基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究（可编辑）

基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究大连理工大学硕士学位论文基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究姓名王元刚申请学位级别硕士专业机械制造及自动化指导教师赵福令20050301大连理工大学硕士学位论文摘要电火花加工技术在汽车、航空航天、模具等制造工业中有着广泛的应用,混粉电火花加工技术的出现极大地丰富了电火花加工技术的内涵,并突破了以往人们对这一工艺方法在认识上的局限性。目前,混粉电火花加工技术能够加工较大的面积,得到较低的表面粗糙度,是模具在最终加工工序中取代手工抛光的主要工艺手段。但是,这项工艺的基本机理尚不清楚、尺寸精度很难确定,而且该技术缺少必要的工艺规范,因此,分析放电模型、寻找混粉电火花加工技术的本质以及混粉电火花加工工艺的实用化成为当今混粉电火花加工技术研究的热点。本文通过一组正交工艺实验分析了混粉电火花加工技术各个工艺参数之间的关系,总结了过切量的影响因素,同时对混粉电火花放电点的位置变化规律做了探索。在此基础上,利用软件为工具平台建立起混粉电火花加工工艺人工神经网络模型包括粗糙度模型、过切量模型,并对该网络模型进行训练、仿真,通过将实际试验结果与仿真计算结果的比较,验证了该仿真方法和仿真模型的正确性。本文做了如下方面的工作基于试验现象,本文认为在混粉电火花加工过程中,一次脉冲周期内,放电位置的随机变化局限在一定区域内随着加工时间的推移,放电区域从一个位置缓慢转移到另外一个位置依据正交设计原理设计的试验样本,能充分代表混粉电火花加工技术工艺系统特性而工作液中的混粉微粒细化了放电能量、减小放电过程的电弧等不稳定性因素的发生、增大了放电过程的随机性,因此增加了系统的可仿真性及结果的准确性借助本文提出的“塔型”神经网络拓扑结构,为混粉电火花加工的基本工艺参数和工艺质量目标建立非线性神经网络模型,从技术上保证了加工质量,从而降低生产周期,为实现加工条件的离线选择打下基础。本文的工作对混粉电火花加工技术的实用化具有一定的实践意义,并为建立混粉电火花加工的专家系统提供了实验依据同时,对混粉电火花加工的机理模型作了有益的探索。关键词混粉电火花加工正交设计人工神经网络过切量仿真基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究,订,耵,】也,”,独创性说明作者郑重声明本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得研究成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果,也不包含为获得大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。作者签名王毛旦日期兰大连理工大学硕士学位论文绪论课题的提出及应用价值课题简介及所属自研究领域混粉电火花加工技术是二十世纪年代兴起的新技术,属于现代先进制造技术领域。它通过在传统电火花加工工作液中加入一定浓度的粉末颗粒,如硅、铝、钨等微粉颗粒,细化了放电能量,在精加工时,使工件表面的粗糙度大幅度的降低并可以达至镜面,改善了加工表面的质量耐磨性、耐腐蚀性、硬度等。与传统的电火花加工相比,混粉电火花加工中表面光整加工时效率显著提高,极大的提高工件型腔的表面质量和寿命、缩短了生产周期、降低了制造成本。但由于这项技术是通过实验研究发现的,而且兴起,目前对该技术的研究大多集中于实验研究和应用研究,对其机理的探讨较少,所建立的机理模型较简化,其加工工艺还有待改善。因此借助于实验的方法通过计算机仿真来建立较完善的机理模型,迸而探索混粉电火花加工的机理,总结加工援范,优化加工参数,对于这项新工艺今后的发展有重要意义。“课题的理论意义及应用价值从宏观角度来看,制造业是我国国民经济的支柱产业,振兴制造业是启动我国经济新高潮的杠杆,而先进制造技术是振兴制造业的系统工程中的重要组成部分之一】。大力振兴装备制造业,是贯彻“三个代表”重要思想和党的十六大、十六届三中全会精神,落实党中央、国务院关于实施东北地区等老工业基地振兴战略的重要举措【。国家“十五”科技发展规划明确的将“先进制造及其自动化”技术列为优先发展的高新技术领域,而包括电火花加工技术在内的特种加工技术是先进制造技术中的一个重要组成部分。