（机械制造及其自动化专业论文）基于气体介质的超声振动辅助放电铣削加工技术仿真研究.pdf

摘要 摘要 基于气体介质的超声振动辅助放电铣削加工技术是采用简单形状的薄壁管状 工具电极，以气体作为工作介质并辅助以超声振动的一种新型的电火花加工技术。 该技术具有在煤油中电火花加工所没有的出色加工特性，具有加工效率高、工具 电极损耗较低、绿色环保，安全可靠等优点。 本课题结合传统电火花铣削工艺特点，提出了一种新型的超声振动辅助气中 放电铣削加工工艺。此工艺采用基于分层制造原理的电火花分层铣削技术，不仅 具有柔性好、适用范围广等特点，而且具有电极损耗检测及补偿简单的优点。 本文首先研究了基于气体介质的超声振动辅助放电铣削加工机理，然后主要 对超声振动辅助气体介质中放电铣削加工技术进行仿真研究。 进行了超声振动辅助气体介质中放电铣削加工材料去除基础理论的研究，分 析影响材料去除的因素及影响规律。在理论分析的基础上进行超声振动辅助气体 介质中放电铣削加工技术的实验研究，总结实验数据验证理论分析结果。 利用o p e n g l 图形标准在v i s u a lc 抖6 o 环境下开发超声振动辅助气体介质中 放电铣削加工过程的计算机模拟程序。所开发的应用程序界面友好，加工过程模 拟效果逼真。 应用b p 神经网络，在v i s u a lc + + 6 0 环境下编写加工工艺仿真系统，对超声 振动辅助气体介质中放电铣削加工效果进行预测及对加工工艺参数进行优化，实 现了预测结果与模拟软件加工场景显示的链接。仿真结果与实际加工状况相吻合， 具备较好的实际应用效果。 关键词电火花加工：气体介质；铣削；o p e n g l ；人工神经网络 + 国家自然科学基金资助项目( 编号：5 0 5 7 5 1 2 8 ) 山东大学硕士学竹论文 a b s t r a c t u l t r a s o n i cv i b r a t i o ne l e c t r i c a l d i s c h a r g em i l l i n g ( u e d m i l l i n g ) i ng a si sa n e w - t y p ee d mt e c h n o l o g yt h a tu s i n gs i m p l et h i n - w a l l e dp i p ee l e c 订o d ea n dc a r r y i n g o u ti ng a sm e d i u m t h i st e c h n o l o g yh a sm a n ya d v a n t a g e st h a nc o n v e n t i o n a le d mi n k e r o s e n em e d i u m , s u c ha sh i g h e rm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，l o w e rt o o lw e a l r a t e ，a n dl e s s e n v i r o n m e n tp o l l u t i o na n ds oo n u e d - m i l l i n gi ng a si sp r o p o s e dt h r o u g hc o m b i n i n gu l 仃a s o n i cv i b r a t i o ne l e c t r i c a l d i s c h a r g em a c h i n i n g ( u e d m ) i ng a sa n dc o n v e n t i o n a le d - m i l l i n gi nk e r o s e n em e d i u m t h i sp r o c e s si sf o u n d e do nt h ep r i n c i p l eo fl a m i n a t e dr e m o v a l i tn o to n l yh a s a d v a n t a g e so fg o o df l e x i b i l i t y , h a n d l e - a b m 吼b u ta l s oi se a s yt om e a s u r ea n d c o m p e n s a t et o o le l e c t r o d ew e a r i nt h i sp a p e r , t h em e c h a n i s mo f u e d m i l l i n gi ng a si sf i r s te x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d t h e nt h ew h o l e m a c h i n i n gp r o c e s so f u e d m i l l i n gi ss i m u l a t e d t h em a t e r i a lr e m o v a lm e c h a n i s mo