（机械制造及其自动化专业论文）电火花套料加工实验及其计算机仿真的研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展和社会进步，能够使用简单形状电极加工复杂形状工 件电火花铣削加工，在2 0 世纪9 0 年代快速地发展起来。它解决了传统电火花 成形加工技术因其工具电极制造繁杂所带来的加工灵活性差的难题。 作为电火花铣削加工的一个重要的研究与应用方向电火花套料加工技 术，是使用紫铜线框电极作为工具电极，根据加工工件的形状，把它弯曲成相 应的形状，在数控系统的控制下实施三维运动，从而加工出传统切削加工和电 火花成形加工难以加工的工件，譬如采用电火花套料加工技术加工模具时，不 需对型腔材料进行整体蚀除，就可以加工出模具的型腔，同时套料加工来出的 型芯材料，还可以作为模具的型芯或派作其他的用途，从而有效地降低加工成 本和提高加工速度。但是，这项工艺方法的基本机理尚不清楚、加工精度还不 能确定，以及它的操作特性还不被了解。因此，分析放电模型或寻找套料加工 的本质、推进套料加工的实用化，成为当今电火花套料加工研究的热点。 为了弄清电火花套料加工的工艺参数与工艺结果的联系，本文首先利用科 学的数理统计方法设计正交试验，对电火花套料加工进行实验，得出了在不同 脉冲宽度、脉冲间隔、放电电流、放电时间等电参数配置条件下的电火花套料 加工的工艺效果，有利于电火花套料加工工艺参数的选择与加工工艺的仿真。 通过电火花套料加工模具的实验，证实了在普通数控电火花成形机床上采 用电火花套料加工技术加工复杂异形工件的可行性，并且弄清了该技术的操作 特性，解决了电火花套料加工模具或工件的部分难题，并将电火花套料加工技 术应用于橡胶盒模具的制造中。 为了更好地指导电火花套料加工，需要对其加工机理进行研究。本文运用 m a t l a b 7 0 1 中的人工神经网络模块，建立了电火花套料加工的工艺仿真模型。 该工艺仿真模型能够正确地反映出电火花套料加工中，工艺效果与电规准参数 的关系。因而，该模型可以在给定电参数的配置条件下，仿真出电火花套料加 工的工艺效果，以及在指定套料加工工艺效果条件下，实现其电火花套料加工 规准参数的优化选择。论文最后还分析了电火花套料加工的工艺仿真模型其预 测误差为1 0 左右的原因。 关键词：电火花加工、套料加工、人工神经网络、计算机仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t c o m p a n y i n gt h ep r o g r e s so fs o c i e t ya n dt h ed e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g y & s c i e n c e , t h et e c h n o l o g yt h a te d m m i l lc a nm a c h i n ec o m p l e xw o r k p i e c e sw i t h s i m p l ef r a m ee l e c t r o d eh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l yi nt h e1 9 9 0 s i ts o l v e st h e p r o b l e m st h a tt h ec o n v e n t i o n a le d m i sl a c ko ft h ef l e x i b i l i t yi nm a n u f a c t u r e i n d u s t r yb e c a u s eo fm a c h i n i n gt r o u b l eo fi t se l e c t r o d e e d mb a s e do nc o p p e rf r a m ee l e c t r o d ei sp a r to fe d m m i u li t se l e c t r o d ei s m a d eb yt h es i m p l ef r a m ec o p p e ra c c o r d i n gt os h a p eo fw o r k p i e c e s ；w h e nt h e p r o c e s s i n gm o v e i sc a r r i e do u tb yn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m s ，t h ep e r i p h e r a l m a t e r i a l so ft h ec a v i t yi sm e r e l yr e m o v e d ，s ot h ee d mb a s e do nt h ec o p p e rf r a m e e l e c t r o d eh a sf a s t e rr a p i d i t y 、l e s sc o s t 、l e t t e rf l e x i b i l i t yo fm a c h i n i n gw o r k p i e c e s t h a nt h ec o n v e n t