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(jì)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(jī)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(duì)當(dāng)前傳統(tǒng)鉚釘拆除設(shè)備工作時(shí)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(jì)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(shí)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(yàn)法對(duì)四個(gè)主要加工工藝參數(shù)進(jìn)行雙目標(biāo)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(jìn)給速度四個(gè)參數(shù)作為試驗(yàn)因素，加工效率和電極損耗率作為試驗(yàn)指標(biāo)。通過對(duì)LMB10型號(hào)的拉鉚釘進(jìn)行正交試驗(yàn)，采用極差分析法確定了各影響因素對(duì)目標(biāo)指標(biāo)的影響次序以及各因素的最佳水平，得出了切除該型號(hào)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(jī)械結(jié)構(gòu)連接中運(yùn)用越來越普遍。但設(shè)備檢修時(shí)，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(jī)械銑削方法切除鉚釘頭部，以達(dá)到取出鉚釘?shù)哪康?。由于氣割或機(jī)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(duì)工作空間有一定要求，無法對(duì)狹小空間內(nèi)的鉚釘完成切割、取出任務(wù)?；陔娀鸹庸ぴ韥砬谐T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(diǎn)，且能夠避免損傷工件母材，在機(jī)械制造領(lǐng)域具有實(shí)際工程意義和使用價(jià)值。

為了提高便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備的實(shí)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(jī)床一樣，影響這兩個(gè)指標(biāo)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(jìn)給速度等[1-4]。但這四個(gè)加工工藝參數(shù)和兩個(gè)指標(biāo)之間的關(guān)系沒有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型加以描述，因此需要通過試驗(yàn)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(duì)型號(hào)為L(zhǎng)MB10的拉鉚釘進(jìn)行雙目標(biāo)優(yōu)化正交試驗(yàn)，以此來完成對(duì)該類鉚釘切割最佳加工工藝參數(shù)的確定，實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗的目標(biāo)。

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(shí)工具電極和工件電極分別接入脈沖電源正負(fù)極。當(dāng)兩個(gè)電極之間的間隙達(dá)到一定距離時(shí)，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(dá)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(jī)械部分和控制器部分。機(jī)械部分設(shè)計(jì)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(dòng)，且能夠在水套內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)；水套能夠借助M1步進(jìn)電機(jī)通過絲桿傳送來的動(dòng)力上下移動(dòng)；同時(shí)主軸和M2直流電機(jī)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(shí)現(xiàn)軸向移動(dòng)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(fù)極連接。介質(zhì)液從進(jìn)水管進(jìn)入水套到達(dá)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(shí)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(jī)械部分實(shí)物照片（無水罩）

控制器部分負(fù)責(zé)對(duì)加工脈沖的控制和工具電極的進(jìn)給控制?？刂破鞑捎肧TM32F407ZGT6單片機(jī)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(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)液的高壓輸送。

便攜式電火花鉚釘切除設(shè)備在進(jìn)行切割工作時(shí)，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(fù)極，利用電火花加工原理對(duì)鉚釘進(jìn)行電腐蝕；工具電極軸向移動(dòng)將極間間隙控制在起弧距離范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)電腐蝕的連續(xù)性；采用機(jī)械式斷弧和流體動(dòng)力斷弧兩種方式結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)滅弧[6]，工具電極在進(jìn)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(shí)產(chǎn)生的碎屑由高壓介質(zhì)液及時(shí)帶走。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)是在大量試驗(yàn)基礎(chǔ)上總結(jié)出來的一種科學(xué)的試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，具有高效，均勻，可靠的優(yōu)點(diǎn)[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(jìn)給速度四個(gè)加工工藝參數(shù)作為試驗(yàn)因素，每個(gè)因素取四個(gè)水平，試驗(yàn)指標(biāo)為鉚釘切割效率和電極損耗率。

試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(duì)鉚釘套環(huán)進(jìn)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(shí)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(yàn)現(xiàn)場(chǎng)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(yàn)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(yàn)數(shù)據(jù)值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)因素水平表如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)因素和每個(gè)因素選取的水平數(shù)，選擇正交表L16(44)。其試驗(yàn)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(yàn)及試驗(yàn)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(yàn)分析中常用的分析方法，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，結(jié)果直觀形象[9]。極差分析能夠直觀的表達(dá)出各因素對(duì)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的影響次序。值為同一水平各因素的試驗(yàn)指標(biāo)的總和，值為相應(yīng)試驗(yàn)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(duì)表2鉚釘切割試驗(yàn)結(jié)果數(shù)據(jù)分別計(jì)算其值和值，并進(jìn)行極差分析，其計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 鉚釘切割正交試驗(yàn)的極差分析表

從表3中的分析可以看出，對(duì)加工效率影響最大的是加工電壓和電極進(jìn)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(duì)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(jìn)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(duì)兩個(gè)指標(biāo)的影響如圖5、圖6所示。

但是我個(gè)人認(rèn)為，針對(duì)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(duì)加工效率的影響

圖6 工藝參數(shù)對(duì)電極消耗比的影響

圖5（a）表示脈沖頻率對(duì)加工效率的影響。

從圖中可以看出，頻率在800 Hz時(shí)，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(duì)加工效率的影響不大。

圖5（b）表示脈沖占空比對(duì)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?yàn)殡S著占空比的增加，每個(gè)脈沖所蘊(yùn)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(duì)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(jìn)給速度對(duì)加工效率的影響。當(dāng)電極速度為0.3 mm/s時(shí)加工效率最高。進(jìn)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(jìn)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(shí)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(shí)間，因此進(jìn)給速度過快或過慢加工效率都會(huì)下降。

圖6（a）表示脈沖頻率對(duì)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(shì)。電極的熔點(diǎn)高于工件的熔點(diǎn)，加工時(shí)的理想狀態(tài)是電弧溫度介于兩者熔點(diǎn)之間，從而達(dá)到切除工件而不損傷電極的目的。從單個(gè)脈沖角度分析，脈沖頻率越高則單次電弧持續(xù)的時(shí)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(duì)電極損耗的影響。從圖中可看出，占空比對(duì)電極的損耗影響較小。

圖6（c）表示電壓對(duì)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(chǎng)強(qiáng)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(jìn)給速度對(duì)電極損耗的影響。隨著工具電極進(jìn)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(yàn)結(jié)果可知，工藝參數(shù)對(duì)兩個(gè)試驗(yàn)指標(biāo)的影響主次不同，因此需要運(yùn)用綜合平衡法分析，來確定最優(yōu)的工藝參數(shù)[10]。

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

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

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

對(duì)于因素D工具電極進(jìn)給速度而言，進(jìn)給速度加工效率影響排第一位，針對(duì)加工效率單一指標(biāo)選取D2水平，進(jìn)給速度對(duì)電極損耗的影響排第二位，綜合考慮選取D2水平。

3.3 試驗(yàn)驗(yàn)證及實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)加工效率影響最大的是工作電壓和工具電極進(jìn)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(yàn)得出的各因素的最優(yōu)水平為A3B4C3D2。對(duì)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(jìn)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(jìn)行比較，結(jié)果如表4所示。

表4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)照表

通過對(duì)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(shí)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(duì)LMB10型鉚釘進(jìn)行切割正交試驗(yàn)，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(hào)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(diǎn)。該設(shè)備利用電火花加工原理對(duì)鉚釘進(jìn)行切割，切割過程不受鉚釘材料的硬度和強(qiáng)度的影響，因此也可應(yīng)用于其他領(lǐng)域內(nèi)高強(qiáng)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?yàn)殡娀鸹刂?，E-mail：269637917@qq.com。