（机械制造及其自动化专业论文）超声振动—磨削—放电复合加工数控系统的研制与开发.pdf

山东大学硕士学位论文 超声振动一磨削一放电复合加工数控系统的设计与开发 摘要 本文在系统分析超声振动一磨削一放电复合加工工艺的基础上，完成了 超声振动一磨削一放电复合加工的数据库设计、软件设计和硬件设计。 首先对超声振动一磨削一放电复合加工的加工机理和加工工艺进行了 较详细的研究，得出了各个加工参数( 包括放电加工参数、超声振动加工参 数和其它参数) 对主要工艺指标( 包括加工速度、加工表面粗糙度、加工间 隙和电极损耗率) 的影响关系，为数据库系统和数控系统的开发奠定了基础。 ， f 在加工工艺分析研究的基础上，运用软件工程原理，在经过需求分析一 f 概念结构设计一 逻辑设计一 物理设计 应用程序开发等各个设计阶段 之后，最终设计出超声振动一磨削一放电复合加工的数据库系统。 对超声振动一磨削放电复合加工数控系统的软件部分进行了设计与 开发。软件设计具有以下四个特点：( 1 ) 友好的用户界面：( 2 ) 开放性：( 3 ) 经济性；( 4 ) 多功能性。不但方便用户的操作，满足目前的研究需求，而且 由于采用面向对象技术设计，为未来的进步研究开发提供了方便。 采用n c 嵌入p c 式的开放性体系结构，设计了以p c 机为系统支撑单元、 p m a c - - i 型四轴运动控制器为c n c 模块的超声振动一磨削一放电复合加工 ? 一 机床的硬件系统。r 关键词：电火花加工；超声振动：磨削：复合加工；软件工程：数据库 d e s i g n a n dd e v e l o p m e n to f t h en u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m f o r e l e c t r o d i s c h a r g em a c h i n i n g c o m b i n e d w i t hu l t r a s o n i c v i b r a t i o na n dg r i n d i n g a b s t r a c t t h i sp a p e ra n a l y z e dm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo fe l e c t r o d i s c h a r g em a c h i n i n g ( e d m ) c o m b i n e d w i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o na n dg r i n d i n g ，w i t hw h i c h t h ea u t h o r a c c o m p l i s h e dd e s i g n o ff f sd a t a b a s e ，s o f t w a r ea n dh a r d w a r es y s t e m f i r s t l y , t h em a c h i n i n gp r i n c i p l ea n dt h et e c h n o l o g yo f e d mc o m b i n e dw i t h u l t r a s o n i cv i b r a t i o na n dg r i n d i n gw e r ea n a l y z e d ，t h r o u g l lw h i c h t h ea f f e c t i o no f m a c h i n i n gp a r a m e t e r so nm a c h i n i n gt e c h n o l o g yw a s d e d u c e d t h i si n c l u d e st h e m a c h i n i n gs p e e d ，t h es u r f a c er o u g h n e s s ，t h em a c h i n i n gg a s a n dt h ee l e e l r o d e w a s t a g ee t c a l lt h e s e a r et e c h n o l o g i cb a s i sf o rt h ed e v e l o p m e n to fd a t a b a s ea n d n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m b a s e do nt e c h