从技术发展方面来分析,随着工业生产的发展和科学技术的进步,具有高硬度、高强度、高脆性、高粘性、高韧性、高纯度等性能的新材料不断出现,具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多,传统的机械加工方法已难以满足生产的需要【】。而电火花加工技术是通过工具电极和工件间的火花放电所产生的局部高温高压来蚀除工件材料,具有加工不受材料强度、硬度限制,工件和工具电极间无宏观作用力,加工表面形状决定于工具电极形状等特点。另外,随着电火花加工技术自身的发展和完善,其加工范围已经逐步扩大至精密微细加工领域并在复杂形状、特殊材料的零件加工中发挥着更基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究大的作用【】。因此,电火花加工技术适应生产发展的需要,在机械制造领域尤其在航空、航天、微电子、汽车等领域得到了迅速发展和广泛的应用。就电火花加工技术本身而言,由于电火花加工技术是通过脉冲放电来蚀除工件材料,加工表面是由许多个放电蚀坑组成,加工表面质量取决于放电蚀坑的大小和形状以及放电蚀坑的分布均匀程度。人们通过改变单个放电脉冲参数的方法,来改变放电蚀坑的深度,最终达到所需表面质量、节约加工成本的目的。但由于电火花放电加工是在非常微小的含有工作介质的环境中进行的,工作介质中的微粒包括混粉电火花加工中混粉微粒在时间和空间上动态、随机变化,使得放电机理非常复杂,工艺过程很难控制。当加工工艺参数选取不合适时,最终导致尺寸精度不高、加工表面粗糙度较低,同时工件表层金属受放电时骤冷骤热影响,会在工件表层内产生残余拉应力、微裂纹,使工件的疲劳寿命、耐磨和耐蚀性等降低。在这种情况下,为提高零件的使用寿命和使用性能,电火花加工后要安排重新加工以及研磨、抛光等加工工序,这一方面延长了产品的制造周期,增加产品的制造费用,另一方面也增加了工人的劳动强度。此外,现代制造业特别是模具制造业的迅速发展要求现代机床具有高度的自动化和操作的简单化。甚至是无人加工。因此,能否实现最优加工条件的自动选择,降低对操作人员的依赖性,是电火花加工走向“易用化”的关键一步。因此,开展混粉电火花加工技术研究,对提高电火花加工工艺表面质量、增加尺寸精度、简化操作工序、降低生产成本等,都具有十分重要得意义。电火花加工技术发展过程综述电火花加工的产生与发展电火花加工发展过程可以分为三阶段第一阶段电火花的产生时期。电火花加工的起源可以追溯到年,在那时,英国化学家发现放电过程具有腐蚀作用。人们为了延长电器触头的使用寿命,对电腐蚀现象进行了大量的研究,逐步认识了产生电腐蚀的原因当极间产生火花放电时,火花通道中瞬时产生大量的热,达到很高的温度,足以使任何金属材料局部熔化、气化而被蚀除掉,形成放电凹坑。第二阶段电火花的发展时期。前苏联学者拉扎林科夫夫妇为了解释和应用放电腐蚀现象,积极开展研究工作,并于年成功地利用电腐蚀原理在金属工件上打出了小孔,创立了所谓的“电蚀加工法”,也称“电火花加工法”。次年,苏联制造出了第一台电火花穿孔机床。大连理工大学硕士学位论文世纪年代,美国工作人员利用电火花技术去除残留在液压阀中的阀芯,这被看作是型腔电火花加工最原始模型。从年代到年代,阻抗电源、电火花加工的适应控制系统等技术的闽世大大促进了电火花加工设备的诞生。年国际上首次展出了计算机数字控制电火花线切割机床,年又展出了直接数字控制电火花线切割机床,年出现了数控电火花加工机床。七十年代末期还开始研究水做工作液进行加工,同时,微细电火花加工和超大型电火花加工也得到了一定的发展。第三阶段电火花加工的繁荣时期。从世纪年代,计算机数控电火花系统的出现使加工效率有了很大的提高。随着适应控制出现、数控平动的应用,镜面加工的混粉加工技术被提出并开始深入研究。九十年代以来,微精加工脉冲电源和计算机控制技术的飞速发展,电火花加工在性能与实用技术方面得到长足发展,模糊控罐、人工神经网络运用于电加工机床,斜度切割和微细切割达到实用化阶段,混粉电火花加工机床问世,直线伺服电机驱动系统应用于电加工系统,增加了基于互联网和数据库的新功能和专家系统越来越受到人们的重视,新的平动技术得到发展,安全防护技术、绿色加工等技术得到重视,出现了加工区封闭的电火花加工机床【。嚣昆粉电火花研究现状牲上世纪年代【,研究发现在电火花加工工作液中添加一定量的、等微细粉末后,工件加工表面粗糙度会显著改善,能够达到近似镜面的效果,且精加工时间也会大大缩短【】。之后,各国学者纷纷展开了研究推动了这一新技术的发展。此工艺进入实用化阶段则是在九十年代中期,第四届、第五届中国国际机床展览会上,瑞士阿奇公司、日本三菱公司、沙迪克公司都展示了具有混粉加工技术的电火花成形机床、】。目前混粉电火花镜面加工技术已成功的应用在了工业领域当中,日本和瑞士等国都生产了实用化的设备,并取得了可观的效益。