i o n a le d mw i t hl e s sr e m o v a lo fm a t e r i a li nm a c h i n i n gt h ec a v i t y m o r ei m p o r t a n ta n dm o r ea d v a n t a g e o u s ，t h en e w t e c h n o l o g yc a n m a c h i n et h e c o m p l e xc a v i t y , w h i c ht h et r a d i t i o n a lm e c h a n i c a lm a c h i n i n ga n de d m c r a f tc a n t c o m p e t eo ra r ed i f f i c u l tt og e t ，f o re x a m p l e ，t h ep r o c e s so fe d m c a nm a c h i n e c o m p l e xm a l ed i ea n dc a v i t ys y n c h r o n o u s l y b u tt h eb a s i cm e c h a n i s mo fn e we d mi su n c l e a r , m a n u f a c t u r ea c c u r a c yi sv e r y d i f f i c u l tt og e t , a n do p e r a t i o n a lf e a t u r ei sn o tc l a r i f i e d s of i n d i n gt h ee s s e n c eo ft h e e d m 、p r o m o t i n gt h et e c h n o l o g y a n dc r a f tt o p r a c t i c e i nt h em e c h a n i c a l m a n u f a c t u r eh a v eb e c o m ef o c u so ft h en e we d mr e s e a r c ha tp r e s e n t t h ef o l l o w i n g w o r kh a sb e e na c c o m p l i s h e di nt h i sd i s s e r t a t i o n f i r s t l y , i no r d e rt od a r i f yt h er e l a t i o n s h i po fc r a f tp a r a m e t e r sa n dt h em a c h i n i n g c r a f tr e s u l t s ，s u c ha sm a c h i n e ds u r f a c er o u g h n e s s ( s r ) ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t e ( m r r ) a n dt o o lw e a rr a t e ( t w r ) ，al o to fe x p e r i m e n t sa r ec o n d u c t e d ，b a s e do nt h e o r t h o g o n a le x p e r i m e n t a ld e s i g n m e t h o do nt h ee d mt o o lo f p r e c i s e l y f o r m i n g , w h e r ep u l s ew i d t h 、p u l s ei n t e r v a l 、m a c h i n i n gc u r r e n t 、m a c h i n i n gt i m ea r e t a k e na st h ef a c t o r si no r t h o g o n a le x p e r i m e n t s f u r t h e r , t h ee f f e c t so ft h ec r u c i a l e l e c t r i c a lp a r a m e t e r so nt h ec r a f tr e s u l t sh a v eb e e ne v a l u a t e d s ot h ed a t aa n d a n a l y s i so fe x p e r i m e n t si sa d v a n t a g e o u st ot h ec h o i c eo fc r a f tp a r a m e t e r sa n d m a c h i n i n gc r a f ts i m u l a t i o ni nt h es a m e t i m e s e c o n d l y , t h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t so f e d mo nt h er e g u l a re d mt o o l so f 