fu e d m i l l i n ga n df a c t o r st h a ta f f e c tm a t e r i a l r e m o v a lr a t ea r es t u d i e d ，a n dl a w so fh o wt h e s ef a c t o r sa f f e c tm a t e r i a lr e m o v i n ga r e a l s oc o n c l u d e d u e d m i l l i n ge x p e r i m e n t sa l et h e nc a r r i e do u tt ov e r i f yt h e s et h e o r e t i c a l a n a l y s i sc o n c l u s i o n s g e o m e t r i c a ls i m u l a t i o ns o f t w a r ew i t hf r i e n d l yi n t e r f a c ei sr e a l i z e db ya p p l y i n g o p e n g l ( ah i g h - p e r f o r m a n c e3 dg r a p h i c a li n t e r f a c e ) i nv i s u a lc 抖6 0e n v i r o n m e n t f a c t o r s ，s u c ha sd i s c h a r g ev o l t a g e ，d i s c h a r g ec u r r e n t ，p u l s ed u r a t i o n , p u l s ei n t e r v a l ， g a sp r e s s u r e ，a m p l i t u d e ，s e r v ea sm e m b e r so ft h ei n p u tl a y e r , a n dm a c h i n i n gr e s u l t s ( m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，t o o lw e a rr a t e ，s u r f a c er o u g h n e s s ) a r ef o r e c a s t e ds u c c e s s f u l l y t h r o u g ht h e mb yu s i n ga r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ( a n n ) i ti sf o u n dt h a t , w i t hb p a l g o r i t h m , t h et r a i n i n gt i m ei sq u i 钯s h o r ta n dt h es i m u l a t i o nr e s u l ti sp r e c i s e k e y w o r d se d m ；g a sm e d i u m ；m i l l i n g ；a n n ；o p e n g l + s u p p o r t e db yt h en a t i o n a ln a m m s c i e n c ef o u n d a t i o no f c h i n a ( n o - 5 0 5 7 5 1 2 8 ) i i - 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：三哔 日期：- 2 婴出 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：j 纽盘乒导师签名：蕴蹲日期：出j 8 1 1 电火花加工技术简介 1 1 1 电火花加工 第1 章绪论 电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a ld i s c h a r g em a c h i n i n g ，简称e d m ) ，其放 电加工的材料腐蚀机理主要是依靠电极和工件间的一系列离散的脉冲性火花放电 将电能转化为热能而实现的；脉冲放电时，会在阴极和阳极之间形成一个等离子 通道，温度高达8 0 0 0 1 2 0 0 0 ，有时甚至能达到2 0 0 0 0 ，使两极表面的材料熔 化以达到对工件的尺寸、形状及表面质量预定的加工要求【1 一。 e d m 的起源最早可追溯到1 7 7 0 年，英国化学家j o s e p hp d e s t l y 发现了放电火 花的腐蚀作用【2 】。然而直到1 9 4 3 年，才由前苏联科学院电工研究所的拉扎连科夫 妇研制出利用电容器反复放电充电原理的世界上第一台实用化的电火花加工装 置，并申请了专利【1 1 。经过半个多世纪的发展，电火花加工已成为一种重要的加工 手段，它在机械、宇航、电子、仪器、轻工、汽车等领域发挥着越来越重要的作 用。