同普通工作液的电火花加工相比,该项技术不仅能降低大面积工件的表面粗糙度,还可以提高其表面的硬度、耐磨性、耐腐蚀性,大幅度的缩短精加工的时间,并具有消除表面显微皱纹、提高模具的脱模型能等优点。因而取代了的模具抛光工序,解决了长期以来模具抛光手工抛光的低效和低质状况。我国在混粉电火花加工技术领域的研究起步较晚,目前国内只有大连理工大学、南京航空航天大学、哈尔滨工业大学、上海交通大学、北京阿奇夏米尔工业电子有限公司等少数几所大学和研究单位做过初步的探索实验,虽然许多技术仍落后于国际研究水基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究平,但已取得一些可喜的成果。盂庆国等认为正极性加工时放电通道呈喇叭口形,在工件表面形成的热源作用半径增大,形成大而浅的放电凹坑,因而使工件表面粗糙度降低】。索来春等从极间电容和电场的角度对其原理进行了分析,探讨了混粉电火花加工改善大面积加工表面粗糙度的原因】。大连理工大学吕战竹、朱玲龙、张龙等通过对模具钢迸行混粉电火花加工工艺参数和工艺效果的试验实验得出各种参数对加工效率的影响规律,为建立混粉电火花加工专家系统做了有益的探索,有助于于工艺实用化王辉在试验的基础上通过建立放电间隙一维模型实时仿真出微粉粉末的运动轨迹,为进一步进行仿真研究打下良好的基础。由于混粉电火花加工是典型的复杂对象、复杂任务、复杂环境的系统】,至今也未能真正从理论上解决各种加工参数对加工性能的影响关系。而经验公式的过于简单又往往使预计结果和实际相差甚远,这就导致了工艺数据库的出现,这些经验数据是否是最优数据,则完全取决于机床生产单位本身,因此要使一定条件下的加工性能达到最优,以及如何通过加工数据库中已有的数据来拓展加工范围、优化参数等都还需要更深入地展开对加工机理的研究。人工神经网络在电火花加工中的应用综述根据神经网络的基本理论,任一连续函数都可以用一个三层网络结构来模拟。只要给出适当的网络结构,通过对样本数据的学习确定网络各层单元之间的权值关系后,网络模型就可以得到确立,以后若有新的样本数据,可通过网络再学习功能使网络适应新的样本,而不用重新建立模型。和线性回归相比较,神经网络不仅具有自学习功能,而且对自变量的数量不敏感,也不存在线性回归中的自变量的阶次的确定和自变量之问的组合问题。因此在自变量较多的情况下用神经网络建模显得更为合适,而电火花加工技术正属于这种情况。近来很多学者就是从这个思路出发,提出了许多基于神经网络的电火花加工过程仿真工艺效果的预测模型,可映射出电参数和加工过程工艺结果之间的关系,为电火花加工智能化系统的研究提供了可靠的依据,并能从中归纳出工艺规律,有利于推进电火花加工工艺机理的研究。罗元丰等简要论述了多层前馈网络模型和算法,分析了神经网络技术在电火花加工领域中的应用前景,对国内外的研究状况进行了综述和展望,并讨论了今后的发展趋势】。台湾学者等建立了六种神经网络模型以及一种神经模糊模型,并且考虑到电极形状的变化,对各种被加工材料,进行材料去除率的仿真实验研究,为神经大连理工大学硕士学位论文网络的具体运用做了深入的尝试。在电火花线切割加工方面,、许华宇】等采用网络实现从加工参数空间到加工效果空间的非线性映射,使加工系统的切削性能可获得较大的提高。而等建立一个前馈神经网络模型辨别电火花加工状态,根据建立的方法,调整伺服电压和电源设置,从而实现最合适最稳定的加工状态。神经网络在电火花成形加工中也有广泛的应用。杨晓冬等针对电火花加工的工艺特点,提出了一个基于神经网络的型腔电火花加工工艺效果的预测模型】。李明辉等所建立的电火花加工工艺模型【中不仅考虑到仿真精度,还考虑到仿真需要的时间因素,为实现电火花加工神经网络在线仿真、建立电火花加工专家系统以实现加工状态实时调整、加工参数的智能选择做了有益的探索。由于混粉电火花加工是在最近几年才发展起来的新技术,而且混粉微粒的存在增大了加工过程的复杂性、复杂性神经网络在这领域的应用在国内外尚未见到公开报道。本文将在混粉电火花加工工艺仿真方面做深入研究。电火花加工技术的研究领域及发展趋势先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形技术提出了更高要求,同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺开发、设备更新提供了新的葫为。今后电火花成形加工的加工对象主要面向传统机械加工不易实现的难加工材料、复杂型面等加工,同时,与其它特种加工技术或传统切削加工技术的有机结合,充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势,取得联合增值效应。