n o l o g i ca n a l y s i s ，t h i sp a p e rd e s i g n e dad a t a b a s es y s t e mf o r t h e m a c h i n ew i t ht h es o f t w a r ee n g i n e e r i n gp r i n c i p l e s t h ew h o l ed e s i g ns t e p s i n c l u d e r e q u i r e m e n ta n a l y s i s ，c o n c e p t i o n c o n s t r u c t i o nd e s i g n ，l o g i c a lc o n s t r u c t i o nd e s i g n ， a n d d e v e l o p m e n to f a p p l i c a t i o np r o g r a m e t c t h ep a p e rd e s i g n e da n dd e v e l o p e das u i to fn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf o r e d mc o m b i n e dw i t hu l t r a s o n i cv i b r a t i o na n dg r i n d i n g t h es o f t w a r ed e s i g no w n s f o u rm a i nf e a t u r e s ，w h i c ha r ef r i e n d l yu s e ri n t e r f a c e ，o p e ns y s t e m ，e c o n o m y , a n d v e r s a t i l i t y o w i n gt ot h ea p p l i c a t i o no fo b j e c t o r i e n t e dm e t h o d ，t h ed e s i g n e d n c s y s t e mi sn o to n l ye a s i l yo p e r a t e df o rt h eu s e r s ，b u tc o n v e n i e n tf o rt h ef u r t h e r d e v e l o p m e n t 1 i 山东大学硕士学位论文 t h eo p e nh a r d w a r es y s t e mo ft h e m a c h i n ew a sd e s i g n e dw i t hi n l a i dn c s y s t e m t h ep c i st h es u p p o s i n gm o d u l e ，a n dt h ep m a c _ im o t i o nc o n t r o l l e 。i 8 c n cm o d u l eo f t h em a i nh a r d w a r es y s t e m k e y w o r d s ： e l e c t r o - d i s c h a r g em a c h i n i n g ，u l t r a s o n i c v i b r a t i o n ，g r i n d i n g ， c o m b i n e dm a c h i n i n g ，s o f t w a r ee n g i n e e r i n g ，d a t a b a s e i l i 山东大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 。1 超声振动一磨削一放电复合加工方法 1 , 1 1 电火花加工的产生 随着科学技术的发展，人们对材料的硬度、耐高温性、耐腐蚀性等性能 的要求也越来越高，难加工材料及复杂型面加工逐步提到日程。长久以来， 人们用传统的加工方法，对难加工材料的加工总是显得力不从心，刀具磨损 现象严重，崩刃现象时有发生，同时对刀具的要求高，成本也高。因此，研 究、探索一套高效、经济、实用的超硬材料特种加工方法，被人们认为是这 种解决这种难加工材料加工的有效途径。另外，由于电火花等特种加工方法 的出现，也在很大程度上解决了复杂型面、型孔等的加工问题。 1 9 4 3 年，原苏联的拉扎林柯夫妇在研究开关触点遭受火花放电腐蚀损 坏的现象和原因时，发现电火花的瞬时高温可使局部的金属熔化、汽化而被 蚀除，开创和发明了电火花加工方法，首次摆脱了传统的切削加工方法，直 接利用电能和热能来去除金属，获得“以柔克刚”的效果。 