在某些领域，比如在难加工材料及复杂形状零件的加工上，电火花加工已经 成为不可替代的加工方法。近年来，随着现代科学技术的不断进步，尤其是进入 2 0 世纪9 0 年代后，随着信息技术、网络技术、航空航天技术、材料科学技术等高 新技术的发展，电火花加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展【3 - ”。 1 1 2 电火花加工的特点 ( 1 ) 适合于难切削材料的加工由于加工中材料的去除是靠放电时的电热作 用实现的，材料的可加工性主要与材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点、 比热容、热导率、电阻率等有关，而与其力学性能( 硬度、强度等) 几乎无关。可 以实现用软的工具( 工具材料多采用纯铜和石墨) 加工硬韧工件，甚至可以加工聚 晶金刚石和立方氮化硼等超硬材料。 ( 2 ) 可以j m - r 特殊及复杂形状的零件由于加工过程中工件和工具不直接接 触，没有机械加工的切削力，故可以加工低刚度工件和进行微细加工；由于可以 将简单的工具形状复制到工件上，故可以适用于复杂表面形状的加工；数控技术 使得用简单电极加工复杂形状的工件成为可能；工具电极材料用不着比工件材料 硬，因此，工具电极制造容易。 ( 3 ) 易于实现加工过程自动化由于是直接利用电能加工，而电能、电参数 较机械量更易于实现数字控制、适应控制、智能化控制和无人操作等。 ( 4 ) 可以改进结构设计，改善结构的工艺性可以将拼镶结构的硬质合金冲 模改为用电火花加工的整体结构，减少了加工工时和装配工时，提高了工作可靠 性，延长了使用寿命，降低工人劳动强度1 6 】。 ( 5 ) 不会影响被加工材料的性能脉冲放电持续时间较短，放电所产生的热 量来不及扩散，因而材料被加工表面受热影响的范围较小，不会引起被加工材料 性能的变化。 1 1 3 电火花加工的局限性 ( 1 ) 主要用于加工金属等导电材料但近年来的研究表明，在一定条件下也 可以加工绝缘体( 如绝缘陶瓷等) 1 7 - 1 1 l 和聚晶金刚石等非导电超硬材料。 ( 2 ) 7 j 口- r 速度一般较慢但最近研究结果表明，采用特殊水基不燃性工作介 质进行电火花加工，其生产率甚至不亚于切削加工。 ( 3 ) 存在电极损耗电极损耗多存在于尖角或底面部位，影响成形精度。但 最近的机床产品在粗加工时己能将电极相对损耗比降至l ，甚至更低。 ( 4 ) 加工表面有变质层甚至微裂纹【1 2 ”】电火花加工过程中，在火花放电的 瞬时高温和工作液的快速冷却作用下，材料的表面层发生了很大的变化，粗略的 可以分为白层和热影响层。 1 1 4 电火花加工的应用范围 由于电火花加工有许多传统切削加工所无法比拟的优点，因此其应用范围日 益扩大。目前这一工艺技术已广泛用于加工淬火钢、不锈钢、模具钢、便质合金 等难加工材料，用于加工模具等具有复杂表面或有特殊要求的零部件，在航空航 天、机械( 特别是模具制造) 、电子、电机电器、精密机械、仪器仪表、轻工等行 业中获得愈来愈多的应用，已成为切削加工的重要补充和发展【1 4 1 ，加工范围已达 到小至几微米的小轴、孔、缝，大到几米的超大型模具和零件。 1 2 电火花加工技术的研究现状 作为先进制造技术的一个重要分支，自从2 0 世纪4 0 年代开创以来，历经半 个多世纪的发展，电火花加工技术已成为先进制造技术领域不可或缺的重要组成 部分，取得了许多新的进展，主要表现在突破了许多传统观念的束缚，产生了一 些新的加工工艺：电火花加工不仅可以在绝缘工作液中实现，也可以在气体中进 行；不仅可以加工导电材料，也可以加工非导电材料，这些成果大大扩展了电火 花加工这一技术的应用领域。 1 2 1 电火花加工基础理论研究现状 在电火花加工基础理论研究领域， 放电间隙物理状态和放电过程的研究， 究成果值得注意。 由于放电过程的复杂性、随机性，人们对 近几年未取得突破性进展，但仍有一些研 印度的a j i ts i n g h 和a m i t a b h ag h o s h 通过大量的研究得出旧，短脉冲( 脉宽小 于5 呻) 放电加工中，材料的去除主要依靠作用在工件表面的静电力；但对于长脉 冲( 脉宽大于l o o p s ) 放电加工，材料的熔化是材料去除的主要原因。 c c o g u n 发现工件和工具电极的蚀除主要发生在脉冲放电的前2 0 0 n s ，大约占 整个脉冲放电阶段的1 5 t 1 6 1 。 瑞士学者b e m dm s c h u m a c h e r 把介质的击穿归结为高电流引起放电间隙中粒 子桥的蒸发【1 7 1 。同时提出，放电点的位置取决于电极去除产物( 加工屑) 以及上一 次放电产生的通道。材料的去除主要集中在击穿初始的蒸发阶段以及放电点的瞬 时沸腾引起熔融材料喷射的阶段。 澳大利亚的yc h e n 和s m m a h d i v i a n 对电火花放电加工过程进行了系统地 分析，建立了放电加工中材料去除率和加工表面粗糙度的理论模型，推导出材料 去除率公式，公式表明材料去除率随着放电电流、脉冲宽度的增加而增加，随着 脉冲间隔的增加而降低0 8 1 。 