[摘" " 要]與傳統(tǒng)金屬材料加工技術(shù)相比，短電弧加工技術(shù)具有加工時(shí)間短、刀具磨損率低和節(jié)能環(huán)保等優(yōu)勢，在金屬材料加工領(lǐng)域得到快速普及。但是該技術(shù)較為復(fù)雜且加工過程中隨機(jī)性較強(qiáng)，因此無法進(jìn)一步提升使用效率。為了解決這個(gè)問題，需要基于電參數(shù)與非電參數(shù)對于短電弧銑削加工能力的影響，對短電弧加工技術(shù)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，研發(fā)更為高效的短電弧銑削加工實(shí)驗(yàn)平臺。

[關(guān)鍵詞]短電弧銑削加工;評價(jià)指標(biāo);預(yù)測;工藝參數(shù)

[中圖分類號]TG661;TG54 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼]A

隨著科技進(jìn)步，新技術(shù)、新材料不斷涌現(xiàn)并被應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著重要作用。特別是基礎(chǔ)設(shè)施、軍工以及航天等重要領(lǐng)域，對于新工藝、新材料的需求非常高，大量使用鈦合金、鎳基合金等高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性的新材料，確保各種工業(yè)零件能夠在惡劣且復(fù)雜的環(huán)境中保持穩(wěn)定。這些新材料的加工難度較高，傳統(tǒng)的金屬材料加工技術(shù)無法有效處理新材料，不僅導(dǎo)致加工成本上升，還會降低加工精度。要想解決這一問題，就要對金屬材料加工技術(shù)進(jìn)行升級，利用短電弧加工技術(shù)研制銑削加工平臺，提升金屬材料加工效率以及加工精度。

1 短電弧銑削加工能力受電參數(shù)的影響

短電弧銑削加工的原理是在待加工零件與刀具之間進(jìn)行短電弧放電，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，在熱能的作用下對金屬材料以及非金屬導(dǎo)電材料進(jìn)行銑削。根據(jù)工作原理可以發(fā)現(xiàn)，決定金屬材料加工精度的一個(gè)重要因素，就是電參數(shù)的調(diào)整[1]。

1.1 建立極間電場模型

利用軟件建立極間電場模型，通過該模型對電弧的放電狀態(tài)，以及放電間隙電場分布情況進(jìn)行研究。利用2D plane121單元對幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，并對極間電場的放電區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分，非放電區(qū)域網(wǎng)格較大。通過這種方式對放電區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)分析，提升計(jì)算效率。本次設(shè)計(jì)中利用調(diào)和方程對電場分布情況進(jìn)行計(jì)算。

（1）

1.2 電參數(shù)對短電弧銑削加工的影響

本次實(shí)驗(yàn)中，使用鎳基高溫合金作為實(shí)驗(yàn)材料，通過實(shí)驗(yàn)得出單因素實(shí)驗(yàn)電參數(shù)對于銑削加工的影響。

1.2.1 對銑削加工效率的影響

在保持其他參數(shù)不變的情況下，依次改變脈沖電壓、脈沖頻率以及占空比，發(fā)現(xiàn)銑削加工效率發(fā)生變化。當(dāng)脈沖電壓以及占空比增大時(shí)，銑削加工效率也得到了顯著提升。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因在于電壓升高會造成極間電場增強(qiáng)，電場中的電子會得到較大的加速度，基于能量守恒定理，電子在極間電場中的動能也會增大，進(jìn)行銑削作業(yè)時(shí)產(chǎn)生的熱能也就越大，進(jìn)而提升銑削加工效率。此外，隨著脈動電壓的提升，極間電流也會增強(qiáng)，電能會更為高效地轉(zhuǎn)化為熱能，提升加工效率。單個(gè)脈沖電能量計(jì)算公式為：

（2）

1.2.2 對加工精度的影響

盡管從零件銑削加工整體流程上看，短電弧銑削加工屬于粗加工環(huán)節(jié)，但是為了給后期精加工環(huán)節(jié)提供質(zhì)量較好的工件，需要深入分析電參數(shù)對短電弧銑削加工精度的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)脈沖電壓或者脈沖頻率提高，工件表面粗糙程度也發(fā)生了變化，且該變化存在于一定范圍內(nèi)。這就表示單因素對于工件表面粗糙程度的影響不大。保持其他參數(shù)不變，單獨(dú)增大占空比時(shí)，工件表面的粗糙度會上升，原因在于占空比越大，極間所釋放的電能也就越大，工件表面在電流沖擊下會出現(xiàn)明顯的凹坑，隨著溫度的快速回落，工件表面會快速凝結(jié)，進(jìn)而增加粗糙度[2]。

2 短電弧銑削加工能力受非電參數(shù)的影響

在短電弧銑削加工中，非電參數(shù)主要包括銑削深度以及介質(zhì)壓力等。當(dāng)這些因素發(fā)生變化，極間流場也會發(fā)生改變，會對非電參數(shù)造成影響，進(jìn)而形成一個(gè)干擾循環(huán)。因此，需要基于極間流場的變化，研究非電參數(shù)對銑削加工的影響。