电火花加工技术研究领域由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研究手段缺乏创新性,在电火花加工基础理论研究领域,迄今尚未取得突破性进展。但在加工工艺和控制理论研究领域,由于研究成果可直接应用于生产实践,因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的领域【】,主要是如何提高电火花成形加工的表面质量和速度,降低损耗,拓展电火花加工的范围,以及探索复杂、微细结构的加工方法等。通过将研究成果应用于生产实践,全面提高了电火花成形加工的加工性能。智能控制技术如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等以及操作安全、环境保护等方面。在工艺设备开发方面,目前的新型电火花成形加工机床在加工功能、加工精度、自动化程度、可靠性等方面已全面改善。许多机床已具备了在线检测、智能基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究控制、模块化等功能,已不再是传统意义上的特种加工机床,而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心。图是电火花加工技术研究的领域示意图。图电火花加工技术研究领域电火花成形加工机理研究未取得突破性进展的主要原因除放电过程本身的复杂性、随机性外,还由于研究方法及手段缺乏创新性】。因此,有必要借鉴其它研究领域的成功经验,引入先进的研究方法和试验技术,克服传统研究方法的局限性,深入剖析和揭示整个放电过程的内在本质,建立客观反映放电过程规律的理论模型,以指导电火花成形加工工艺理论和控制理论的研究,而计算机仿真技术可能是实现这一过程的有效工具。电火花工技术的发展趋势电火花成形加工工艺的发展方针是通过对电火花成形加工机理的研究,进一步揭示放电过程的内在规律,并以此为指导,推动电火花成形加工工艺向高效率、高精度、低损耗、微细化方向发展】。加工过程的高效化近年来,由于/技术的发展和工具材料的改进,使硬质材料的切削加工成为可能,包括精加工在内的一套模具的加工时间己可缩短一半以上。对于电火花加大连理工大学硕士学位论文工,一方面,从粗加工来说,其加工速度已不比其他加工方法逊色,而像硬质合金这类特别硬的材料的加工则非电火花加工莫属。另一方面,到目前为止,从粗加工到精加工,在各种条件下的电火花所需要的时间。还不能单靠电极面积、形状等来推算,特别是精加工时,在很大程度上还取决于操作者的经验和水平。因此,在冲液方法、电极抬刀动作等方面继续研究,保证放电点的分散,从而通过单脉冲放电的累积来正确预测整体加工,以及包括电极交换在内的各辅助工序的进一步完善是今后的努力方向。加工过程的精密化通过采用一系列先进加工技术和工艺方法,目前电火花成形加工精度已有全面提高,有的已可达到镜面加工水平。但从总体来看,先进技术在实际生产中的应用还不够成熟和广泛,因此有必要全面推动已有先进技术的进一步完善及向产业化方向发展。在保证加工速度、加工成本的前提下,使电火花成形加工的精度水平进一步提高,使电火花成形加工成为一些主要零件、关键零件的最终加工方式。同时,对加工精度的衡量不能仅仅局限于工件的尺寸精度和表面粗糙度,还应包括型面的几何精度、变质层厚度以及微观裂纹、氧化、锈蚀等。加工过程的微细化龟火花成形加工的一个重要应用领域是窄槽、深腔、微细零件的加工,因此加工过程的微细化是今后一个重要的发展方向。电火花微细加工机理与常规电火花成形加工相同,但有自身的工艺特点每个脉冲的放电能量很小,工作液循环困难,稳定的放电间隙范围小等。基于这些工艺特点,微细电火花成形加工的加工装置、工作液循环系统、电极制备等必然与常规电火花成形加工有很大区别。因此,需要重点研究非机械作用力及其干扰对加工过程的影响等,进一步提高加工效率、加工精度及加工过程的稳定性。应用范围的扩大化电火花成形加工不仅可加工各种导电金属材料和复杂型腔,还能实现对半导体材料、非导电材料的加工,并取得了较好的加工效果。除了铜、钢、石墨以外,国外研究出多种有粉末和短纤维通过烧结和挤压制成的复合电极材料。这方面的主要发展趋势为进一步研究半导体材料、非导电材料的放电加工机理,促进其加工效率、加工精度、加工过程稳定性的提高,扩大可加工材料的范围除加工复杂型腔外,进一步实现对三维型腔、复杂型面的加工研制性能优越的新型电极材料。课题的研究内容本课题有机的结合了普通电火花加工、混粉电火花加工工艺,用试验与理论相结合的方法,对混粉电火花加工机理及加工工艺特性、各个工艺参数之间的相互作用、过切基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究量的影响因素等内容进行研究,并在混粉电火花加工工艺仿真方面做了探索。