武汉理工大学硕士学位论文 p r e c i s e l yf o r m i n g , t h ep a p e rf i n d st h eo p e r a t i o n a lc h a r a c t e r i s t i co fe d m b a s e do n c o p p e rf r a m ee l e c t r o d e ，p r o v e st h et e c h n o l o g i c a lf e a s i b i l i t yt om a c h i n et h ec o m p l e x c a v i t i e s a tl a s t ，t h et e c h n o l o g yi su s e dt om a c h i n et h em o u l dm a t e r i a l so fr u b b e r b o x ，a n ds o m em e a s u r e st h a th e l pa 【c c o m p l i s hr e m o v a lo fi t sm a t e r i a l ss m o o t h l ya n d s u c c e s s f u l l ya r et a k e nu p f i n a l l y , i no r d e r t op r o m o t et h ed e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft h ee d mc r a f t b e t t e r , i ti sn e c e s s a r yt or e s e a r c ha n dm a k eo u tt h em a c h i n i n gm e c h a n i s mo fe d m b a s e do nt h ec o p p e rf r a m e t h ep a p e ru t i l i z e sb o t ho fm a t l a b 7 0 1s o f t w a r ea n dt h e a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kt os e tu pf o r e c a s t i n gm o d e lo ft h ec r a f te f f e c t sf o rt h ee d m b a s e do nt h ec o p p e rf r a m e , w h i c hc a nr e f l e c tt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nm a c h i n i n g r e s u ra n dc r u c i a le l e c t r i c a lp a r a m e t e r s i ti sa d v a n t a g e o u st oc h o i c eo fc r u c i a l e l e c t r i c a lp a r a m e t e r su n d e rc e r t a i nc o n d i t i o no ft h ec r a f te f f e c t s ；m e a n w h i l e ，i ti s a l s op o s s i b l et ob eu s e df o rt h ef o r e c a s t i n go ft h ee d me m i le f f e c t sa c c o r d i n gt ot h e d e s i g n a t e dc r u c i a ld c c t r i c a lp a r a m e t e r s t h er e a s m l st oa r o l l s et h ef o r e c a s t i n gb m i o r a b o u t1 0 w e r ea n a l y z e d k e y w o r d s ：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 ，f r a m ep r o c e s s i n g , a r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r k , s i m u l a t i o n n i 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 i i 电火花加工技术概述 电火花加工方法是在2 0 世纪4 0 年代开始研究和逐步应用到生产中来的。 它是使工件和工具之间产生脉冲性的火花放电，靠局部放电瞬时产生的高温把 金属“蚀除”下来的一种特种加工方法。随着这种加工方法的不断完善，其已 经成为制造领域中不可缺少的加工手段，解决了许多传统切削加工方法无法解 决的问题，在机械制造中发挥着日益重要的作用。 1 1 1 电火花加工的基本原理与特点 电火花加工是基于脉冲放电的腐蚀原理产生的，所以也有称其为放电加工 或电蚀加工。