从此，电火花加工得到了飞速发展，电火花加工法出现以后不到十年， 世界上工业发达的国家都相继研制成了同类电火花穿孔机床( 基本上都是采 用r c 驰张式脉冲电源以及电磁悬浮式间隙自动调节器) 。1 9 6 8 年，研制了电 火花加工的适应控制系统。1 9 7 2 年国际上首次展出了( c n c ) 计算机数字控 制电火花线切割机床。从此对电火花数控系统的研究日新月异。 目前，电火花加工技术( e d m ) ，已经成为制造技术中不可缺少的加工 手段之一，尤其是在模具制造业、航空航天等领域占有极为重要的地位。据 统计，目前电火花加工机床已占世界机床市场的6 i “。代表电火花加工设 第l 页 山东大学硕士学位论文 备最高水平的生产厂家有瑞士的夏米尔公司、瑞士的阿奇公司、日本三菱公 司、fl 本沙迪克公司等。他们的w e d m 机床工艺指标达到了相当高的水平， 卜产率可达3 0 0 m m 2 m i n 、表面粗糙度可达到r a 0 1 o 2 1 t i n 、加工精度达到 了微米级。 1 1 2 电火花研究的现状 1 ) 在基础理论研究方面，对放电间隙物理状态和化学反应的研究，近 几年来虽未取得突破性进展，但仍取得了一定的研究成果。 k u n i e d a 等人通过观察了单脉冲放电后的放电凹坑，发现很多较小的放 电凹坑围绕在较大的放电凹坑周围，并由此推断在单脉冲放电期间，电弧以 高速在一个较小的区域内运动产生运动的原因是阴极表面和内部材料功函 数差异以及放电凹坑底部和上缘的电场力差异1 2 1 。 c o g u n 等人发现在不同的加工条件下，不同放电延迟脉冲数量存在系 统变化，不同放电延迟脉冲的频率曲线具有左斜和高顶点特征，改变脉宽、 脉冲间隔和放电频率，频率曲线的斜度和高度会发生系统变化，x2 检验表 明，工件和工具电极的蚀除主要发生在2 0 0 n s 和1 5 脉冲放电的初始阶段【3 1 。 近年来国外在电火花成形加工工作液中添加了某些物质以改善加工效 果的研究很受重视。m a s u z a n a 等人的研究表明，如果选择水作工作液，向水 中添加有机物质可大幅度提高加工速度，选择1 0 聚乙烯乙二醇溶液为工作 液的加工速度超过纯水的两倍，浓度更高的聚乙烯乙二醇溶液具有与油可比 拟的加工性能【4 j 。 2 ) 加工工艺理论的研究是电火花加工中研究很活跃的一个领域，它的 研究成果可直接指导生产实践，提高电火花加工的加工性能。建立电加工参 数和加工工艺参数进行工艺建模，可以进一步对两者之间的关系进行研究， 第2 页 山东大学硕士学位论文 并h 可以对加工状态进行更有效的控制【5 1 。 罚外，开拓电火花加工的加。】二范围，探索细微复杂结构的结构，也是当 前的研究热点之一。其中主要有： a ) 难加工材料加工技术 目前的研究成果表明，当工程陶瓷材料的电阻率低于1 0 0 r 2 c m 时，可有 效地利用电火花技术进行加工。国外的研究成果表明，采用电火花技术加工 工程陶瓷材料，可以获得表面粗糙度r a 小于0 3 微米的表面和尺寸公差在微 米范围内的加工结果【5 1 。 b ) 混粉工作液电火花镜面加工技术 试验研究表明，在工作液中加入一定的硅、铝等微细粉末可降低大面积 电火花加工工件的表面粗糙度【7 1 。 1 9 9 7 年，日本沙迪克公司的在中国国际机床展览会上展出p g m 3 5 s + n f 4 0 i i 混粉电火花加工机床能在几个小时内加工出4 0 0 0 r a m 2 、r a 0 2p m 的镜面喁1 。 c ) 微细加工技术 南京航空航天大学研制了以大功率场效应管作为功率开关器的独立式 适应控制微能脉冲电源，在进给控制系统上增加了自适应控制环，可实现最 小孔径p o 0 1 9 mr n ，深径比为3 1 的试件微孔加工【9 l 。 清华大学李勇等人研究开发了一种采用蠕动式微进给机构的微细电火 花加工装置。利用该设备，采用削边电极的方法，可以高效率加工出高深宽 比的的微d , s j ：l ，最小孔径为4 0 um ，微小孔的深宽比可达到1o 以上。 d ) 气中放电加工技术 气中放电打破了电火花加工对液体绝缘性工作液的依赖作用，对电火花 加工的研究是一个质的飞跃。日本东京农工大学国枝正典等人对此种加工方 第3 页 山东大学硕士学位论文 式进行了研究，并取得了非常好的效果j 。 山东大学的张勤河博士将超声振动与气中放电技术相结合，材料的去除 率、加工精度大大提高，同时，工具电极的损坏显著降低。 3 ) 在控制技术方面控制技术是电火花加工中的核心技术，加工精度 的好坏，加工效率的高低等从很大程度上取决于加工控制技术。