日本的m a s a n o r i k t m i e d a 和t e m k i k o b a y a s h i 使用沉积了不同厚度碳层的铜做 电极在油性介电液中进行放电加工，通过测量放电通道中工具电极材料蒸汽的浓 度，证明了“碳层的沉积会使工具电极损耗降低”，并对“短脉冲或负极性h n - r 时电极损耗较高”作出了解释【1 9 】。 西北民旗大学的马燕副教授把材料腐蚀的空间特性与脉冲放电的时间特性统 一起来对电火花加工的机理进行描述【2 0 】：两极经过一次脉冲放电时，放电通道是 一个在间隙空间内作微观移动的直径极小的等离子柱，其阳极呈高频振荡状态， 阴极呈高频跳跃状态 上海交通大学的亓利伟等人研究发现 2 1 】，在脉冲放电持续期间，放电通道的 位置和形状并非一成不变。放电通道中的等离子体很容易受干扰而产生剧烈震荡， 使放电通道出现扭折，表现出波动特性。 北京航空航天大学的周勇、刘正埙教授认为 2 2 1 ，采用负极性进行电火花加工 时，工具电极的损耗主要是由于火花放电前几百纳秒出现的电子流对工具表面的 轰击造成的，并指出所造成的工具损耗仅与脉冲电压、电流及极间介质常数有关。 燕山大学的苏景云高工对电火花加工中的火花放电现象给出了b o l a r 量子论解 释田1 ，同时他还从量子力学隧道效应角度解释了电火花加工的放电机理例。 1 2 2 气体介质中的放电s a - r 一般认为，绝缘性工作液( 如煤油或去离子水等) 在电火花加工中是不可替代 的，其在加工中所起的冷却、排屑和压缩放通 道等作用使电火花加工得以稳定、可靠地进 行。1 9 9 7 年，日本东京农工大学的国枝正典 教授0 5 蚓创造性地提出了气体介质中的电火 花加工方法，使用管状电极进行电火花逐层扫 描铣削加工发现：气中放电加工的材料去除率 不低于采用煤油基工作液的材料去除率，且在 任意脉宽下，气中放电加工的工具电极损耗极 低，几乎为零。日本s o d i c k 公司的z h a n b o y u 等2 1 开展了气中电火花铣削加工硬质合金工 图i - 1 气中放电加工装置图 件的实验( 如图i 1 ) ，结果也表明氧气中的电 火花加工材料去除率和加工精度比煤油基工作液中的高。 哈尔滨理工大学的王彤教授2 8 1 率先在国内开展了d r y - w e d m 的研究并取得 了较好的效果。山东大学的张勤河教授 2 9 - 3 1 采用气中放电加工和工件的超声振动 复合的加工方法，实验结果表明超声波振动能够有效地克服了单纯气中放电加工 中的易短路和加工效率低的问题。哈尔滨工业大学的李立青【3 2 1 结合放电理论，从 电子的碰撞电离、介质的击穿、放电通道的形成及扩展等角度对气体介质的放电 加工机理进行分析。上海交通大学的顾琳博士、赵万生教授等人鲫综合了传统电 火花加工、气中放电加工及电火花铣女4 加工的优点，采用高压雾气作为工作介质， 提出了喷雾电火花铣削加工，该方法可以有效冷却电极，提高加工效率。 1 2 3 微细电火花加工技术 微细电火花加工的研究起步于2 0 世纪6 0 年代，目前，应用电火花成型加工技 术已可稳定地得到尺寸精度高于o 1 岫、表面粗糙度r 且小于0 o l m n 的力n z 表面。 1 9 8 4 年，日本东京大学生产技术研究所的增浞隆久教授研制出线电极电火花 磨削技术【3 4 i ，使微细电火花加工技术进入了实用化阶段。1 9 9 7 年7 月，日本东京 大学增浞隆久、余祖 元等人利用简单形 状的微细电极，制作 出了长o 5 m m 、宽 0 2m m 、深0 2 m m 的微型汽车模具，并 制作出了微型汽车 模型 3 5 l 。瑞士的 图1 。2 直径5 微米的微孔图l - 3 微细电极试样 c h a r m f l l s 公司、日本的松下精机已经研制出了商品化的微细电火花加工机床，其 机床产品能稳定加工出2 5 “m 的微细轴和5 岫1 的微细孔”，代表了当前这一领 域的世界先进水平，图1 - 2 为加工样 件照片。2 0 0 4 年，日本的m m o m y a m a z a k i 等人提出利用圆柱形电极自 钻的原位孔制作微细圆柱电极的加工 方法鲫，图i - 3 是用这种方法加工出 的直径为1 9 5 岫，长为4 1 8 n 的超 大长径比的微细圆柱电极。 我国生产的数控高速电火花小孔 图1 - 4 微细电火花铣削加工的人脸试样 加工机的工艺指标己达到国际先进水 平，加工的小孔深径比已超过1 0 0 0 ：1 ，可加工不锈钢、硬质合金等各种导电难加工 材料。哈尔滨工业大学的赵万生教授开发了一台融合了微细电火花加工、超声振 动、线电极在线电火花磨削单元、在线测量单元的电火花加工机床口钔，可以成功 地在钛合金工件上加工出直径小于0 2 m i n ，深径比高于1 5 的微孔。哈尔滨工业大学 的李文卓用自制的微细电火花加工原理样机加工出声4 5 “m 的微细轴和8 岬的微 细孔眇j 。哈尔滨工业大学的杨洋博士利用微细电火花铣削方法在长轴1 w _ m 的椭圆 截面上加工出人脸浮雕的自由曲面 柏1 ( 如图1 4 所示) 。 1 2 4 电火花铣削加工技术 在国外，日本在电火花铣削加工技术方面的研究开展得比较早，也较为活跃。 