在电火花加工过程中，脉冲电源的两个输出端分别接工具电极与 工件电极，当脉冲电压施加于两极时，两极之间形成电场，电场强度随着极间 电压的升高或是极间距离的减小而增大。工具电极在间隙自动调节系统的控制 下向工件进给，当两极间隙达到几微米至几十微米时，由于工具电极和工件的 微观表面凹凸不平，极间距离很小，极间电场强度分布不均匀，因而在两极间 距离最近的突出点或尖端处，电场强度最大，施加在两电极上脉冲电压首先将 此处工作液击穿，产生火花放电。脉冲放电瞬间，工作液的微观分子获得的大 量能量，从而将工作液的分子电离为离子状态存在，在电场的作用下，正负离 子高速运动并相互碰撞，在两极间形成放电通道，产生大量的热量。此时，放 电电压瞬间降至火花维持电压，一般约2 5 v 左右，而放电电流增加至所设定的 值。由于放电时间很短，以及受到放电时磁场箍缩效应和周围液体介质压缩效 应的作用，放电通道的扩张受到限制，这样放电能量集中在很小的范围内，通 道内电流密度和能量密度均很大，通道内的温度及压力亦相当高，足以使任何 高强度、高硬度的材料，在放电点的微观范围内熔化，甚至气化。同时，电极材 料气化及介质气化的过程中，产生很大的热爆炸力，使加热到熔化状态的材料 挤出或溅出。 电极蒸汽、介质蒸汽的产生，以及放电通道的急剧膨胀，也会产生相当大 的压力，加剧熔化状态的材料的抛出。部分熔融材料抛出后，剩余的部分在电 极表面重新凝固，形成放电痕。脉冲持续时间结束，意味着单次放电结束，在 武汉理工大学硕士学位论文 脉冲问隔的时间内，间隙中的液体介质消除被电离，恢复其绝缘强度，以待下 次脉冲放电。 电火花加工实际上就是利用单次脉冲放电产生的热作用在工件表面蚀除 一个小坑，下次脉冲到来之时，在满足放电条件一两电极之间电场强度最大 处的发生放电，多次脉冲产生多个小坑相互重叠，在加工表面拷贝出电极的形 状，最终完成加工。 要将脉冲放电现象应用于尺寸加工，必须具备以下条件：在脉冲放电点， 必须有足够的火花放电强度，局部电流密度须高达1 0 5 1 0 6a m m ；放电形式 必须是脉冲性、间歇性；必须把加工中产生的电蚀产物及时排出，否则容易“拉 弧”使加工无法进行；在脉冲间隔内，电极间的介质必须及时消除电离，即恢 复其“介电性”，两极间必须保持一定的间隙( 几微米几百微米) ，也就是说加 工中工具电极要保持不断进给，保证适当的加工间隙定【4 ”。 为了满足放电加工的需要，电火花加工设备一般由以下四大部分组成： 1 脉冲电源：是放电加工的供能装置： 2 自动进给调节装置：控制工具电极的进给速度，维持电极与工件之间一 定的放电间隙，使脉冲放电能够正常进行； 3 工具电极：常用紫铜、石墨、黄铜等作为工具材料； 4 液体介质：常用煤油或矿物油，还包含其循环过滤系统。 如图1 - 1 所示，工件电极1 与工具电极4 分别与脉冲电源2 的两输出端相 连。自动进给调节装置3 ( 此处为电动机及丝杆、螺母、导轨) 使工具电极和 工件电极之间始终保持一定的间隙，当脉冲电压加到两极之间时，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介质，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一部分金属。脉冲放电结束后，经过短暂 的时间间隔，工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压再加到两极上，再次在间隙 最小处或绝缘强度最低处产生放电加工。这样随着相当高的频率，连续不断地 重复放电，工具电极不断地向工件进给，便可以将工具电极截面形状“复印” 在工件上，从而可以加工出所需的工件。 2 武汉理工大学硕士学位论文 图1 - 1 电火花加工原理示意图 1 工件；2 脉冲电源；3 自动进给调节装置；4 工具；5 工作液； 6 过滤器；7 - 工作液泵； 电火花加工已成为现代工业不可缺少的加工手段，并得到了越来越广泛的 应用，其根本原因就在于它具有传统加工无可比拟的特点。 1 电火花加工的特点 ( 1 ) 脉冲放电能量密度高。电流密度可高达1 0 6 1 0 9 a e r a 2 ，便于加工传 统切削方法难以完成或无法完成的特殊材料和复杂形状的工件的加工。加工不 受材料硬度的影响，填补了传统切削加工的某些缺陷。 ( 2 ) 脉冲放电持续时问很短，放电时产生的热量传导扩散范围小，材料热 影响区域小，受热变形相对不明显。加工精度可1 0 p r o 以下，表面粗糙度可达 r a 0 0 8 2 5 加n ( 3 ) 加工时，工具电极与工件电极不需要接触，无宏观作用力。工具的硬 度可低于工件，因此工具易于制造，成本相对较低。 ( 4 ) 电加工规准可以任意调节。在一次装夹后可实现粗、中、精加工，这 有利于简化工艺过程、减少劳动强度、保证加工精度、实现加工自动化。 ( 5 ) 适应于难切削材料的加工。工件材料的去除是靠电熟作用实现的，材 料的可加工性主要取决于材料的导电性及其热学特性，如熔点、沸点( 气化点) 、 比热容、导热性及电阻率等，几乎与其力学性能无关。这样可以突破传统加工 对刀具和工件刚度的限制，实现“以软克刚”。 2 电火花加工的局限性 ( 1 ) 主要用于加工金属等导电材料； ( 2 ) 加工速度一般较慢； ( 3 ) 存在电极损耗； ( 4 ) 最小角半径有限制； 3 武汉理工大学硕士学位论文 ( 5 ) 加工表面有变质层甚至微裂纹【2 | 1 3 1 1 4 1 1 1 蚓。 