随着计算机 技术的飞速发展，用计算数队参数进行优化并进一步控制是当今各国研究的 重点。 目前，电火花加工控制理论的研究的热点是模糊控制技术。模糊控制技 术是应用模糊集合理论、模糊语言变量及模糊逻辑推理综合考虑控制的一种 数字控制方法。由于e d m 加工机理异常复杂，到目前为止尚未能全部认清， 而且e d m 过程中涉及众多参数，各种参数相互影响，用精确的数学模型来 描述加工参数对加工过程的影响是非常困难的。而模糊控制技术在设计时无 需建立被控对象的精确数学模型，只需掌握现场熟练操作人员或专家的定性 经验可以取得比传统的经典控制的方法及现代控制理论更好的控制效果l l “。 近来又出现了电火花加工灰色控制系统。灰色控制是基于系统发展变化 预测的控制，是未来态势的超前控制，不仅具有较高的准确度同时它的建模 是基于少数据、数据新陈代谢建模，因此控制的适时性非常好又有无超调、 无振荡的控制优点，对于电火花加工这样一个信息不完全、运行机理不明， 却有着部分白色信息的系统，灰色模型刚好可以利用这部分白色信息，在不 能确知全部信息和系统精确模型的情况下，建立较为精确的连续微分方程模 型即所谓的灰色模型【1 3 l 。 1 , 1 3 超声电火花加工复合加工方法 电火花加工的效率比较低、放电间隙的难以控制、加工碎屑不易排除等 第4 页 山东大学硕士学位论文 问题是困扰电火花加工的非常重要的问题。而超声电火花复合加工方法的出 现是在一定程度上解决了这个问题。 上海纺织工学院对精微小孔的超声电火花加工进行了研究。实验表明， 在保证工件表面粗糙度和精度的情况下，引入工具电极的超声振动后，提高 了脉冲电源的利用率，与单纯的r c 电路相比，加工效率提高近1 0 倍【l 。 哈尔滨工业大学的杜松岩硕士进行了方波电源超声电火花复合加工研 究，研究结果指出，超声振动不仅起到促进排屑作用，而且使电蚀产物在电 极间分布均匀，使击穿延时缩短，最主要的是大幅度提高了脉冲的利用率， 最终加工速度可以提高5 2 0 倍。 印度m a d m s i 业大学的v s r m u r t i 和p k p h i l i p 使用扫描电镜对电火花 间隙中超声辐射对电火花加工碎屑的影响进行了详细的研究，结果显示，大 部分碎屑呈现轻微椭圆度的球形，除有个别的中空结构外，其余均为实体结 构，电源的脉冲特性明显影响到形成碎屑的尺寸。在超声波作用下，碎屑颗 粒的椭圆度减小，颗粒尺寸、电极的蚀除量和碎屑碰撞的剧烈程度均有明显 的增加。同时指出电火花复合超声会对电火花加工产生空化作用加剧、放电 区中颗粒的受力更复杂、加速工作液的循环和扰动等影响【l 5 1 。 对于超声电火花提高加工效率的原因，目前普遍认为：在电极上附加超 声振动，就可以使电极端面频繁进入合适的放电间隙，提高火花击穿的概率： 同时由于超声的空化作用和泵吸作用，可以增大被加工材料的去除量，加速 工作液循环，改善间隙放电条件，从而提高被加工孔的深径比、加工稳定性、 生产率和脉冲电源的利用率。并且在振幅得到良好控制的情况下，可以获得 更高的加工精度。 第5 页 山东大学硕士学位论文 1 1 4 超声振动一磨削一放电复合加工方法 我校艾兴院士、张建华教授、霍孟友副教授等长期从事于超声电火花加 工的研究工作，积累了非常丰富的经验。在超声电火花加工方法的基础上， 他们提出了超声振动一磨削一放电复合加工方法，进步提高了生产率。 超声振动一磨削一放电复合加工方法更强调工作液中的磨料在超声电 火花加工中的作用。研究表明，在超声振动下，在加工间隙内加入不导电的 磨料液，可以增强工作液的绝缘性能，防止了拉弧放电的倾向，火花分布更 均匀，加工稳定性明显增强，加工效率更高。同时，磨料在放电点附近高速 运动，对工件有一定的抛磨作用，提高了电火花a l t o 的蚀除量，并可以减少 表面热影响层的厚度。 1 2 开放式数控技术 开放式数控系统是数控系统开发的趋势。目i i ，随着技术、市场、生产 组织等结构的快速变化，对数控系统的柔性和通用性提出了更高的要求，从 而能够快速灵活的适应市场需求，降低维护和培训成本。在这种形式下，出 现了具有模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统。 国外许多企业和政府机构对数控系统的开放性方面作了大量的研究工 作。