吳海會(huì)，王　彤，王俊棋，金興龍

（哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

?

電火花線切割放電點(diǎn)位置分布均勻性評(píng)價(jià)

吳海會(huì)，王彤，王俊棋，金興龍

（哈爾濱理工大學(xué)機(jī)械動(dòng)力工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150080）

摘要：介紹了分路電流法放電點(diǎn)位置檢測原理，構(gòu)建了基于LabVIEW的放電點(diǎn)位置檢測系統(tǒng)，獲得了電火花線切割氣中精加工的放電點(diǎn)位置分布圖。通過對(duì)常規(guī)的放電點(diǎn)位置分布均方差評(píng)價(jià)法的改進(jìn)，證明改進(jìn)后的均方差法可反映局部放電點(diǎn)位置分布的疏密規(guī)律及放電點(diǎn)位置分布隨時(shí)間的變化規(guī)律。

關(guān)鍵詞：電火花線切割加工；放電點(diǎn)；位置分布；均勻性評(píng)價(jià)

實(shí)驗(yàn)研究表明，與水基工作液的電火花線切割加工相比，采用氣體介質(zhì)的電火花線切割精加工具有加工表面粗糙度值小、直線度精度高、放電間隙窄等特點(diǎn)[1-2]。在加工過程中，與加工穩(wěn)定性相關(guān)的放電點(diǎn)位置分布的均勻程度對(duì)加工表面質(zhì)量的影響較明顯。因此，將放電點(diǎn)位置分布的均勻性評(píng)價(jià)作為一個(gè)新指標(biāo)，與加工表面粗糙度和切割速度等工藝指標(biāo)共同采用，對(duì)加工參數(shù)的優(yōu)選具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1　放電點(diǎn)位置檢測原理

目前，對(duì)電火花加工的放電點(diǎn)位置進(jìn)行檢測的方法有：高速攝像檢測法、聲波信號(hào)檢測法、電信號(hào)檢測法和電磁信號(hào)檢測法等[3]?？紤]到電信號(hào)檢測法使用的電信號(hào)便于獲取，且檢測精度較高、成本低，故本文選擇電極分路電流法，其放電點(diǎn)位置檢測原理見圖1[4]。

圖1　分路電流法放電點(diǎn)位置檢測原理圖

假設(shè)在P點(diǎn)放電，則加工電流i0從電源經(jīng)2個(gè)進(jìn)電點(diǎn)Q1、Q2接入至電極絲。Rw、Lw分別為導(dǎo)線的電阻、電感，Rc為導(dǎo)線和電極的接觸電阻，可近似將兩分支路上相應(yīng)的Rw、Lw和Rc取為相同值。另外，Re1、Re2和Lel、Le2分別為進(jìn)電點(diǎn)Q1與放電點(diǎn)P、進(jìn)電點(diǎn)Q2與P之間的電阻和電感，且隨著放電點(diǎn)位置的改變而發(fā)生相應(yīng)的變化。

由等效電路圖可得：

式中：R1=Re1+Rc+Rw；R2=Re2+Rc+Rw；L1=Le1+Lw；L2=Le2+ Lw；i0為階躍函數(shù)，i0=a·u（t）=（a為常數(shù)）。

對(duì)式（1）、式（2）作拉普拉斯變換，然后在i0處于穩(wěn)定狀態(tài)后對(duì)i1和i2進(jìn)行取值，即當(dāng)i→∞時(shí)取值，可得：

式中：a、R均為常數(shù)，則（i2-i1）與（Re1- Re2)成比例關(guān)系。

由于Re1、Re2的大小直接受放電位置P的影響，所以只要利用電流傳感器在線檢測電流i1、i2，即可確定放電點(diǎn)位置P。

根據(jù)分路電流法的原理建立了放電點(diǎn)位置檢測系統(tǒng)。其中，硬件系統(tǒng)主要有電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡和器件工作電源等元件[5]，轉(zhuǎn)換流程見圖2；軟件系統(tǒng)包括通訊模塊、放電點(diǎn)顯示模塊和存儲(chǔ)模塊，使用LabVIEW編寫的程序前面板見圖3。利用該放電點(diǎn)位置檢測系統(tǒng)，便可采集到放電點(diǎn)位置分布圖，并實(shí)現(xiàn)放電點(diǎn)位置的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。

圖2　硬件系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換流程圖

圖3　檢測系統(tǒng)前面板

2　實(shí)驗(yàn)獲取放電點(diǎn)位置分布

在DK7740B型往復(fù)走絲電火花線切割機(jī)床上進(jìn)行電火花線切割精加工實(shí)驗(yàn)，加工材料為Cr12MoV，工件厚度為40 mm。粗加工介質(zhì)為乳化液，精加工介質(zhì)為大氣，其他加工參數(shù)見表1。采用自制的分路電流放電點(diǎn)位置檢測系統(tǒng)，獲得的精加工時(shí)的放電點(diǎn)位置分布見圖4。可看出，放電點(diǎn)分布圖的總體寬度約為40 mm，與工件厚度基本吻合；且在工件厚度方向的中部，放電點(diǎn)分布較均勻，而在上、下邊緣較稀疏，呈明顯的鋸齒形。

表1　實(shí)驗(yàn)參數(shù)

圖4　氣中精加工放電點(diǎn)位置分布

3　對(duì)放電點(diǎn)位置分布均方差評(píng)價(jià)法的改進(jìn)