2.1 建立極間流場模型

在質(zhì)量守恒方程以及動量守恒方程的約束下，使用中空高純石墨材料作為電極，將高壓水氣混合物作為工作介質(zhì)，工作介質(zhì)從石墨電極中流出，將銑削加工過程中產(chǎn)生的殘?jiān)鼛С龇烹婇g隙。

利用Gambit軟件創(chuàng)建銑削加工模型，在建立3D模型后對其進(jìn)行網(wǎng)格劃分，對于電流間隙處的網(wǎng)格要細(xì)分，其余部位保持正常。網(wǎng)格劃分結(jié)束后，將該模型導(dǎo)入Fluent模塊，并對劃分好的網(wǎng)格進(jìn)行質(zhì)量檢查。如果網(wǎng)格質(zhì)量符合要求，則將模型重新導(dǎo)入Gambit軟件并設(shè)定邊界條件。工作人員設(shè)定好工作介質(zhì)入口的邊界數(shù)值，并將該入口標(biāo)定為壓力入口，同時(shí)確定工作介質(zhì)出口邊界數(shù)據(jù)，并將其標(biāo)定為壓力出口。此外，分別設(shè)定石墨電極表面的邊界以及待加工工件表面的邊界。

2.2 選擇計(jì)算類型

設(shè)定好邊界條件之后，綜合短電弧銑削加工實(shí)際情況，使用標(biāo)準(zhǔn)湍流模型以及耗散率ε方程進(jìn)行計(jì)算。

（3）

（4）

2.3 非電參數(shù)對極間流場影響分析

2.3.1 工作介質(zhì)壓力

將工作介質(zhì)的壓力調(diào)整為2MPa，電極轉(zhuǎn)速調(diào)整為300r/s，得出壓力場分布云圖。分析云圖，可以發(fā)現(xiàn)電極內(nèi)部的流場壓力不會隨著工作介質(zhì)壓力的變化而改變，但是當(dāng)工作介質(zhì)通道變窄，極間壓力場分布會出現(xiàn)明顯變化。由于工作介質(zhì)流出壓力口后，出口壓力會降低，因此無法將全部殘?jiān)鼛щx放電間隙，造成殘?jiān)逊e。針對這一問題，通過增加外沖液的方式排除多余殘?jiān)黐3]。

2.3.2 加工深度

除了介質(zhì)壓力之外，加工深度也會對極間流場產(chǎn)生影響。在對極間流場進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)時(shí)，將電極轉(zhuǎn)速設(shè)定為500r/s，入口處工作介質(zhì)的壓力為2MPa，分別將切削深度調(diào)整為1mm，2mm，3mm，4mm，并記錄不同切削深度極間流場變化情況。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)切削深度達(dá)到3mm時(shí)，壓力場的變化較為明顯。由此可以得出結(jié)論：當(dāng)切削深度為3mm時(shí)，排屑效果要好于其他切削深度，能夠更好地確保短電弧銑削加工的穩(wěn)定性。

3 工藝參數(shù)優(yōu)化及指標(biāo)預(yù)測

通過分析電參數(shù)、非電參數(shù)對短電弧銑削加工的影響，明確各種因素對于加工效率、加工精度的影響規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，對加工技術(shù)參數(shù)進(jìn)行調(diào)整與優(yōu)化。本次實(shí)驗(yàn)中，借助BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，組建加工效果與銑削參數(shù)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，并對各種參數(shù)下金屬工件銑削效果進(jìn)行預(yù)測，提升短電弧銑削加工質(zhì)量。

3.1 設(shè)計(jì)正交實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

本次實(shí)驗(yàn)將脈沖電壓、脈沖頻率、工作介質(zhì)壓力以及占空比作為影響因素，將工件表面粗糙程度、加工效率作為評價(jià)指標(biāo)，繪制影響因素水平分布表（表1）。

根據(jù)表1參數(shù)，為了在多種工藝組合中尋找最優(yōu)參數(shù)組合，需要對每一種組合進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。由于該環(huán)節(jié)工作量龐大，為了提升實(shí)驗(yàn)效率，決定進(jìn)行4因素2水平正交實(shí)驗(yàn)。

依照正交實(shí)驗(yàn)方案，對鎳基耐高溫材料進(jìn)行銑削加工，并記錄各種加工參數(shù)組合下評價(jià)指標(biāo)數(shù)據(jù)以及工件的具體情況。通過對工件表面粗糙程度的觀察可以發(fā)現(xiàn)，基于不同參數(shù)組合所進(jìn)行的切削實(shí)驗(yàn)，加工效果存在顯著差異。盡管銑削過程中每一種參數(shù)組合的放電現(xiàn)象不同，但是都能夠保證連續(xù)放電，沒有出現(xiàn)短路現(xiàn)象，證明短電弧銑削加工具有良好的穩(wěn)定性。在得到正交實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)之后，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行極差分析，借助這種方式確定最佳參數(shù)組合，如圖1所示。