1 9 8 1 年，美国开始n g c ( n e x tg e n e r a t i o nc o n t r 0 1 ) 计划，最终开发出 基于s o s a s 的型谱系列，通用汽车公司和发动机部门在】9 9 4 年开始o m a c ( o p e n m o d u l a ra r c h i t e c t u r ec o n t r o l l e r s ) 项目的研究，开发集成化的数控装 置；欧共体1 9 9 2 年开始了o s a c a ( o p e ns y s t e ma r c h i t e c t u r ef o rc o n t r o l s w i t h i na u t o m a t i o ns y s t e m s ) 项目的研究，1 9 9 4 年完成了开放式数控系统平 第6 互i 山东大学硕士学位论文 台和系统参考结构的定义，1 9 9 6 年完成原型系统的开发；日本制定的i m s ( i n t e l l i g e n tm a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 系统研究发展计划中，对c n c 系统提出 了标准化和智能化的要求。根据i e e ( 国际电气电子工程师协会) 的定义，开 放式数控系统具有下列特性：符合系统规范的应用可以运行在多个销售商的 不同平台上，可以与其它的系统应用相互操作，并且具有一致风格的用户交 互界面 1 6 - 2 0 1 。 开放式数控系统的开放性有软件开放性和硬件开放性和软硬件接口的 开放性。软件开放性主要强调软件的模块化、可重组、可重用性，目前应用 最多的设计方法是面向对象的设计方法：硬件开放性则强调硬件的通用性和 标准化。 目前开放性数控系统多是基于pc 的开放式数控系统，这种系统能充分 地利用计算机的软硬件资源，可使用通用的高级语言方便地编制程序，用户 可方便地将标准化的外设、应用软件进行组合和使用 2 1 2 3 j 。使用计算机同时 也便于实现网络化。基于pc 的开放式数控系统大致可分为四种类型，即p c 连接型cn c 、pc 嵌入型cn c 、nc 嵌入型pc ( nc 嵌入pc 型) 、 全软件型n c1 2 4 、矧。 ( 1 ) pc 连接型c n c ：该类型系统是用通用的串行线将现有的原型c n c 与pc 相连而组成的。该系统容易实现，原型的c n c 几乎可以不加修 改地进行利用。也可使用通用的软件，但是其原型cnc 不能实现开放性， 并且系统的通讯、响应速度慢。 ( 2 ) pc 嵌入型cnc ：该类型系统是将pc 装入到cnc 内部，pc 与cnc 之间用专用的总线连接。系统数据传输快，响应迅速，同时，原型 cn c 系统也可不加修改就加以利用，但是不能直接地利用通用pc ，开放 性受到限制。 第7 页 山东大学硕士学位论文 ( 3 ) nc 嵌入型pc ( nc 嵌入pc 型) ：该类型系统是在通用pc 的扩 展槽中插入专用的cnc 卡组成的。它能够充分地保证系统性能，软件的通 用性强，并且编程处理灵活，但是，原型cnc 资源很难得到利用。 f 4 1 全软件型nc ：该类型系统是指cnc 的全部功能均由pc 进行处 理，并通过装在pc 的扩展槽的伺服接口卡对伺服驱动等进行控制。其软件 的通用性好，编程处理灵活。但是，实时处理的实现比较困难，并较难保证 系统的性能，同时原型cnc 资源难以利用。 1 3 超声振动一磨削一放电复合加工方法数控系统的设计与开发 超声振动一磨削一放电复合加工方法参数众多。加工机理更加复杂，至 今，人们虽对此作过大量的研究工作，但是仍有非常大的缺陷。在这种情况 下，我们采用当今比较先进的开放式数控体系对本系统进行开发，一方面可 以利用现在比较成熟的计算机技术与超声振动一磨削一间隙脉冲火花放电 复合加工相结合，实现加工过程的计算机控制，控制精度更高，加工过程更 稳定；另一方面也可以为这种优越的加工方法积累丰富的实践经验，为对超 声振动一磨削一间隙脉冲火花放电复合加工方法进一步研究工作奠定坚实 的基础。 本设计的硬件系统采用nc 嵌入pc 型开放式数控系统：在w i n d o w s9 8 操作系统下，设计了p c 机为系统支撑单元，p m a c - - i 型四轴运动控制器为 c n c 模块的机床控制系统，而伺服驱动系统则采用松下公司的m i n a s a 系 列驱动器和交流伺服电机。这种结构模式具有更大的灵活性，是一种便于用 户开发的全方位的开放式体系结构 此外，本次设计的数据库系统，可以利用操作者的加工经验，非常容易 地提供准确的加工数据，然后利用计算机进行自动编程，从而解决了加工过 第8 页 山东大学硕士学位论文 程中由于输入的加工参数不合适而造成加工过程不稳定的问题。同时利用添 加、删除功能，可以吸收最新的加工经验来。 本课题的内容如下： 1 从加工机理入手，详细地分析超声振动一磨削一放电复合加工的加 工工艺，从而总结出各加工参数对加工工艺的影响，建立加工参数和加工工 艺的对应关系，为加工数据库的建立和m i 过程的控制奠定基础。 