1 1 2 电火花加工技术的发展与应用 2 0 世纪4 0 年代前苏联拉扎莲科夫妇开刨了利用电能去除金属材料的电加 工时代，也开创了利用多种能量进行加工的特种加工时代。历经半个多世纪的 研究和发展，电加工己成为现代制造技术中不可缺少的分支，在难切削加工材 料、复杂型面、精细表面、低刚度零件和模具等加工领域内已成为最重要的工 艺方法。5 0 年代中期开始，根据加工中的热现象进行脉冲电源设计，后逐步出 现了电脉冲机床，以后又出现了靠模线电极电火花加工机床，以及晶体管脉冲 电源和可控硅电源、工具电极无损耗电源等。1 9 6 8 年研制了电火花加工的适应 控制系统。随后出现了计算机控制的电火花加工机床。电火花加工技术的发展， 不仅表现在机床设备逐步完善和更新上，而且机床数量也与日俱增。 我国在研究和应用电火花加工技术方面，起步较早。5 0 年代初，我国就开 始应用电火花强化工艺，并成立了第一个专业研究小组，试验研究电火花穿孔 和电火花磨削加工工艺，并用于成批加工柴油机喷嘴小孔和磨削零件内孔。5 0 年代中期设计和制造了加工喷嘴的电火花加工专用设备，1 9 5 8 年我国电火花加 工开始从研究试用阶段进入生产应用阶段。这时，不仅研制成了各种各样的电 火花成形加工设备，而且还有专业生产厂制造。 我国独自研制出晶体管脉冲电源和可控硅电源，此后又不断得到改进，使 脉冲参数调节和适应范围不断扩大。新型的适应控制电源、大功率多回路脉冲 电源以及精加工高效率低损耗脉冲电源也很见成效。在间隙自动控制方面，我 国从电- 液压控制发展到目前直流或交流伺服电机控制，并由滚珠丝杠和滚动导 轨来实现。电火花加工设备获得了不断的改进和发展，使我国模具型腔电火花 加工技术进入了个新的阶段，己经广泛用于锻模、压铸模、塑料模，胶木模、 橡胶模和粉末冶金模的加工，其工艺水平还在不断提高| 4 4 1 w ； i 4 8 | 1 4 9 j 。 但对放电加工机理的认识至今仍需要深入研究，诸如放电间隙的状况、正 负电极间能量的转换及分配、金属抛出过程、电极损耗及补偿的机理等i 札1 1 4 9 1 。 4 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 电火花铣削加工技术概述 1 2 1 电火花铣削技术 在电火花成形加工的过程中，一般需要设计和制作复杂形状的工具电极来 加工工件，而且该工具电极的制造精度是决定加工精度的主要原因。因而，要 得到高精度的零件，就需要制造高精度的电极。尽管如此，在加工过程中工具 电极还是不可避免地要产生损耗，并且一般是不可补偿的，尤其在微细电火花 加工中，电极的相对损耗更大，譬如在高精度复杂形状模具型腔的加工中，往 往需要粗、中和精加工几个工序，因此加工出一个工件需要几个电极，这大大 增加了加工费用与生产准备时间。 在复杂异形工件与难切削加工材料的日益增多的同时，市场竞争与社会需 求发生了巨大的变化，传统切削加工方法与电火花成形加工技术的局限性也越 来越明显，于是，人们迫切期望能出现一种新的加工工艺方法来，既可以加工 难切削加工的材料，又解决电火花成形技术因电极制造所带来的问题，譬如加 工灵活性差。 在这种情况下，能用简单形状电极( 如棒状电极) 像铣刀一样进行电火花成 形加工技术，即电火花铣削加工技术( e d m m i l l ) 在上世纪9 0 年代快速发展起 来，它利用简单形状电极( 或称为标准电极，如棒状电极) 在数控系统控制下， 按照一定轨迹做成形运动，借鉴数控铣削加工方式，通过简单电极与工件之间 在不同的相对位置的放电，加工出所需工件。 与传统电火花成形加工相比较，电火花铣削加工的优势是明显的，它不仅节 省大量成形电极、缩短产品生产周期、减少加工费用、提高加工的灵活性等， 而且可以对传统电火花成形加工有困难、甚至无法加工的工件进行加工，如由 复杂圆弧、直线组成的又长又深的窄槽等。 1 2 2 国内外电火花铣削加工技术研究现状 电火花铣削加工的成本低、加工灵活性好，这是传统电火花加工技术无法 具备的，它给电火花成形加工提供了一个崭新的思路，但长期以来，电火花铣 削加工技术因其放电间隙与电极损耗补偿的问题，一直作为常规电火花成形加 工出现困难时所采用的补充手段。 电火花铣削加工的大规模应用主要有两个方面的关键技术需要改进与突 5 武汉理工大学硕士学位论文 破，一是电极损耗的控制与补偿技术；这一技术包含两个方面的内容：一方面 是电极损耗的规律及其检测技术，另一方面是电极损耗的补偿方式。电极损耗 准确的检测是电极损耗有效补偿的前提和基础，而电极的补偿不单单是简单的 轴向电极进给。电极损耗的补偿作为一种进给运动，是通过数控补偿指令的控 制来完成的。数控加工指令是在离线状态下由c a d c a m 软件自动编程或手工 编程而获得，而电极损耗准确的补偿往往只有在加工过程中实时检测才能获得， 补偿指令难以根据数控加工实际情况进行实时调整，因而这一关键技术研究显 得尤为重要。因为如果不解决好电极损耗及补偿的问题，电火花铣削加工的表 面质量和精度就得不到保证，它在生产中就很难具备实用价值1 1 4 1 “1 1 4 7 1 4 9 1 1 5 1 1 。 目前，电火花加工界提出了分层去除电火花铣削加工的概念。采用分层方 式，利用棒状电极一层一层去除多余的材料。