具体研究内容如下为探索混粉电火花加工的工艺特性,通过对大量可靠实验的分析总结,归纳出相关因素对其工艺特性的影响,并在此基础上总结加工规范,优化加工参数,在经验上为此工艺的实用化提供支持。基于试验现象,文章认为混粉电火花加工放电位置的随机性是在一定区域内发生的,即在一段时间内,放电区域从一个位置缓慢转移到另外一个位置。根据正交设计原理,文章设计正交试验数据表,在混粉电火花加工机床上做组工艺实验,通过适当选择电极材料,改变工艺参数,有针对性的进行实验研究,得出可重复实现的实验数据。通过计算机仿真技术建立了电火花加工工艺仿真模型。该模型以工艺质量为目标借助网络为电火花加工基本工艺参数和工艺质量目标建立非线性联系,从而为实现加工条件的离线选择打下基础。大连理工大学硕士学位论文电火花扫工技术放电原理及基本特点随着工业生产的发展和科学技术的进步,具有高熔点、高硬度、高强度、高脆性高粘性和高纯度等性能的新材料不断出现。具有各种复杂结构与特殊工艺要求的工件越来越多,这就使得传统的机械加工方法不能加工或难于加工。因此。人们除了进一步发展和完善机械加工法之外,还努力寻求新的加工方法。电火花加工技术能够适应生产发展的需要,并在应用中显示出很多优异性能,因此,得到了迅速发展和日益广泛的应用。电火花/技术基本特点及应用范围】电火花加工技术的特点与传统机械加工完全不同,电火花加工技术/是利用浸在工作液中的两电极问脉冲放电时产生的电能和热能对工件进行无接触的去除工件材料的一种加工方法,又称放电加工或电蚀加工。所以适应范围极广,对于二些传统加工方法难以加工的高硬度、高强度、高脆性、高黏度、半导体等新材料,如导电陶瓷、聚晶金刚石、硬质合金等,只要有良好的导电性均可进行放电加工。电火花加工技术具有如下特点脉冲放电的能量密度高,便于加工用传统加工方法难于加工或无法加工的特殊材料和复杂形状的工件。不受材料硬度影响,不受热处理状况影响脉冲放电持续时间极短,放电时产生的热量传导扩散范围小,材料受热影响范围小加工时,工具电极与工件材料不接触,两者之间宏观作用力极小,不产生毛刺和刀痕沟纹等缺陷。工具电极材料不需比工件材料硬,即可以柔克刚,因此,工具电极制造容易舢直接使用电能加工,便于实现自动化可以改革工件结构,简化加工工艺,提高工件使用寿命,降低工人劳动强度,电火花加工技术的应用范围基于第节所述特点,电火花加工技术能加工普通切削加工方法难以切削的材料和复杂形状工件。电火花加工的主要用途有以下几项制造冲模、塑料模、锻模和压铸模,加工各种硬、脆材料,如硬质合金和淬火钢等一一基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究加工小孔、异形孔以及在硬质合金上加工螺纹螺孔在金属板材上切割出零件加工窄缝、窄槽、深小孔,切割薄片等磨削平面和圆面加工各种成形刀具、样板和螺纹环规等工具和量具仰其它如强化金属表面,取出折断的工具,在淬火件上穿孔,直接加工型面复杂的零件等。电火花加工技术基本原理电火花加工技术的系统组成及其作用进行电火花加工时,工具电极和工件分别接脉冲电源的两极,并浸入工作液中,或将工作液充入放电间隙。通过间隙自动控制系统控制工具电极向工件进给,当两电极间的间隙达到一定距离时,两电极上施加的脉冲电压将工作液击穿,产生火花放电放电在微细通道中瞬时集中大量的热能,从而使这一点工作表面局部的金属立刻熔化、气化,并爆炸式地飞溅到工作液中,迅速冷凝,形成固体的金属微粒,被工作液带走这时在工件表面上便留下一个微小的凹坑痕迹,放电短暂停歇,两电极间工作液恢复绝缘状态紧接着,下一个脉冲电压火花放电。重复上述过程,经过无数次脉冲放电作用,就能蚀除较多的金属。电火花加工系统组成包括电火花机床主体床身、立柱,工作台,主轴头,坐标进给单元,供液及循环过虑单元混粉机构,搅拌装置,脉冲电源,伺服进给控制单元,参数控制系统以及机床数控系统等。图见下页是电火花加工系统结构示意图。对电火花加工系统来说,要把有害的火花放电转变为实用的电加工技术必须具备以下几点脉冲电源电火花加工能够连续工作的必要条件之一是电极和工件之间加以的电压。脉冲电源的作用使火花放电为瞬时的高频脉冲性放电,并在延续一段时间即脉冲宽度一般为后,停歇一段时间即脉冲间隔。这样才能使放电所产生的热量来不及扩散到其余部分,把每一次的放电点控制在很小的范围内,每一个脉冲在工件上电蚀出一个小坑。否则放电将形成持续电弧,放电点大面积发热融化、烧伤,无法对工件进行尺寸加工。大连理工大学硕士学位论文图电火花加工系统结构示意图伺服进给系统要使电火花加工连续放电还必须使得工具电极和被加工表面之间要保持定的放电距离放电间隙,这一距离随加工条件而定,通常为几微米到几百微米。