增浞隆久等人利用简单电极进行了三维微细电火花加工研究。为了减少棒状电极 的边角损耗而造成电极损耗不均的难题，采用了电极底面放电的加工方式。并在 实际加工中取得了良好的效果。日本三菱电机公司的研究人员也采用了电极底面 放电的加工方式来进行微细加工，并将此技术用于该公司的机床中【4 ”。 国枝正典教授等人将气体介质中的电火花放电加工工艺应用于三维铣削加 工，采用适当的电极运动方式，加工出一个带锥度的方孔，经2 2 5 n f i n 力l 工完成后， 电极的损耗仅为0 6 5 口5 1 。 英国的d u f f i l l 和土耳其的b a y r a m o 酉u 对电火花铣削加工的如下工艺进行了研 究：主轴转速对材料去除率、电极相对损耗以及表面粗糙度的影响，走刀路径和 进给步距对材料去除率和电极相对损耗的影响，铣削加工后工件表面的显微特性 和微观硬度以及铣削加i 的效率和费用等。从加工中工件材料去除量、成型电极 费用和产品批量等方面综合考虑，他们认为采用棒状电极的铣削加工只适用于小 批量的粗加工和半精加工场合【4 2 】。 、 比利时学者p b l e y s 等人在电火花逐层铣削加工时【4 3 j ，通过检测放电脉冲来间 接实时检测电极损耗，并采用预先损耗补偿和实时损耗补偿相结合的方法对电极 长度进行补偿，这样，即使加工轨迹上的工件表面不平整，加工后仍旧可以得到 平整的底面。 国内方面，四川大学的罗文、李翔龙等 4 4 1 在对电火花铣削加工过程的分析的 基础上，提出了将其划分为两个阶段，即型腔侧面轮廓加工和底面加工，同时建 立了侧面轮廓和底面加工的电极损耗和补偿数学模型，简化了放电状态的检测和 电极补偿运动，实现了加工过程的连续和自动化。 南京航天航空大学的周勇、刘正埙教授4 6 1 较为系统地研究了电火花铣削加 工中的加工参数对主要工作指标的影响，加工表面的完整性以及积碳层特征等工 艺规律，同时对电火花铣削的c a d c a m 技术以及电极损耗的在线补偿技术也进行 了研究。 1 2 5 电火花加工新工艺 任何一种实用的制造技术最终都要体现在工艺上，工艺方法的不断完善与实 用化表征了该技术的生命力与存在价值。电火花加工工艺是电火花加工技术研究 很活跃的一个领域，以下将介绍两种最新出现的电火花加工工艺。 f u z h uh a n 和m a s a n o dk u n i e d a 开发了并行火花放电加工的方法 4 7 1 ：原来的一 个电极被分成几个子电极，每个工具电极之间相互绝缘，并分别通过一个二极管 与脉冲发生器相连，工件电极和每个工具电极的支路都并联一个电容。理论上讲， 电容的一个充放电周期内，火花放电的次数应该等于所分电极的数目。而传统e d m 中，每个脉冲只能产生一次火花放电，所以与传统e d m 相比，并行火花放电加工 可以显著提高材料去除率。由于放电并不是集中在同一个电极上，所以放电点较 为分散，提高了加工稳定性。实验证明，脉冲间隔低于3 0 邺时，传统e d m 加工 变得不稳定，而并行火花放电加工仍很稳定，加工的表面质量也就相应提高。 加拿大的a c u r o d e a u 和m r i c h a r d 提出了一种新型型腔e d m 加工方法j ： 在以空气为介质的e d m 精加工过程中，用热塑聚合材料电极代替了常用的石墨电 极。首先将熔化了的热塑聚合材料( 导电) 注入铣削加工得到的型腔中，把电极架 凼幽一薛 铣削精加工电极压铸 电火花加工 成品 图1 - 5 热塑电极气中放电加工原理图 山东大学硕十学位论文 ( 装夹在进给伺服机构上) 插入其中，完全凝固后，将电极架向上微微抬起( 距离应 为放电间隙) ；进行e d m 加工，电极损耗到一定程度后便再次进行压塑，只不过 此时是通过用强电流使电极部分熔化，然后压塑铸模，获得的电极的表面质量更 好，将这个新的电极用于e d m 加工( 原理图见1 5 ) 。如此重复，便可获得较高的 加工表面质量：重复3 次便可将租糙度为兄4 4 9 m 的表面修正到见3 6 u a 。 1 3 电火花加工技术的发展趋势 电火花加工技术是工业生产中很重要的一个加工手段，相对其它传统加工技 术而言其发展历史并不长久，对其加工机理与适用范围的研究还不充分，这给该 技术的研究和发展提供了巨大空间，也是该技术成为目前研究热点之一的原因。 未来几年，必定会有更多新的电火花加工技术和理论涌现。另一方面，电火花加 工技术的发展离不开相关技术的支持，随着电子技术、材料技术和计算机技术等 的发展，电火花加工技术在未来的制造领域将发挥更大的作用。 通过对电火花加工技术基础理论知识的学习及国内外相关文献的阅读，可以 从以下几个方面来总结电火花加工技术的发展趋势： ( 1 ) 新的电火花加工工艺和理论不断涌现。借助现代化的研究手段，人们对 电火花加工技术的研究正向更深层次发展，新的工艺方法不断涌现，电火花加工 技术的应用领域不断地迅速拓宽。 ( 2 ) 电火花加工工艺的高效化、精密化、微细化、绿色化。 ( 3 ) 电火花加工装置、尤其是电极驱动机构的小型化，使电极进给驱动系统 的惯性得以大幅度减小，必将更好地发挥电火花加工技术的工艺特 4 9 1 。 ( 4 ) 计算机仿真技术在电火花加工机理的研究方面发挥越来越大的作用。利 用计算机仿真技术进行工艺效果的预测和加工参数的优化，进行工艺规律的研究， 使电火花加工系统向智能化发展。 ( 5 ) 加工过程的智能控制。由于电火花加工是在复杂环境下基于复杂任务对 复杂对象的控制，自适应控制系统已不能满足自动化加工的要求，因此需要建立 多输入、多输出的控制系统，智能控制将是解决此类复杂问题的有效途径。加工 过程的智能控制主要包括三方面内容：人工神经网络、模糊控制、专家系统。 ( 6 ) 探索开发新型的加工介质。借助于新型的加工介质，可以进一步提高加 工效率和加工表面质量，降低工具电极的损耗。 - 8 - ( 7 ) 将电火花加工与其它一种或几种加工方式结合，探索新的复合加工方法。 ( 8 ) 现代制造模式的渗透。人工智能技术、网络制造、绿色制造、敏捷制造 等新概念正逐渐渗透到电火花加工领域中。 1 4 课题研究的目的及意义 目前，世界上电火花加工总的发展趋势是研究开发高效、优质、低损耗、无 污染的绿色电火花加工技术和设备，另外，将传统的电火花加工技术同其他一种 或几种加工技术结合形成新的复合加工技术进行研究将是今后一段时间内的研究 重点。本课题提出的基于气体工作介质的超声振动辅助放电铣削加工技术新理论 研究和技术开发，具有以下特点： ( 1 ) 以高压气体为工作介质，比较容易实现，且对环境友好。 ( 2 ) 超声辅助振动有利于改善加工区的气体流场，有利于电蚀产物的排除， 有利于降低短路率，提高加工效率。 ( 3 ) 摆脱了液体介质的束缚，不受工件空间位置的限制，可实现全方位加工。 ( 4 ) i 具电极简单。 随着计算机功能的不断增强，c a d c a m 技术发展十分迅速，带来了制造业的 巨大革命。从产品设计到加i 的整个过程，应用计算机进行信息处理，不仅可以 大大缩短设计和加工制造周期，还可以降低研究成本，节省人力物力，提高加工 试验和调试过程的安全性，提高了研究效率。通过计算机仿真技术可以直观、快 捷地了解加工机理和加工现象，在工艺效果的预测、工艺参数的优化以及加工机 理的研究等方面具有十分重要的意义。 1 5 课题来源及主要内容 课题研究依托国家自然科学基金资助项目：超声振动辅助气中放电加工技术 研究( 项目编号：5 0 5 7 5 1 2 8 ) 。 本课题采取了理论分析与实验研究相结合的方法，以理论分析作为实验研究 的指导，以实验研究结果作为验证理论分析的手段和优化加工参数的依据。 本课题的主要内容是对超声振动辅助气体介质中放电铣削加工进行理论研究 和实验研究，并建立基于分层去除制造的超声振动辅助气体介质中放电铣削加工 的计算机仿真系统，研究内容主要分为以下几个方面： 第2 章电火花铣削加工技术 第2 章电火花铣削加工技术 电火花铣削加工( m i l l i n ge d m ) 技术是2 0 世纪9 0 年代后发展起来的电火花成 型加工技术。它采用简单形状的棒状或薄壁管状电极，在数控系统的控制下，配 合工作台及主轴按一定的轨迹作成型运动，逐层地去除多余的工件材料，最终实 现复杂零件的加工。它克服了传统电火花成型加工需要制作成型电极的缺点，减 少了生产准备时间，降低了生产成本，具有很高的柔性。 电火花铣削加工技术的出现被称为电火花 ；n - r 技术发展史上一个重要的里程 碑，给电火花成型加工提供了一个崭新的思路，给传统的电火花成型加工带来了 巨大的变化：首先，省去了成型电极的设计与制造过程，简化了电火花加工的工 艺流程；其次，由于是简单电极在数控系统控制下进行走刀加工，加工质量和加 工稳定性将大大提高，使得现代飞速发展的c a d c a m 技术、柔性制造技术、网 络制造技术等能更好地融入到电火花加工中电火花铣削加工技术已经成为三维 型腔电火花加工的有力手段之一 与传统电火花成型加工相比，电火花铣削加工技术具有如下优点： ( 1 ) 电火花铣削加工可以解决传统成型加工有困难、甚至无法加工的任务。 如加工由复杂圆弧直线组成的又长又深的窄槽。 ( 2 ) 电火花铣削过程中，可有效地解决由于采用复杂形状成型电极而造成的 电极损耗不均匀及加工间隙中工作介质流场不稳定等问题，并大大地简化电极损 耗的补偿策略。 ( 3 ) 在电火花铣削加工过程中，电极高速旋转以及相对放电位置的不断改变 等都可以改善放电条件，从而使得加工稳定，可以有效避免电弧放电和短路现象 的产生。 ( 4 ) 在传统的成型加工中，随着加工面积的增大，由于电容效应的作用，很 难获得较高的表面质量。而采用简单电极的电火花铣削加工，则可在保持相对较 小加工面积的状态下进行加工，从而可有效地减d , e g 容效应，获得更好的表面质 量。 2 1 电火花铣削加工的几种形式 图2 - i 是几种典型的电火花铣削加工示意图，图a ) 、b ) 、c ) 、d ) 采用圆柱电 极，加工中电极可以高速旋转。图e ) 、f ) 分别采用线框电极和板状电极进行加工， 加工时电极不旋转，前者可用于有大量工件材料需要去除的加工场合，后者可利 用旋转分度轴进行数控分度加工。 