在每层的加工中，采取适当的进 给方式，使加工完成后电极底部的尖角仍然完好。电极只是在主轴向( z 向) 存在 损耗，实现等损耗加工，从而有利于实现电极损耗的补偿策略。在铣削试验中， 在z 向的进给( 分层铣削深度) 越大，加工越不稳定，表面粗糙度大，电极损耗 不均匀。考虑到加工间隙的波动性，分层铣削的进给量应取较小值1 4 1 1 1 4 7 1 4 9 1 。 8 0 年代开始，一些学者利用三轴数控电火花机床( 电极旋转) 或借助于加工 中心，采用各种电极对有关电火花铣削加工技术进行了有益的研究和探索。对 加工过程中电极损耗分别采用了电极交换、机上再成形( 机上修整) 以及电极损 耗检测和补偿策略等。日本专家金子勉等人利用c c d 传感器对电极损耗后的形 状进行准确测量，然后通过电极直接进给，和根据电极半径方向损耗、实际刀 位以及工件形状计算出来的半径方向所需的补偿量，进行在线补偿。日本东京 农工大学的国枝正典等人对空气中电火花放电进行研究，在薄壁管状电极中通 以高压气流，使得放电过程中的处于熔化状态的工件材料被冲走。他对空气中 电火花加工原理、电极损耗规律和加工极性、管状电极壁厚、电极旋转速度以 及在氧气中电火花放电对加工的影响因素等进行了研究，利用此工艺进行了三 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小孔，经2 2 5 分 钟加下完成后，电极的相对损耗仅为0 6 5 。日本东京大学的增泽隆久等人采 用底面放电的加工方法，利用简单的电极进行了三维微细电火花加工研究，日 本三菱电机公司的研究人员已将此技术应用于该公司的机床。英国的d u f f i l l 和 土耳其的b a y r a m o g l u 对主轴旋转对加工效率、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加工效率和电极相对损耗率的影响，铣削加工后 武汉理工大学硕士学位论文 工件表面的显微特性和微观硬度以及铣削加工效率和费用等进行了广泛研究。 国外学者k r u t h 和l a u w c r s 对棒状电极铣削型腔的加工工艺进行了深入研究， 包括电极放电面积( 采用棒状电极的侧面加7 - ) 与加工效率的关系、放电间隙引 起的几何形状不一致性以及电极运动轨迹对加工效率的影响等【4 1 1 1 4 2 1 1 4 7 1 1 4 9 1 。 9 0 年代初期瑞士夏米尔公司推出的电火花铣削加工机床r o b o m i l l 2 0 0 ， 以及日本三菱机电公司所生产的电火花成形机床，其采用旋转铜电极内孔冲液 进行铣削加工，使得该技术引起了国内外电加工界的更大的重视【1 4 1 1 4 1 1 1 4 2 1 4 7 4 s l 。 电火花铣削加工的另一项关键技术是c a d c a m 。电火花铣削编程与一般 铣削加工编程的明显区别在于电火花加工中除了有通用的g ，m ，t 等代码外， 还有加工条件代码c ( 即加工电规准参数) ，这是电火花加工所必需。不同的加工 阶段、加工余量、加工材料，以及加工极性都会对c 代码产生很大影响。c 代 码影响加工速度、加工稳定性、加工表面粗糙度与加工精度。因此，c 代码编 程比较重要。另外，在电火花加工中还存在着放电间隙，并且其放电间隙是动 态变化，这大大增加了电火花铣削加工编程的难度。 迄今为止，国内对电火花铣削加工研究比较少。哈尔滨工业大学、西北工 业大学、山东大学等单位对电火花铣削加工进行了初步研究，但对电火花铣削 加工的深入研究和应用还比较少见，尤其是难切削加工材料与复杂异形模具型 腔等加工的研究。因此，我国还需要加大对电火花铣削加工的研究力度【1 4 l 1 1 4 q 。 1 2 3 电火花套料加工技术 电火花套料加工是电火花铣削加工的一个重要的组成部分和研究方向，它 与传统电火花铣削加工方式相比较，主要有如下不同：电极在加工过程中不旋 转，冲油困难，电极损耗得不到有效的补偿，一般应用于对难切削加工材料大 量的去除，以及复杂异形的模具型腔的加工【1 1 1 4 1 l 。 电火花套料加工所用的部分工具电极具有如图1 2 所示的形状，电极材料 常为紫铜管或紫铜丝，根据加工工件形状，弯曲成相应的形状，或采甩其它形 状的紫铜坯料加工成所需形状 4 4 1 。 工具电极在数控机床的控制下进行三维运动，可以在传统电火花成形加工 和切削加工技术难以胜任的复杂异形型腔、型孔等加工方面发挥其特长。它只 需对工件型芯周围的部分材料进行蚀除，所需蚀除的体积小比传统电火花成形 加工大大减少，因此缩短了加工时间，降低电极损耗小与加工成本，同时套出 7 武汉理【大学硕士学位论文 的芯料还有可以作为模具的型芯或派作其他的用途。如图1 - 3 所示。 图1 2 套料加工所用电极示意图图1 3 套料加工轨迹示意图 1 2 4 国内外套料加工技术现状和发展趋势 钻削和车削的套料加工是我国工程技术人员5 0 年代发明的工艺技术。我国 的电加工技术起步于5 0 年代，几十年取得了很大的发展和进步，但是迄今为止 很少有人将套料加工技术用于电火花加工中，并进行深入的研究【1 j 1 2 】1 4 9 1 。 在国外日本大阪府产业技术综合研究所的增井清德氏，在2 0 0 0 年1 2 月的 日本电气加工学会的全国大会上，报告了他们电火花套料加工技术的初步尝试。 