如果间隙过大,极间电压不能击穿极间介质,因而不会产生火花放电如果间隙过小,造成放电通道过小,产生烧伤甚至拉弧。因此,在电火花加工过程中,必须具有工具电极自动进给和调节装置伺服进绘系统。伺服进给系统的作用是通过改变、调节进给速度,使进给速度无限接近蚀除速度以维持一定的最佳放电间隙,保证电火花加工正常而稳定的进行,获得较好的加工效果。工作介质电火花加工一般在绝缘陛的油、乳化液、去离子水等中进行,我们通常称这类液体为工作介质,也称为工作液。工作液的主要作用是使两极间建立起较高的极间电压,储备足够的电能基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究为放电通道提供大量粒子,使电能可转换成热能压缩放电通道,增强放电能量密度参与电蚀产物抛出,排走放电产物冷却加工区域,恢复该区绝缘强度为击穿放电和形成保护膜提供各种微粒。以有利于产生脉冲性的火花放电并带走放电时产生的热量和电蚀物。工具电极工具电极常用导电性良好、熔点较高、易加工的耐电蚀材料。如铜、石墨、铜钨合金和铝等。在加工过程中,工具电极也有损耗,但小于工件金属的蚀除量,甚至接近于无损耗。工作介质供给、过滤系统正常电火花放电的条件之一是较好的绝缘环境。所以,放电间隙里要始终充满液体介质,并且保证介质中没有或者含有极少杂质,以便一次放电结束后快速恢复加工区域的绝缘强度,为下一次放电做好准备。工作介质供给和过滤系统的作用就是时时过滤工作介质、并使其循环流动。否则,放电间隙里过热时,积碳现象会引起拉弧短路。加工区杂质浓度过高时,加工也难以稳定。蚀除产物和放电热量不及时排除,不仅放电区域绝缘强度无法恢复而不能正常加工,而且会使电极烧伤的概率大大提高。电火花加工机床坐标进给系统为固定间隙保持装置和工作液箱里的工作台,使电极与工件在介质中得到精确的相对位置以满足放电间隙的要求,为安装、方向坐标进给系统以满足工件在空间上的尺寸进给要求,必须用一个刚性良好的机床本体把上述装置合适地安装在一起。这样,就产生了电火花加工机床主要构架,而脉冲电源和工作液循环供给系统一般地不装在机床主体上。电火花加工基本原理及放电过程电火花加工基本原理电火花加工的原理是基于工具电极和工件之间的脉冲性火花放电时的电腐蚀现象来蚀除金属,对工件进行尺寸加工,以达到工件尺寸精度、表面质量等预定的要求。电火花蚀处金属的主要原因是,电火花放电时火花通道中也称放电柱瞬时产生大量的热,温度很高的放电柱内,任何金属材料都会熔化、气化而被蚀除掉,形成放电凹坑。人们在研究减少放电腐蚀的同时,开始利用放电腐蚀现象对金属材料实行尺寸加工。大连理工大学硕士学位论文图电火花加工示意图电火花加工过程中放电状态示意图,工件与工具电极分别与脉冲电源的两输出端相联接。自动进给调节装置使工具电极和工件间保持非常小的放电间隙,当脉冲电压加到两极之间,便在当时条件下相对某一间隙最小处或绝缘强度最低处击穿工作液,在该局部产生火花放电,瞬时高温使工具和工件表面都蚀除掉部分金属,各自形成一个带凸边的锅底状小凹坑。第一个脉冲放电结束后,经过一个脉冲间隔工作液恢复了绝缘状态,第二个脉冲电压又加到两极上,在当时极间距离相对最近或绝缘强度最弱处击穿放电,再电蚀出一个小凹坑。这样,随着频率相当高的、连续不断地重复放电,工具电极不断地向工件进给、放电、蚀除,就可将工具的形状复制在工件上,加工出所需要的零件。整个加工表面将由无数个小凹坑所组成。图电火花加工示意图电火花加工技术材料蚀除过程电火花放电时,电极表面的金属材料是怎样被蚀除下来的,这一微观的物理过程也就是电火花加工的物理本质,或称机理。根据大量国内外研究资料表明电火花蚀除金属的过程主要是电动力、热动力、流体动力等综合作用的过程】。这一过程大致可分为六个连续过程放电准备阶段极间介质的电离、击穿、形成放电通道阶段放电通道释放能量过程介质热分解、电极材料融化、汽化膨胀过程电极材料的抛出过程极间介质的消电离过程,具体说明如下。放电准备阶段电火花加工通常是在浸入工作介质中以给定的脉冲电压下进行的。当导体工具和金属工件被施加一定的脉冲电压时,工具与工件两极之间会形成一个电场如图九所示。伺服电极向工件运动,极间距离逐渐缩小。由于电极间距很小几几十微米,而工具与工件表面微观轮廓又是凸凹不平的,因此,两极之间的电场强度也是极不均匀的。两极表面上微观尖点处的电场强度大大超过电极间的平均电场强度。基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究工作介质中的极少的杂质如金属微粒、胶体微粒、杂质微粒、微气泡与微水滴等在电场的作用下总是向电场强度最大点聚集,这种微粒游动不仅减少了电场强度最大点的两极间距离,也加剧了极间电场强度在微观尖点处的不均衡状态而且从微粒在电场作用下快速移动和磨擦两极表面的情况分析,微粒的磨擦与移动会增加电极表面的电子逸出和间隙里介质能量的电离能量。