2 开发超声振动一磨削一放电复合加工数据库，通过此数据库，用户 只需简单地输入几个具体的加工要求，便可以自动获得最优的加工参数。并 可以方便的对数据库进行管理。 3 开发一套开放性的控制系统软件。此系统软件具有自动编程功能， 在从数据库获取加工参数后，就可以自动按照编写的程序编出合适的加工程 序，并进行显示。同时提供用户手动编辑界面，当用户对计算机自动生成的 程序不满意时，可以手动写入并运行。 4 基于nc 嵌入pc 型开放式数控系统原理，把超声振动一磨削一放 电复合m i 数控系统在硬件上实现。并实现上位机和下位机的通讯。 第9 页 山东大学硕士学位论文 第2 章超声振动一磨削一放电复合加工工艺分析 超声振动一磨削一放电复合加工方法是在电火花加工、超声加工以及磨 削加工的基础上发展起来的一种全新的加工方法，是以上几种加工方法的结 合与发展，充分利用各种加工方法的优点，又有其独特的特点，可以极大地 提高加工效率，又可以提高电火花加工过程的稳定性，在很大程度上解决电 火花加工中的瓶颈问题。 2 1 电火花加工 电火花放电加工是利用两极问脉冲火花放电产生的瞬时热能，熔化、汽 化和抛出电极材料，达到加工工件的目的。自从1 9 4 3 年前苏联科学家拉扎 林科夫妇发明电火花加工方法( e l e c t r i cd i s c h a r g em a c h i n g i n g ，简称e d m ) 以来，经过近半个世纪的研究和开发，电火花加工已成为一种极为重要的加 工手段。它在机械、宇航、电子、仪器、轻工、汽车等领域获得了广泛的应 用。近年来，随着现代科学技术，尤其是微电子、自动控制和计算机技术的 不断进步，电火花加工技术得到了飞速发展。 2 1 1 电火花加工原理1 2 6 l 电火花加工的原理如图2 1 所示。工件l 与工具4 分别与脉冲电源的两 输出端相连接。自动进给调节装置3 使工具电极和工件间保持稳定的放电间 隙，当脉冲电压加到两极之间，且电压达到一定数值( 击穿电压) 时，便会 击穿介质，产生火花放电，瞬时高温使工具和工件表面局部都蚀除掉- - 4 部 分材料，在工件表面形成一个明显的小凹坑。脉冲电压结束后，经过一段间 隔时间( 即脉冲间隔t d ) ，工作液恢复绝缘后，第二个脉冲电压又加到两极上， 第l o 页 山东大学硕士学位论文 l 图2 1 电火花加工示意图 l 一工件2 一脉冲电源3 一自动迸给装置 4 一电极5 一工作液6 一供液装置 又电蚀出一个小凹坑。这样连续不断地重复放电，工具电极不断地向工件进 给，就可将工具形状复制在工件上，加工出所需要的零件。 电火花放电加工过程可以大致可以分为以下4 个阶段：极间介质的电离、 击穿，形成放电通道；介质热分解、电极材料融化、气化热膨胀；电极材料 的抛出：极间介质的消电离。首先在工具和工件之间加上6 0 v 3 0 0 v 的脉冲 电压，然后使伺服轴电极向下运动，极间距离逐渐缩小。当极间距离小到一 定程度时，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 撞击介质中的中性原子和分子，产生撞击电离。形成带负电的粒子和带正电 的粒子，导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而形成放电通道。电源通过 通道释放的能量大部分转换成为热能，通道中的电流密度高达 1 0 4 1 0 c m 2 1 2 7 1 ，高温使得放电点附近的金属迅速的熔化或气化，然后在热 爆炸力、电动力、流体动力等的综合作用下，被熔化和气化的材料被抛出， 产生一个小坑。最后，脉冲放电结束，介质恢复绝缘。 第1 i 页 山东大学硕士学位论文 2 1 2 电火花加工的主要工艺指标 一般情况下，电火花加工要求在满足一定表面粗糙度的前提下，以较低 的电极损耗率和较高的m q - 效率稳定地进行。在电火花成型加工中，加工过 切量( 亦称单边侧面放电间隙) 则是决定加工电极尺寸的关键因素之一。因 此，电火花加工的主要工艺指标有加工速度、工具电极损耗、表面粗糙度、 放电间隙等。 1 加工速度 电火花加工的加工速度一般用体积加工速度v “m m 3 ，m i n ) 来表示，即单 位时间内，工件被加工掉的体积：v w - 助。 在规定的表面粗糙度( 如r a = 2 5 l im ) 和相对电极损耗( 如l ) 条件 下的最大加工速度，是衡量电火花加工机床工艺性能的重要指标。 影响加工速度的主要因素有加工电流、脉冲参数、抬刀情况等： a ) 加工电流对加工速度的影响 提高单个脉冲能量主要靠加大脉冲电流和增加脉冲宽度。