眵 a ) 外轮廓加工 b ) 型腔加工 c ) 沟槽加工 d ) 曲面加工e ) 线框电极加工 f ) 板状电极加工 图2 - i 电火花铣削加工的几种形式 2 2 电火花铣削加工中的电极损耗 2 , 2 i 材料去除率 材料去除率亦称为加工速度，一般采用体积加工速度( m m 3 m 硒来表示， 即被加工掉的体积( 删n 3 ) 除以加工时间f ：= t ：有时为测量方便，也采 用质量加工速度，单位为g m i i l 。 第2 章电火花铣削加工技术 2 2 2 工具相对损耗率 实际加工中，常采用相对损耗率作为衡量工具电极耐损耗的指标1 5 0 1 。即： 口= 瞻1 0 0 ( 2 - 1 ) 又： = i t = & t ( 2 - 2 ) 啊= t = 昂t ( 2 - 3 ) 将式( 2 - 2 ) 及( 2 3 ) 代人式( 2 - 1 ) ，可得棒状电极加工直壁型腔时的相对体积损 耗比 8 = s e k s r k 旺蛳 故 = 占昂品 ( 2 5 ) 式中：v 。工具损耗速度； 啊加工速度； & 电极横截面积； 以电极损耗长度； 品型腔横截面积； 型腔加工深度。 传统的电火花成型加工时，品= 品；在电火花铣削加工中，昂大于( 甚至数 倍于) & 。由式( 2 ，5 ) 可知，在电极损耗比相同的情况下，加工相同深度的型腔， 采用电火花铣削加工时电极损耗的长度矗蹴捌 护比采用传统的电火花成型加工 时电极损耗的长度囊眦型= 口大得多所以在没有补偿的情况下，电极损耗所造 成的加工形状误差也大得多。可以认为，在电火花铣削加工中，型腔与电极截面 积之比对电极损耗产生的误差起到了放大作用，它加大了电极损耗对加工精度的 影响。 由于本课题采用的是超声振动气体介质放电铣削加工方式，此方式的最大优 点就是电极损耗极低( 见3 3 2 2 节) ，故而实验过程中可以不必考虑电极损耗补偿。 2 3 基于分层制造原理的电火花铣削加工技术 受快速原型制造技术( r p m ) 的逐层增材原理的启发，将分层制造的思想应用 到电火花铣削加工中，采用分层去除h n i ( l a m h m t e dr e m o v mm a n u f a c t u r i n g ，简称 l r m ) 的方法，代替分层增材的方法，就可以将对三维立体的加工转换为对二维平 面的加工，大大简化了加工工艺。 e d m 分层铣削加工是利用简单的圆柱或方形电极，通过电极底面放电的方式， 借鉴数控铣削方式进行扫描而实现逐层去除材料。由于电火花加工本身的特殊性 。 ( 如电极损耗、放电过程的稳定性等) ，使得该技术的关键集中体现在层面本身的 制造精度和层面之间的平滑过渡上，此时，电极的损耗规律以及检测与补偿策略 就显得尤为重要，另外一关键点就是c a d c a m 技术，特别是电火花铣削加工的 自动编程技术。 2 3 1 电极底面放电方式 按照图2 2 ( a ) 所示的型腔分层方式，利用薄壁管状电极底面放电的方法，一层 一层地去除多余的材料。采用这种方式，可以充分发挥机床的数控功能及相应的 分层信息处理技术，同时可将放电过程局限在电极底面，从而简化电极损耗的补 偿。对于三维型面而言，其加工表面轮廓是由一系列二维平面叠加而成，因此在 加工表面不可避免地存在微小台阶形误差。为减小这种误差，一方面可以减小分 层厚度，另一方面可以对加工厚度进行适当合理的规划。 减少分层厚度是提高分层加工精度最为常用和有效的措施，但其带来的另一 直接后果是加工效率的降低。因此在分层电火花加工为兼顾加工精度和效率，应 在粗、精加工中采用不同的分层厚度。 b 、 气流 图2 - 2 型腔的分层去除加工过程 超声振动辅助气中放电铣削加工时应尽可能使用较薄的管状工具电极，l 司时， 第2 章电火花铣削加工技术 按图2 - 2 ( b ) 所示的电极底面放电方式进行加工，并且加工时的分层厚度保持在微米 级，可以将最大程度的降低倒钝圆角形成，保证加工成型精度；亦可使放电间隙 保持均匀，并且有速度足够高的气流，以便及时排除放电间隙中的电蚀产物，保 证加工过程顺利进行。 2 3 2 电极运动轨迹规划 在基于分层制造原理的电火花铣削加工中，电极运动轨迹的合理规划是实现 分层电火花铣削的关键，是提高加工精度的重要措旖。 2 3 2 1 纵截面上电极的运动轨迹规划 在基于电极底面放电的电极等损耗分层电火花铣削加工中，如果没有电极损 耗的补偿，则随着扫描运动的继续，加工表面将由于电极长度的减小而出现斜度。 为减小加工误差，在分层电火花加工中，其相邻两层面的加工应采用往复运动方 式，即下一次走刀将沿原路返回。这样可以有效地消除因电极损耗而造成的加工 斜度，其原理可用图2 3 表示 一 1 曲相邻加工层纵截面 b ) 电极在纵截面上作往复运动 图2 - 3 分层式电火花加工中相邻两层面加工电极往复运动示意图 相邻层面间电极的往复运动形式，对于简化程序设计、提高层面的加工精度 是十分有利的。但在复杂三维曲面的分层电火花加工中，由于每一层的加工面积 均会有所不同，完全的轨迹往复是难以实现的。因此，为提高加工精度，还应在 电极往复运动的基础上进行电极损耗的在线补偿。 2 3 2 2 横截面上电极的运动轨迹规划 为完成高精度的三维型面分层电火花铣削加工，电极运动轨迹的规划应以四 层为一个周期。