介质热分解、电极材料融化、汽化膨胀,放电通道形成阶段当极间距离放电间隙小到一定程度一般为姗左右时,阴极逸出的电子,在电场作用下,高速向阳极运动,并在运动中撞击介质中的中性分子和原子,产生碰撞电离,形成带负电的粒子主要是电子和带正电的粒子主要是正离子。当电子到达阳极时,介质被击穿,放电通道形成。当极间距离不断缩小使电极间的电场强度持续增大到场致电子发射限度/时,阴极表面就会逸出电子,它们在电场的作用下高速冲向阳极。这种对阳极的作用我们称为“轰击”。电子在轰击的路途中撞击介质分子和中性原子,产生了雪崩式碰撞电离。碰撞粒子和轰击阳极所产生的热又引起热电子发射,场致电子发射和热电子发射时最终导致等离子体场发射,使得电极之间电场强度最大点发生介质击穿并形成等离子体的高温放电通道如图所示。图电火花加工技术放电过程图解大连理工大学硕士学位论文从场致电子发射到放电通道的形成虽然仅有秒这么短的时间,但极间介质的电阻却在此其间迅速从降为几到几分之一欧又因为放电通道受到自生磁场和介质液体动力的箍缩约束后直径很小所以,放电通道的电流密度就迅速增加到最大值,其最高电流密度可达成/。极间电压也从击穿电压相应地降为高的火花放电维持电压。放电通道释放能量放电通道形成后,电流即可通过等离子体的放电柱在瞬间约矿秒释放电能,而放电通道基本上是由数量大致相等的电子和正离子及少数中性粒子构成如图所示。由于在通道中,电子高速奔向阳极,离子高速奔向阴极它们对撞并且轰击中性粒子和对应的电极,使通道里存储了大量的热能,通道中心的温度可达。所以,放电柱实质是一个具有高热能量的等离子体束流。这就是电火花为何能够电蚀任何金属和部分非金属而不受材料的硬度、强度、韧性等物理性能所限制的原因。使两极间放电点局部熔化。因为放电通道里的碰撞与轰击是产生热量的直接因素,所以,电火花加工的电能大部分都转化为热能,还有动能、磁能、光能、声能及电磁波辐射能。热能主要使两极放电点局部熔化和气化,也使通道中的介质裂解和汽化,还有一部分热量在加热介质和电极的传导中和放电发光及辐射传播中消耗掉。转换为动能的部分以电动力、电磁力、流体动力、热波压力、机械力等综合作用形成的放电压力,消耗在使电蚀产物抛离电极表面或射到对面电极上的过程中。还有少部分能量以声波和电磁波的辐射形式被消耗。热能在电火花加工中虽起着很大作用,但它并不是全被传递给工件电极的,而是分配在工具电极表面和工件电极表面以及放电通道中这三个部分。其中传递给工件电极的那部分能量是蚀除材料的主要因素。能量传递主要有以下几种形式在电场的作用下。电子和离子对电极表面的轰击蚀除材料的蒸汽炬对电极表面的冲击放电通道中能量的热辐射放电通道中高温气体质点对电极表面的热冲击。以上四种传递能量的形式中,主要是带电粒子对电极表面的轰击。而在某种情况下,电极材料的蒸汽炬传递的能量也不容忽视。由于放电柱的辐射和通道中高温气体质点对电极表面的热冲击传递的能量不大,一般认为可以忽略。基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究汽化的工作液和金属蒸气瞬时体积爆炸在放电过程中,通道中存在大量电子。一部分来源于阴极发射,另一部分来源于雪崩形式的介质电离。在电场的作用下,电子商速轰击阻极,离子也同样轰击阴极。在这种动能转变成热能的过程中,电子数目越多,所传递的能量越大。传递给电极的能量转化成热能,并在电极表面形成一个瞬时高温热源,这个热源由体积熟源和表面热源组成。一种是放电电流通过电极时产生的焦耳熟,这一热量是从电极自身内发出来的,所以叫做体积热源。另一种是电极从通道中获得的热能,这一热量是从电极之外向其内部传递,所以称为表面热源。在脉冲放电过程中,起主要作用的还是表面热源。脉冲放电蚀除的小凹坑体积大小主要由它决定。高温热源向电极传递熟能后,电极表面的温度骤然升高。若温度超过电极材料的沸点,就形成了气化区。如温度低于材料沸点但高于材料熔点时,便形成了熔化区。当气体和熔化的部分材料被抛出后,残留在凹坑底部的熔化材料冷却凝为凝固层。凹坑因熔化材料由放电中心向坑四周的抛挤和放电柱温度场的分布,形成一个由深至浅,边缘凸起的锅底形凹坑。凹坑冷凝层的下面是热影响区,而后才是金相组织无变化区。脉冲放电的初期,瞬时高温源使放电点处的材料局部气化和熔化。由于气化产生很大的热爆炸力,使熔化的材料被抛出和推出。脉冲放电持续时间较短时,这种热爆炸力的抛出效应比较显著。电极蒸气,介质蒸气以及放电通道的急剧膨胀,也会产生相当大的压力。参与熔化材料的抛出过程。