其关系为 w 萨c 。u ( t ) f ( r ) 西( 2 - i ) 式中乙一单个脉冲实际放电时间； u ( 幻一放电间隙中随时间而变化的电压； f ( 疗一放电间隙中随时间而变化的电流； w m 一单个脉冲的放电能量； 一般来说，在加工面积一定的条件下，峰值电流越大，加工速度越高。 亦即电流密度越大，加工速度越高。但加工电流也有极限值，当超过这个极 限时，加工稳定性破坏，电极和工件会产生拉弧烧伤，加工速度反而降低。 选择电参数时，一般依据加工面积来确定加工电流，其经验值是 2 4 从m 2 如果只要求加工速度时，其电流密度可选6 - 7a , c m 2 ，不宜过大。 第1 2 孤 山东大学硕士学位论文 b 1 脉冲宽度对加工速度的影响 在电流一定时，脉冲能量与脉冲宽度成正比，脉冲宽度越大，脉冲能量 也越大。亦即脉冲宽度增加时，加工速度也随着增加。同时，脉宽也有一个 极限值，当超过这个极限时，加工速度反而下降。这是因为当脉宽增加到一 定数值时，单个脉冲的能量虽然增大，但转换的热能有较大一部分散失在电 极与工件之中，不能起到蚀除作用。同时，由于蚀除产物增多使排屑和排气 条件恶化，消电离时间不足，引起拉弧，加工稳定性会受到破坏。 c ) 脉冲间歇对加工速度的影响 在脉冲宽度一定的条件下，脉冲间歇小，脉冲频率高，加工速度高。反 之，加大脉间会使加工速度降低。但是过分地减小脉间，会使放电间隙来不 及消电离，破坏了加工的稳定性，也会使加工速度降低。 因此，脉宽与脉间的匹配是保证加工过程稳定，提高加工速度的重要因 素。 d ) 抬刀对加工速度的影响 抬刀有自适应抬刀和定时抬刀，一般电火花成形机床都应具备这些功能， 在加工条件不好的情况下，这两种形式的抬刀都有利于排屑，防止电极和工 件拉弧烧伤，实现稳定加工，提高生产率。定时抬刀一般和冲抽油相配合使 用。 加工时如果不需要定时抬刀，原则上不用。因为过分地使用定时抬刀， 如加大抬刀高度和加快抬刀频率，都会使加工速度降低。 e ) 非电参数对加工速度的影响 在电火花加工过程中，工作液能保证间隙中有适当的绝缘强度，保证脉 冲放电顺利进行，并且工作液的流动使得切屑可以顺利的排除。介电性能好、 密度和粘度大的工作液有利于压缩放电通道，提高放电的能量密度，强化电 蚀产物的抛出效应，但粘度大不利于电蚀产物的排出，影响正常放电【2 8 】。所 第1 3 页 山东大学硕士学位论文 以，应根据具体的加工条件，选用合适的工作液，从而提高加工速度。 冲、抽油的大小和方式都会影响加工速度。其选用原则是有利于切屑的 排除，同时不破坏加工的稳定性，从而提高加工速度。小孔加工，利用高压 排屑可以极大地提高加工速度。 另外，电极材料和工件材料也影响加工速度。例如，一般情况下，在中 脉宽段，正极性加工，石墨电极的加工速度优于铜电极；在宽脉冲和窄脉冲 段，铜电极的加工速度优于石墨电极。工件材料熔点、沸点越高，比热、融 化潜能和气化潜能越大，加工速度越低，越难于加工。 2 工具电极损耗 在电火花加工中，工具电极损耗直接影响加工精度，特别是对于型腔的 加工，电极损耗指标比加工速度更为重要。 电极损耗分为绝对损耗k 和相对损耗0 由于相对损耗更能反映工具 电极的耐损耗程度，所以在生产实际中多采用相对损耗来衡量工具电极耐损 耗的指标。即 0 = 蹦1 0 0 ( 2 - 2 ) 其中0 相对损耗k 绝对损耗一加工速度 影响电极损耗的因素很多，主要有电极极性、脉冲参数、电流、放电间 隙、工具电极、工件电极等。 a ) 电极极性对损耗的影响 电火花加工过程中，正、负极都受到不同程度的电蚀，这种单纯由于正 负极不同而蚀除量不同的现象叫做极性效应。正确的选择极性，可以有效的 降低工具损耗。一般紫铜- 钢、石墨钢，粗中加工采用负极性加工，即：工件 接负极，工具接正极，电极损耗较小；而精加工或微精加工采用正极性加工， 电极损耗较小。 b ) 脉宽对损耗的影响 繁1 页 山东大学硕士学位论文 曼曼蔓暑鼍曩笪_ 曩量_ _ l - _ _ _ - _ - _ _ i i 皇i 脉宽增大时，单位时间内放电时间加长，放电次数减少，同时，工件( 负 极) 承受正离子轰击的机会增多，正离子加速时间也长，极性效应比较明显。 同时，电极容易产生“覆盖效应”，可以有效的保护电极表面，使电极损耗 降低。 c 1 脉冲间隔对损耗的影响 在脉宽不变的情况下，脉间增加，电极表面温度降低，“覆盖效应”减 少，电极损耗加大。但是，脉间减小有一个极限，超过这个极限则来不及消 电离，容易产生拉弧现象，反而降低加工速度。例如，当峰值电流、脉冲间 隔一定时，黑膜厚度随脉宽的增加而增厚，由于碳的熔点和气化点很高，可 以保护和补偿电极，从而减少电极损耗。