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)主要由機床主體、電弧銑削電源、控制系統(tǒng)、機床附件等組成;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 機床主體

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

機床本體:采用立式C 型床身結(jié)構(gòu)，步進電動機、滾珠絲杠控制驅(qū)動X、Y 移動模組，具有彈性夾片的工裝平臺。

電極夾頭:采用可自動定心的三爪夾頭，夾持直徑范圍為φ1～φ20 mm。

電極旋轉(zhuǎn)機構(gòu):由步進電動機、同步齒形帶輪(減速比為1∶ 1)和同步齒形帶組成。采用步進電動機驅(qū)動、同步帶輪傳動的方式，實現(xiàn)電極高速旋轉(zhuǎn)。

電極進給機構(gòu):由伺服電動機、滾動導(dǎo)軌線性模組組成。通過伺服電動機驅(qū)動，由滾動導(dǎo)軌線性模組帶動電極夾頭移動，從而實現(xiàn)電極的伺服進給。

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

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可調(diào)節(jié)充液管進入加工位置，加工廢水通過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，實現(xiàn)加工液的循環(huán)重復(fù)利用。

通氣裝置:由空壓機和氣管組成。氣管一端連接空壓機一端連接中空管狀電極。

機床的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖如圖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)

由空氣開關(guān)、PC 機、Next Move ES 運動控制卡、脈沖信號發(fā)生裝置、繼電器、驅(qū)動器、步進電動機、伺服電動機等組成。采用PC -DSP 控制方式實現(xiàn)電弧銑削加工運動控制。

1.1.4 機床附件

主要由空壓機、高壓水泵、鼓風(fēng)機、水箱、廢水處理裝置等組成。通過機床附件實現(xiàn)機床加工過程通氣、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 運動控制原理

采用NC(numerical control)嵌入PC 機的方式，由PC 機對NC 代碼、圖形等進行數(shù)據(jù)處理，通過數(shù)據(jù)傳輸接口發(fā)送指令到達DSP，DSP 分別發(fā)送實時信號給Next Move ES 運動控制卡、脈沖發(fā)生裝置、光電隔離裝置，控制X、Y、Z、C 軸驅(qū)動器，實現(xiàn)加工過程的實時控制，對電壓信號、電流信號進行實時監(jiān)測與反饋。實驗控制系統(tǒng)運動控制原理圖如圖2 所示。

2 實驗設(shè)計

本實驗主要目的是對恒定電壓(U=25 V)下電弧銑削加工中電流、進給速度、工件移動速度、氣壓等因素對電弧銑削加工的影響特性與規(guī)律進行探究，并對加工工藝參數(shù)進行分析研究，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。正交試驗具有試驗次數(shù)少、數(shù)據(jù)點分布均勻并且可通過極差分析法、方差分析法等方法對實驗結(jié)果進行分析得出有價值結(jié)論的特點，特別是對于多因素多水平實驗設(shè)計具有獨到優(yōu)勢。本實驗采用正交試驗設(shè)計方法對電弧銑削加工工藝參數(shù)實驗進行實驗設(shè)計，聚焦加工工藝參數(shù)主、次要矛盾。采用對比驗證實驗方法對工藝參數(shù)主要矛盾進行實驗驗證，細化主要影響參數(shù)，優(yōu)化加工工藝參數(shù)。

2.1 實驗條件

(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:運動精度20 μm，響應(yīng)周期5 ms。

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

(5)電源:基于IGBT 封裝逆變脈沖恒流電源。

(6)電極進給控制:電極進給與補償通過伺服電動機控制，采用實時檢測、延時預(yù)測混合自動優(yōu)化方法。

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

2.2 實驗內(nèi)容

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

(2)衡量指標(biāo):電極損耗Ce、加工效率ηm。

(3)影響因素:電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P。

根據(jù)實驗影響因素水平選用L9(34)的正交實驗表，如表1 所示。

表1 實驗影響因素水平表

3 實驗結(jié)果分析

3.1 加工工藝參數(shù)對加工效率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)所消耗時間，s。

工件去除材料的體積V 計算方法: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量方法，以減小測量誤差，保證測量數(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、次要矛盾探究實驗

利用正交試驗得出數(shù)據(jù)，將計算結(jié)果填入表中，如表2 所示。因為加工效率為每秒鐘去除材料體積，因此計算結(jié)果越大說明效率越高。通過表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)。通過極差數(shù)據(jù)Rjv＞RjP＞Rjf＞RjI，因此對工件加工效率影響最大的因素為工件運動速度，其次是氣壓，再次是進給速度，最后是電流。

本組實驗中各因素對加工效率的影響效應(yīng)圖如圖3 所示。由圖3 得出本組實驗中電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P 與加工效率的關(guān)系與趨勢。

(1)電流I:隨著電流的增大，加工效率隨之增加，但曲線的曲率沒有明顯變化，因此對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，促進材料去除。