目前，針對(duì)電火花加工放電點(diǎn)位置分布的均勻性評(píng)價(jià)，通常采用均方差法，其表達(dá)式為：

式中：σ為均方差；n為待求均方差的某一組放電點(diǎn)的個(gè)數(shù)；xi為第i個(gè)放電點(diǎn)距離工作臺(tái)的高度；xˉ為某一組所有放電點(diǎn)距離工作臺(tái)高度的平均值。

在實(shí)際應(yīng)用中，將采集的放電點(diǎn)位置按先后順序分為若干組，求出每組的均方差及所有組的均方差的平均值。該方法簡單直觀，能定量描述所采集的放電點(diǎn)相對(duì)于均值的離散程度，但不能評(píng)價(jià)具體點(diǎn)的分布是否具有方向性的分布規(guī)律。如對(duì)圖4所示的放電點(diǎn)位置分布進(jìn)行評(píng)價(jià)，可得如圖5所示的均方差分布?？梢?，每組的均方差數(shù)值都較大，所有組的均方差均值為4.6544，總體均方差值為4.5697；從數(shù)值上看，放電點(diǎn)分布較均勻，但看不出一般的分布規(guī)律，因此有必要對(duì)該方法進(jìn)行改進(jìn)。

圖5　放電點(diǎn)均勻性評(píng)價(jià)的均方差分布圖

運(yùn)用MATLAB編程將采集的放電點(diǎn)位置分布圖劃分為16行16列，求出各行各列的放電點(diǎn)數(shù)，并分別顯示出各行各列的放電點(diǎn)數(shù)分布圖；運(yùn)用均方差公式求出各行各列的均方差，并分別顯示出各行各列的均方差分布圖。以圖4所示為例，運(yùn)用改進(jìn)后的均方差法對(duì)放電點(diǎn)位置分布進(jìn)行評(píng)價(jià)，各行各列的放電點(diǎn)數(shù)分布見圖6，各行各列的均方差分布見圖7?？梢?，各列的均方差均值為4.6544，各行的均方差均值為3.1387，總體均方差值為4.5697。

圖6　各行各列的放電點(diǎn)數(shù)分布圖

圖7　各行各列放電點(diǎn)數(shù)的均方差分布圖

從圖6a可看出，放電點(diǎn)分布圖上、下兩端的點(diǎn)數(shù)較少，中部的點(diǎn)數(shù)較多，相對(duì)較集中；從圖6b可看出，各列的點(diǎn)數(shù)差距不大。

從圖7a可看出，第一行的均方差較小，說明工件下端放電點(diǎn)分布在左右兩側(cè)的數(shù)量較少，這與圖4所示放電點(diǎn)的分布情況相符；從圖7b可看出，相鄰列的標(biāo)準(zhǔn)差波動(dòng)較大，且呈一大一小相間分布，符合氣中采集的放電點(diǎn)呈鋸齒形分布的特征。該評(píng)價(jià)方法能看出放電點(diǎn)各行各列分布的多少，還能看出總體及各行各列放電點(diǎn)分布的離散程度，因此更具適用性。

4　結(jié)論

根據(jù)分路電流法的原理，構(gòu)建了放電點(diǎn)位置檢測系統(tǒng)，獲得了電火花線切割氣中精加工的放電點(diǎn)位置分布圖。對(duì)常規(guī)的均方差評(píng)價(jià)法進(jìn)行了改進(jìn)，將采集的放電點(diǎn)位置分布圖劃分為若干行和若干列，求出各行各列的放電點(diǎn)數(shù)，并分別顯示出各行各列的放電點(diǎn)數(shù)分布圖，再用均方差公式求出各行各列的均方差，并分別顯示出各行各列的均方差分布圖。通過對(duì)比表明，改進(jìn)后的均方差法可反映局部放電點(diǎn)位置分布的疏密規(guī)律及其隨時(shí)間的變化規(guī)律。

參考文獻(xiàn)：

[1]王超群.干式介質(zhì)中電火花線切割精加工實(shí)驗(yàn)研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2012.

[2] WANGTong，LUYumei，WANGSunfei，etal. Experimental study on dry finishing of low-speed WEDM [J]. Key Engineering Materials，2014，620：73-82.

[3]栗巖，趙萬生，馮曉光，等.電火花加工放電點(diǎn)位置在線檢測的研究進(jìn)展[J].電加工，1996（6）：2-5.

[4] SHODA K，KANEKO Y，NISHIMURA H，et al. Adaptive control of WEDM with on -line detection of spark locations [C]//Proceeding of ISEM-X. Magdeburg，1992：410-416.

[5]溫虓睿.基于分路電流法的電火花線切割放電點(diǎn)位置檢測研究[D].哈爾濱：哈爾濱理工大學(xué)，2014.

Uniformity Evaluation for Location Distribution of Discharge Points in WEDM

Wu Haihui，Wang Tong，Wang Junqi，Jin Xinglong
（School of Mechanical and Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：The detection principle of discharge point location detected by the branch current method was described. The detection system of discharge point location based on LabVIEW was set up. And the location distribution drawing of discharge points in the finishing process of WEDM in gas was obtained. Mean square deviation who was the conventional assessment method of discharge points distribution was improved，which can reflect the density laws of partial discharge points distribution and laws of distribution of discharge points changes over time.

Key words：WEDM；discharge points；location distribution；uniformity evaluation

第一作者簡介：吳海會(huì)，女，1988年生，碩士研究生。

收稿日期：2015-10-30

中圖分類號(hào)：TG661

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009－279X（2016）01－0017-03