在脉冲放电的持续期间,通道中带电粒子对电极的冲击力称为电动力和电极蒸气及介质热解气体不仅使熔化区处于较高的压力之下,提高了熔融材料的沸点,而且使电极表面上放电柱中心部位过热的熔融材料内部形成气化中心,引发气化爆炸的材料抛出。这种效应在脉冲放电持续时间较长的情况下,占电蚀产物抛出的绝大部分比例。电蚀产物的排除在热爆炸力,流体动力等综合因素的作用下,熔化或气化的材料被抛出如图所示,并爆炸式地飞溅到工作液中,迅速冷凝,形成固体的金属微粒,被工作液带走。在放电结束后,由于流体动力的作用,熔化的材料还会抛出。因为放电过程产生的由放电通道高温气体分子团形成气泡,在一次脉冲放电结束后,液体的运动惯性还会使气泡继续扩展的因素加上残余蒸汽冷凝的因素,致使气泡内的压力急剧下降,甚至低于大气压形成局部真空。这使高压力下溶解在熔融材料中的气体和低压时材料再沸腾的气体又一次喷发,把熔化金属和金属蒸汽再次抛出。大连理工大学硕士学位论文抛出的材料绝大部分以液相进入介质液体中,由于熔化材料的表面张力的内聚力作用,这些电蚀产物一部分进入介质液体中,成了球状颗粒直径在之间。另一部分溅射至电极表面,还有少部分在飞溅中相互碰撞和粘附形成电极材料相互包容的颗粒。只有极少部分由气态金属冷凝成中空球状金属颗粒。工作介质消电离随着脉冲电压的结束,脉冲电流迅速降为零,标志着一次脉冲放电结束,但为了保证下一次放电的正常进行,需要一段时间使工作介质消电离,即放电通道中的带电粒子复合为中性粒子,恢复本次放电通道处工作介质的绝缘强度图所示,以免总是在重复在同一处发生放电丽导致电弧放电。这样保证在两极相对最近处或电阻率最小处形成下一处击穿放电通道。紧接着,在保持工具电极与工件之间恒定放电间隙的条件下,下个脉冲电压又在两电极相对接近的另一点处击穿,产生火花放电,重复上述过程。最后加工出与工具电极形状相对应的形状来。虽然每个脉冲放电蚀除的金属量极少,但因每秒有成千上万次脉冲放电作用,能够电蚀出较多的金属,具有的一定的生产效率。混粉电火花加工原理韫粉微粒的作用妻电火花加工时,由于极间放电间隙很小,纯煤油工作液中可以认为极间电场是均匀电场。当混入粉末颗粒后,粉末颗粒分散到工作液当中,形成胶体或悬浮液,粉末微粒的介电系数和煤油的介电系数不同,由公式,们嚣其中,岛、。分别为混合介质、煤油介质极间的电场强度,与、岛分别为混入介质、煤油的介电系数。可知,由于煤油的介电系数岛大于混入介质的介电系数局,使锝混合介质极间电场强度发生变化,因而会引起电场发生畸变】。又有公式。基于正交设计的混粉电火花加工技术仿真研究其中,、晶、分别为混合介质极间击穿电压、极间电场强度、极间间隙。可以看出,纯混入介质的煤油工作液击穿电压比煤油介质工作液的击穿电压低。这个结论在文献】中得到验证。图。是煤油工作液中和混粉工作液中的极闻电场畸变分布图,图是电火花实际加工的模型同电极相比,工件表面上有缺陷,加工介质为单一介质。其电场分布如图,可以得出,放电通道比较单一。图是混粉电火花加工的模型加工介质由一相变为多相。以两相为例,可以发现,其电场畸变非常多。根据电场理论分布在电场中的导体为等势体。有资料指出,只要粉末颗粒分布足够均匀,其放电通道可以有许多条,并且是按级数增长的,这就使放电能量大大细化,可以得到较低的表面粗糙度【】。当然,这牙中理论还有许多不足之处,有待于进一步的研究。萎警通电加了舞阅解柳鳜嗍混粉珊礴淹船工鳓聊喃电鳙势常豳图两种极间放电电场分布图电场的畸变给放电状态带来明显的变化放电间隙增大具有导电性的粉末颗粒的加入使得工作液介质的介电系数增大,降低了工作液的抗击穿能力,使得放电问间隙增大。应用连续媒质电动力学理论。如果媒质是粉末与煤油的混合物,假定粉末粒子是球形的,文献口】给出了介电系数的计算公式艏等警式中三为混粉工作液的粉末浓度鲈,每、岛工作介质煤油、粉末粒子的介电系数。大连理工大学硕士学位论文由于导电粉末颗粒、等的介电系数晶远大于介质煤油的介电系数与,则合增大,因此混粉工作液中的极问介质抗击穿能力大大降低,工作液也变得容易击穿【】。从而使在相同击穿电压作用下,混粉工作液中的极间放电间隙大于普通工作液中的极间放电间隙,一般为两倍以上。放电通道变粗放电间隙增大使放电通道变粗,放电通道中的载流子主要为电子,放电时电子首先从工具电极负极表面逸出并在电场的作用下向工件表面运动,运动中不断和工作液中的极性分子及粉末微粒碰撞,使它们获得能量并释放出更多的电子,致使放电通道逐渐变粗,形成“喇叭”形。显然,放电间隙越大,电子运动路径越长,碰撞出的电子数越多,放电通道的喇叭口也越大。而对于常规电火花加工,由于放电间隙小,放电通道无法得到充分扩张,从而在工件表面形成作用面积小而能量密度大的热源,最终使工件表面的放电蚀坑面积小而深度大。图为两种介质中所形成的放电蚀坑的解释模型【】。聱氆奄威藏瓤五图放电凹坑的比较除了上述变化之外,微粒的