他们根据加工工件的形状，把铜丝弯曲成相应形状，以作为电极，进行“三维 创成”的套料加工，加工出传统电火花加工技术和切削难以加工的工件。这一 研究引起与会者的极大兴趣，大家认为这是一项很有应用前景的加工技术，尤 其可以用于复杂异形的型孔或模具型腔的加工，但他们并没有发表进一步研究 的报告【1 】i “，比如套料加工的电参数与常规电加工有何差异、套料加工复杂异 形模具型腔是否可行性。 在国内虽有这方面的报告，并把它归属于电火花铣削加工范畴1 3 1 ，但是真 正从事电火花套料加工技术研究的，只有江汉大学徐盛林教授的课题组【”。 电火花套料加工技术在发展大体上经历了这三个阶段： 1 2 0 世纪7 0 年代开始，我国就有技术人员尝试在普通电火花成形机床上， 使用铜管垂直加工通孑l 【”，铜管管形状如图1 - 2 所示。 2 随着数控技术的发展与市场需求，从2 0 世纪9 0 年代开始，电火花铣削 加工技术得到了快速的发展。套料加工技术作为其中的一个重要的分支，主要 应用于难切削加工材料大量去除场合，以及复杂异形弯曲孔的加工1 4 1 1 1 4 4 1 ，如图 3 7 所示。 3 复杂异形模具型腔与难切削加工材料的大量出现，为电火花套料加工技 术的研究与应用的带来了重要的机遇；与此同时，人工神经网络、模糊控制、 ，上 | 上 | 乙；f 0 | | ； 口 口 武汉理工大学硕士学位论文 遗传算法等数理知识的发展与现在检测技术的进步，为电火花套料加工开展机 理研究提供了有效的手段，本文将从理论与应用两个侧面对电火花套料加工的 技术进行了深入的研究。 1 3 课题研究的意义与主要内容 1 3 1 课题研究的意义 随着社会的发展和人口增多，人类面临的能源和资源危机越来越严重，对 机械制造行业提出的要求也越来越高。机械制造中复杂异形的自由曲面和型孔 型腔的加工日益增多，而这些工件的材质多为难加工材料( 诸如复杂异形的模 具的弯曲孔型腔的加工) ，使用迄今为止的机械切削加工方法、传统电加工方法， 一般难以完成。即使可以加工出来，也得投入很高的加工成本和花费较长的加 工时间，同时能源和材料消耗也很大，这使机械，尤其是模具制造行业很难适 用低成本、高效率、高质量的市场要求。本研究的工艺方法可在难切削加工材 料、复杂异形型孔型腔等加工领域得到应用。 型腔的加工是模具制造中的关键环节，现行的型腔的加工方法是模具的型 芯和型腔分开加工、分别检验，再合模试模，从制件效果来评定其合模精度的 一致性、或作补充加工以达到所需技术要求，整个模具制造的周期长，使用的 设备较多，加工成本很高。 本研究的工艺方法能用简单形状的电极同时套型加工出复杂的模具型芯和 型腔，减少一些昂贵的设备( 如电极制造用的雕床等) 的使用，有利于提高加 工效率，缩短制造周期，同时较好地保证合模精度的一致性。 目前电火花套料加工技术还存在着很多问题，这些问题均对其应用有着显 著影响： 1 电火花套料加工中电规准和其它工艺参数对工艺效果会有什么样的影 响，影响程度如何? 在电火花套料加工中众多的工艺参数及它们之间的交互作 用，使得在电火花加工中很难对进行分析。 2 怎样调节加工速度与加工表面粗糙度之间、蚀除产物的产生与排除之间 的矛盾? 3 如何认识电极损耗规律，以保证加工的顺利。目前在电火花铣削加工中 所实施电极在线检测和补偿技术，在套料加工中存在着很多困难。那么能否通 9 武汉理工大学硕士学位论文 过试验研究，来确定指定加工条件下的电极损耗规律，实施离线补偿呢? 4 紫铜线框电极对套料加工过程有何影响? 另外，近十几年电火花加工理论并没有取得突破性的进展。究其原因，除 放电过程本身的复杂性、随机性外，还在于研究手段的匾乏、没有创新。传统 的高速摄影对于脉冲放电很难获得全部信息，其结果也很难作定量分析。常用 的检测装置可以测量放电间隙的某些参数以及该参数对加工性能的影响，并可 拟合出它们之间的经验关系曲线，但一般也只限于单因素分析，即研究工艺效 果时，固定其它所有参数，而只让一个参数变化，这样拟合的曲线局限性很大。 因此，有必要引入先进的研究技术和方法，来深入地揭示放电过程的微观本质， 建立反映放电客观规律的模型，为机床设计和加工提供可靠的理论指导。 随着智能化技术的应用，为了更深入的了解电火花套料加工的放电机理提 供了技术支撑。若能利用计算机仿真技术建立套料加工的模型，预测在各种加 工条件下可能达到的工艺效果，并能根据加工要求利用模型来对加工参数进行 优化组合，则必将对电火花套料加工的研究与应用带来积极的影响。 1 3 2 本文主要研究内容 根据电火花套料加工技术发展中所存在的困难与问题，本文拟将进行以下 几个方面的研究： 1 利用正交试验数据考察脉冲宽度、脉冲间隔、放电电流、放电时间等电 规准参数对加工速度、电极损耗速率、加工表面粗糙度等的影响。 2 对电火花套料加工精度进行分析。由于基于线框电极的电火花套型加工 没有或很少有二次放电的现象，因此其加工精度与一般的电火花成形加工不同。 3 研究电极损耗的规律。基于线框电极的电火花套料加工，其散热条件恶 劣、排屑条件因电极的形状而异，冲油，抬刀等对电极损耗与常规电火花加工 是不同的。认识电极的损耗规律，降低电极的损耗是研究中要关注的要点。 4 探讨采用电火花套料加工技术加工复杂异形模具的可行性。 5 论证电火花套料加工工艺建模的可行性。