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

(3)工件運動速度v:隨著工件運動速度的增加，加工效率先增加后減小，當(dāng)工件運動速度v=80 單位/s 時工件加工效率達到最大，且從該點開始曲線曲率明顯減小且變?yōu)樨撝担虼藦拇它c開始增大工件進給速度會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 是達到最小，且從該點開始曲線曲率明顯增加，由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎担虼藦腜=4 MPa 開始增加氣壓會促進加工效率的提升，且當(dāng)氣壓在5 MPa時加工效率大于在3 MPa 時加工效率?？梢姡邭鈮号c工件的高效率加工不是正比關(guān)系。

通過本組試驗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，即工件運動速度v ＞氣壓P ＞進給速度f ＞最后是電流I。但數(shù)據(jù)不夠精確，還需進一步的驗證本組試驗數(shù)據(jù)的可靠性，并對本組實驗數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化，獲得各影響因素準(zhǔn)確的主、次要矛盾，獲得在本實驗條件下最優(yōu)工藝參數(shù)。

3.1.2 主、次要矛盾實驗驗證與參數(shù)優(yōu)化

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

表3 實驗因素水平表

利用正交試驗得出數(shù)據(jù)，計算數(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)。

通過極差數(shù)據(jù)RjI＞RjP＞Rjv＞Rjf得出本組試驗中電流對工件加工效率影響最大，其次是氣壓，再次是工件運動速度，最后是進給速度。

本組實驗中各因素對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 得出本組實驗中電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P 與加工效率的關(guān)系與趨勢。

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

(2)進給速度f:隨著進給速度的增大，加工效率先增大后減小，當(dāng)進給速度f=-1.0 單位/s 時加工效率達到最大，從該點開始曲線曲率明顯減小變?yōu)樨撝?，從此點開始進給速度增大會阻礙加工效率的增加。

(3)工件運動速度v:隨著工件運動速度的增加，加工效率先增加后減小，當(dāng)工件運動速度v=80 單位/s時工件加工效率達到最大，且從該點開始曲線曲率明顯減小且變?yōu)樨撝?，因此從此點開始增大工件進給速度會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 開始曲線曲率明顯增加，因此從P=5 MPa 開始增加氣壓對加工效率的影響程度增加。

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

3.2 加工工藝參數(shù)對電極損耗率的研究

在電弧銑削過程中，由于端面放電會產(chǎn)生電極的損耗。電極損耗是由于在電弧產(chǎn)生的極短時間內(nèi)產(chǎn)生無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］。在加工過程中需要對電極損耗進行實時檢測補償。電極損耗會影響加工質(zhì)量，因此對電極損耗進行研究具有重要的現(xiàn)實意義。

在本實驗中衡量電極損耗的指標(biāo)是電極損耗長度，電極損耗長度可以在軟件系統(tǒng)中直接顯示，采集電極損耗長度數(shù)據(jù)填入正交試驗表中，如表5 所示。實驗中電極損耗越小越好，通過表5 數(shù)據(jù)可以確定在本實驗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)。

通過極差數(shù)據(jù)RjI＞Rjv＞Rjf＞RjP得出對電極損耗影響最大的因素為電流I，其次為工件運動速度v，再次為進給速度f，最后為氣壓P。

本組實驗中各因素對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 得出本組實驗中電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P 與加工效率的關(guān)系與趨勢。

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

(2)進給速度f:隨著進給速度增加電極損耗總體趨勢處于增長狀態(tài)，但在f=-1.0 單位/s 時曲線曲率下降，說明進給速度對電極損耗的影響程度有所下降。

(3)工件運動速度v:隨著工件運動速度的增加，電極損耗出現(xiàn)先增加后下降的現(xiàn)象，但從f=80 單位/s 開始，工件運動速度對電極損耗的影響程度會下降。

(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 時電極損耗達到最小，且從該點開始氣壓對電極損耗的影響程度加大。

在實際電弧銑削加工過程中各種因素都會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

本文主要通過正交試驗、對比試驗對圓柱管狀電極電弧銑削加工工藝參數(shù)影響因素進行研究分析，為尋找最優(yōu)參數(shù)組合進行圓柱管狀電極電弧銑削基礎(chǔ)性試驗研究。通過對不同參數(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)增大電流會在一定程度上增加加工效率，但隨著電流加大，電流對加工效率的增加程度會有所下降且電極損耗會急劇增大。估計原因可能是單位面積發(fā)電量過大，電流增大使陰陽極之間電子流密度增加，單位時間內(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)提高工件運動速度會有效提高加工效率且減少電極損耗。提高工件運動速度會提高陰陽極之間的有效放電次數(shù)減少重熔層，增加材料去除率。

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

(4)通氣氣壓不能過大，氣壓并不是越大越好。在電弧銑削過程中會產(chǎn)生金屬熔池，氣壓過大會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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