在每一加工层面上电极运动轨迹的规划原则是：轨迹重叠、长短 结合、内外结合、往复运动( 如图2 - 4 所示) 。 在同一加工层面上，电极运动轨迹重叠是消除加工痕迹的有效措施。由于电 火花加工中，火花放电总是发生在极间间隙最小处，因此在分层电火花铣削加工 中，通过电极运动轨迹的重叠来从理论上消除残留高度时此种加工模式的必要手 段之一。 在规划层面上的电极运动轨迹时，采取图2 - 4 所示的长短结合的加工方式， 可以有效地减少轮廓侧壁边缘的加工痕迹，提高轮廓的加工精度。 弓 e ； a ) b ) c ) d ) 图2 - 4 相邻层面上的工具电极运动轨迹 采用电极底面放电形式的分层电火花加工时，在加工轮廓的侧壁边缘和中央 部分时，电极的放电状态会产生很大的区别，如图2 - 5 所示。可以看出，在加工轮 廓的侧壁边缘部位时，轮廓侧壁面的存在使得电极底面的棱边处产生较大的倒钝 圆角。采用图2 - 4 所示的内外结合的加工方式，可以在加工层面的中央部位时消除 掉加工边缘部位时产生的倒钝圆角。 a ) 加工轮廓边缘部 位时的放电状态 m 加工中央部位 时的放电状态 图2 - 5 加工轮廓侧壁和中央部位时的放电状态比较 综上所述，在分层电火花铣削加工之前，合理地规划工具电极的运动轨迹可 以有效地提高加工表面精度。可以从以下几方面归纳电极运动轨迹规划策略： 第2 章电火花铣削加工技术 1 ) 将放电集中在电极底面，电极侧面不参与放电； 2 ) 由于本课题所采用的气中放电加工方法工具电极损耗极低( 见3 3 2 2 节) ， 在加工时可以不必对电极损耗进行补偿。故在加工某一层面时，电极只作横向( ) ( 、 y ) 伺服，而不作轴向( z ) 伺服； 3 ) 分层厚度小于放电间隙； 4 ) 相邻层面上电极做往复运动； 5 ) 层面加工时，两次相邻走刀间应有轨迹重叠； 6 ) 相邻层面的电极运动轨迹应长短结合； 7 ) 加工轮廓侧壁边缘与底面中央相结合。 2 4 本章小结 本章主要研究了基于分层制造原理的电火花分层铣削技术。在实现分层电火 花铣削加工时，采用了电极底面放电的方式。在规划电极运动轨迹时以四层为一 个周期，在每一加工层面上电极运动轨迹的规划原则是：轨迹重叠、长短结合、 内外结合、往复运动。按此方式j u t 可使放电间隙保持均匀，并且有速度足够高 的气流，以便及时排除放电间隙中的电蚀产物，保证加工过程顺利进行，且具有 较高的加工表面质量。 第3 章超声振动辅助气中放电铣削加工 3 1 气体介质中的放电加工 一般认为，电火花加工只有在煤油等液体介质中才能进行，因为，液体介质 在电火花加工时所起的冷却放电间隙、压缩放电通道以及去除加工屑等作用，使 得放电加工得以稳定可靠地运行。1 9 9 7 年日本东京农工大学的国枝正典教授提出 了气体介质中放电加工技术鲫，采用薄壁管状电极，实验研究了不同气体介质中 的放电加工，证实了气中放电加工的可行性。 国枝正典教授采用了特定的n c 代码，控制工具电极按照特定的轨迹进行运动 ( 保证放电间隙有均匀的高速气流通过) ，加工出表面质量非常好的三维型腔，加 工时间为2 2 5 n f i n ，工具电极相对损耗仅为o 6 5 ，证明气中放电加工时工具电极 的损耗极低。另外还实验证明了气中电火花加工的材料去除率不低于采用煤油基 工作液的材料去除率。 国枝正典教授根据实验结果，对气中放电加工技术的优点做出了如下的简单 总结： ( 1 ) 任意脉宽下，工具电极损耗极低，几乎为零。 ( 2 ) 材料去除率较高，使用氧气作工作介质时尤为明显。 ( 3 ) 不会产生对操作人员身体及周围环境有害的废弃物，对环境友好。 国际、国内的许多学者对气中放电加工，甚至在气体介质中进行了放电铣削 加工研究，取得了不错的效果 2 7 - 3 1 1 。他们的研究结果证明了超声振动辅助气中放 电铣削加工的可行性，也为作者进行超声振动辅助气中放电铣削加工技术的研究 奠定了基础。 3 2 超声振动辅助气中放电铣削加工的基本原理 图3 - 1 所示为超声振动辅助气中放电铣削加工基本原理图。固定在主轴头上的 工具电极与固定在工作台上的工件分别与高频脉冲电源两个输出端相连接。工具 电极为如图3 2 所示的薄壁管状的简单电极( 材料是紫铜，加工时首先在c m 6 1 2 5 车床上精车，然后抛光) ，中间通以高压气体介质。工作台固定在超声变幅杆端部， 图3 1 超声振动辅助气中放电铣削加工原理图 图3 - 2 实验用薄壁管状工具电极 工件随着工作台一起作超声频振动。 在数控系统的作用下，工具电极的底面始终与被加工表面保持适当的距离， 以保证产生正常的火花放电。当脉冲电压加到两电极之上时，工具电极端部和工 件表面之间立即形成一个电场。由于工具电极与工件表面微观不平，使极间电场 分布不均匀，最终导致气体介质在绝缘强度最低处或间隙最小处击穿，形成放电 通道，在该局部产生火花放电。放电产生的瞬时高温使工件电极表面材料熔化和 气化，熔化和气化的材料在爆炸力作用下从电极表面上分离并迅速被极间高速流 动的气体介质带走在工件电极表面上形成一个凹坑。这样随着连续不断的重复 脉冲放电以及工具电极的伺服进给运动，加工轨迹上的工件材料逐渐被蚀除，进 而加工出所需的工件形状。 图3 -