在極差分析流程圖中，變量K為某一因素對應(yīng)某一評價(jià)指標(biāo)時(shí)所有相關(guān)實(shí)驗(yàn)指標(biāo)總和。得出K的具體數(shù)值之后，對該數(shù)據(jù)進(jìn)行平均值計(jì)算，得出最優(yōu)參數(shù)組合。變量R為所有平均值中最大值與最小值之差。R的數(shù)值與該因素對評價(jià)指標(biāo)的影響成正比，R的數(shù)值越大，證明該因素越重要。

通過對加工效率極差以及工件表面粗糙度極差的分析可以發(fā)現(xiàn)，K的平均值不同。這說明本次實(shí)驗(yàn)中的4種因素對于評價(jià)指標(biāo)均會產(chǎn)生影響。當(dāng)某個(gè)參數(shù)改變，評價(jià)指標(biāo)也會發(fā)生波動，因此也就驗(yàn)證了短電弧銑削加工中，脈沖頻率、脈沖電壓、占空比以及工作介質(zhì)壓力等4個(gè)因素，對于銑削加工效果會產(chǎn)生影響[4]。

基于正交實(shí)驗(yàn)所得到的極差分析結(jié)果，確定最優(yōu)參數(shù)組合。即脈沖電壓45V，脈沖頻率600Hz，占空比80%，工作介質(zhì)壓力2MPa。在這種參數(shù)組合下，切削加工能夠達(dá)到理想的效果，能夠在提升加工效率的同時(shí)，確保金屬零件表面較為光滑、平整。

3.2 短電弧銑削效果預(yù)測

金屬材料銑削加工需要經(jīng)過一個(gè)復(fù)雜的過程，由于對短電弧銑削加工技術(shù)的研究尚不充分，因此無法用具體的數(shù)學(xué)表達(dá)式，展示短電弧銑削加工這種非線性工藝的規(guī)律。針對這一問題，研究人員嘗試采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，對短電弧銑削加工效果進(jìn)行預(yù)測。

正式構(gòu)建BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)之前，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，將所有需要計(jì)算的參數(shù)，轉(zhuǎn)化為[0，1]～[-1，1]。通過這種方式將所有參數(shù)統(tǒng)一到相同的數(shù)量級，進(jìn)而達(dá)到降低誤差的目的。相關(guān)研究人員利用mapminmax函數(shù)，對樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理：[A1，PS]=mapminmax（A），其中，變量A為待轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)，A1為經(jīng)過歸一化處理的數(shù)據(jù)，PS為待轉(zhuǎn)化數(shù)據(jù)與歸一化數(shù)據(jù)之間的對應(yīng)關(guān)系。

將所有數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理之后，尋找數(shù)據(jù)輸入與數(shù)據(jù)輸出之間的對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系，并將指標(biāo)預(yù)測數(shù)據(jù)代入對應(yīng)網(wǎng)絡(luò)關(guān)系中，就能夠預(yù)測輸入數(shù)據(jù)的指標(biāo)預(yù)測結(jié)果。由于得出的結(jié)果是經(jīng)過歸一化處理的數(shù)據(jù)，為了方便理解，需要對該數(shù)據(jù)進(jìn)行反歸一化處理，變?yōu)槌Ｒ姷臄?shù)據(jù)類型[5]。

利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對銑削加工評價(jià)指標(biāo)進(jìn)行預(yù)測，并將預(yù)測結(jié)果與經(jīng)過實(shí)驗(yàn)得到的真實(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)兩組數(shù)據(jù)之間的誤差在可接受范圍內(nèi)。由此證明利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對短電弧銑削加工效果進(jìn)行預(yù)測具有可行性。

4 結(jié)語

短電弧銑削工藝作為一種加工金屬材料的關(guān)鍵技術(shù)，如何對短電弧銑削加工平臺進(jìn)行更新升級，一直以來都是零件加工行業(yè)熱議的話題。設(shè)計(jì)人員深入分析電參數(shù)與非電參數(shù)對短電弧銑削加工質(zhì)量的影響，利用正交實(shí)驗(yàn)，對脈沖頻率、脈沖電壓、占空比以及工作介質(zhì)壓力等4個(gè)參數(shù)對工件表面粗糙程度以及加工效率這兩項(xiàng)評價(jià)指標(biāo)所產(chǎn)生的影響進(jìn)行計(jì)算，進(jìn)而得到最優(yōu)參數(shù)組合。同時(shí)，利用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了對于短電弧銑削效果預(yù)測，為短電弧銑削加工技術(shù)的改進(jìn)與升級提供技術(shù)支撐。

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作者簡介

高揚(yáng)（1988—），男，江蘇徐州人，工程碩士，教研組長，主要從事機(jī)械機(jī)電方向?qū)I(yè)教學(xué)。