建立电火花套料加工工艺模型 是实现料加工参数优化选择、工艺效果预测的基础，本文将在正交试验的基础 上，利用人工神经网络技术建立电火花套料加工的工艺模型，并利用实际加工 的数据验证其模型的精度。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章套料加工实验研究的目的、方法与装置 基于紫铜线框电极的电火花套料加工，是一种崭新的加工工艺方法，该工 艺特性与规律，有待通过实验来获得。 2 1 套料加工研究的目的 本文试验研究预期达到以下目的： 1 在电火花套料加工实验过程中，获取在铜打钢条件下，不同电规准参数 的配置对工艺效果的影响( 加工表面粗糙度、加工速度、电极损耗速率) ；考察 套料加工与传统电火花成形加工的工艺差异性；同时，为建立电火花套料加工 的计算机仿真模型采集样本数据； 2 在数控机床上，使用不同形状的紫铜线框工具电极，进行电火花套料加 工模具的实验，验证该加工工艺方法加工模具型腔或型孔的可行性与实用性。 2 2 正交试验研究的方法 在科学发现、技术发明、产品质量保证、工艺参数确定的过程中，存在着 许多因素配合试验的问题。为了准确而客观的获得优秀的试验方案，需要对各 因素进行完全的组合，逐个地对其进行试验，例如，有4 个因素，每个因素有 5 个位级，则全面试验至少需做5 4 = 6 2 5 次。但是，由于人力、物力、财力、时 问的限制，很难做到这一点。如果只通过少数几次没有代表性的试验，就确定 结果，没有科学依据，效果不会理想。 随着现代科学技术的发展和试验设计方法的突破，总结出了一种只需要做 “少数次”试验而又能反映出完全组合的内在规律的试验设计方法，这就是多 因素优选的正交试验设计方法。如能正确地、灵活地运用正交试验设计方法， 就可以做到在最短的时间内，用最少的投资取得最理想的效果。 2 2 1 正交试验的基本原理 正交试验是一种可以利用正交表来合理的安排试验，利用数理统计原理， 科学的分析试验结果、处理多因素试验的科学方法。 从大量的实验点中，挑选适当的具有代表性的实验点，运用一种标准化了 武汉理 大学硕士学位论文 的“正交表”来合理安排多因素实验，该实验方法能够通过代表性很强的、次 数较少的试验，摸清实验中各个因素对试验指标的影响情况，从而可发大量地 节省实验的材料和人工消耗，有利于降低成本和提高科研效率。 在本文电火花套科加工实验中，影响工艺效果的因素很多，且各因素的变 化也很大，因而在探讨最佳工艺效果的工艺参数，全部采用单因素轮换法进行 实验，不仅实验的工作量大、成本高，而单因素变化不能反映多因素对电火花 套料加工的工艺效果的实际影响状况。 2 2 2 正交设计中的基本概念 正交试验设计中的基本概念有：指标、因素、位级。 1 指标，即目标的分解。任何试验都是有目的的，用什么来衡量达到该实 验目的的程度呢? 那就是指标。按考核项目的个数，试验可分为单指标试验和 多指标试验。例如，本次试验就是一个多指标试验，考核的结果有：加工速度 ( 考核加工的快慢) 、工具电极的损耗率、加工的表面粗糙度( 考核表面的加工 质量) ： 2 因素，是指直接影响试验结果的，需要进行考察的不同原因、成分。试 验中影响结果的原因很多，有直接的，也有间接的；有内部的，也有外部的； 有必然的，也有偶然的。在一般情况下，把直接、内在、必然影响试验结果的 原因作为正交试验设计中的因素。如本文试验中的放电电流、电流脉宽、脉冲 间隔、放电时间等； 3 位级( 又称水平) ：需要考察的因素在试验中由于状态的改变、条件的 变化，可能引起实验结果的变化。把因素变化的各种状态、级别称为因素的位 级。能够定量的因素所确定的位级的数值，叫该因素的位级量。合理地确定位 级量。在正交试验中十分重要，如果位级量确定得好，就可以通过少做试验而 获得尽可能全面的结果。但是，位级的确定不是只用数学方法就可以解决的， 这需要由试验者根据实际情况、专业知识、经验等来确定。如在本文正交试验 过程中将放电电流、脉冲间隔、电流脉宽分别定为4 个位级，将放电时间定为 2 个位级。 2 2 3 正交表的代号及含义 如图2 - 1 所示，b ( 3 4 ) 表示的是：最多可安排四个因素，每个因素取三个 武汉理：r 大学硕士学位论文 位级，共作9 次试验的正交表。 图2 - 1 正交表b ( 3 4 ) 的代号及含义 图2 2 正交表l 8 ( 4 1 x 2 4 ) 的代号及含义 如图2 2 所示，k ( 4 1 x 2 4 ) 表示的是：有一个因素可以安排4 个位级， 其余纵列安排4 个因素，每个因素取2 个位级，共做8 次试验的正交表。 2 2 4 正交试验的特点 正交试验设计是以正交性原理为科学依据，具体表现出均衡分散性和整齐 可比性这两个方面，即每一列中不同数字( 位级) 出现的次数是一样的，且任 武汉理工大学硕士学位论文 意两个纵列，在其横向构成的有序数字( 因素) 对中，每种数字对出现的次数 是相同的。 1 均衡分散性 均衡分散性是指正交表安排的试验方案均衡的分散在配合完全的位级组合 的方案之中，因而该实验具有代表性，容易选出优秀方案和可能最优方案。 2 整齐可比性 整齐可比性是指每列因素，在各个位级导致的结果之和中，其它因素的各 个位级出现的次数都是相同的。在比较某一因素的几个位级，选取优秀位级时， 其它因素的各个位级出现了相同的次数。这就最大限度地排除了其它因素地干 扰，使这一因素的几个位级之间具有了可比性1 3 s i t 3 8 1 。 2