当峰值电流、脉冲宽度一定时，消 电离增强，“覆盖效应”减少，碳黑薄膜随脉间的增加而减薄。 d ) 电流对损耗的影响 对于一定的脉冲宽度，加工时的电流峰值不同，电极损耗也不同，用紫 铜电极加工钢时，随着电流峰值的增加，电极损耗也增加。所以，在铜一钢的 中、精加工中，要想得到低损耗，在脉冲宽度一定的情况下，应减少功率管 数，降低峰值电流。但是应该注意，在石墨钢加工时，由于“覆盖效应”， 随着电流的增加，电极损耗反而减小。 由于电流的大小对加工速度和电极损耗的影响不一致，我们可以利用电 流密度的把二者统一起来生产实践得出：在粗加工条件下 ，- 铜一钢 4 a j c m 2 f 最大电流密度值j l l 石墨一钢 3 a c m 2 如果电流密度高于上值，生产率有所提高，但电极损耗加大。精加工时， 最大电流密度值应小一些。 e ) 冲、抽油对电极损耗的影响 第1 5 黄 山东大学硕士学位论文 电火花加工中产生的气体，金属颗粒，碳黑等蚀除物必须及时排除，否 则影响加工过程的稳定性。如果强迫冲、抽油压力过大，虽然有利于排气排 屑，但由于它的冷却作用，降低了“覆盖效应”，加剧了电极的损耗。石墨 一钢时，冲、抽油对石墨电极损耗影响甚微，是一个特例。 n 电极材料和工件材料对电极损耗的影响 一般情况下，熔点高、导电好、耐腐蚀性强、易形成碳化物覆盖层的电 极材料损耗低。损耗的大致顺序为：石墨( 粗标准) 紫铜 钢 o p e n ( ( l p c t s t r ) m _ s t r c m d t e x t ，( l p c t s t r ) ms t r c o n n e c t i o n ，a d o p e n d y n a m i c ，a d l o c k o p t i m i s t i c ，a d c m d u n k n o w n ) ； 3 使用a d o 捆绑类c a d o r e e o r d b i n d i n g 的继承类访问记录集中的数据 访问记录集中的数据有两种方式：直接访问和间接访问。直接访问调 用c h a n g e t y p e ( ) 函数将v a r i a n t 类型v tb s t r 强制转换为字符串类型的 值，需要写的代码非常多。采用间接访问方式，用c a d o r e c o r d b i n d i n g 类 对v a r i e n t 类型的值进行映射和捆绑，则相对比较简单。因为 c a d o r c c o r d b i n d i n g 类定义在i e r s i n t h 头文件中，定义了四个宏用于对 v a r i e n t 类型的值进行映射和捆绑。 在使用时，首先定义一个c a d o r e c o r d b i n d i n g 类的继承类 c d a t a r e c o r d ，然后利用c a d o r e c o r d b i n d i n g 类的宏把记录集中的值和 c d a t a r e c o r d 类中的变量相对应。 最后，还需要指向记录集中的c o m 接i s li a d o r e c o r d b i n d i n g 的指针， 并用捆绑函数对数据进行捆绑。代码如下： 第4 8 页 山东大学硕士学位论文 i a d o r e c o r d b i n d i n g + m _ j a i a d o r e c o r d b i n d i n g ； m j a r s 一 q u e r y i n t e r f a c e ( _ u u i d o f ( i a d o r e c o r d b i n d i n g ) ，( l p v o i d + ) & m p i a d o r e c o r d b i n d i n g ) ； m j a i a d o r e c o r d b i n d i n g - b i n d t o r e c o r d s e t ( & m r s r e c s e t ) ； 4 用面向对象技术对数据库进行管理 使用面向对象技术，用类( c p e r d l g 类) 对变量和函数进行封装，大大简化 了程序的编写和编译，有利于程序的安全1 3 9 1 。在c p e r d l g 类中，我们封装的 函数主要有： v o i ds a v e r e e 0 ；保存加工条件 v o i dd e l e t e ( ) ；删除数据记录 v o i dc r e a t b l a n k r e c o r d 0 ；仓j j 建空记录 v o i dm o v e f i r s t 0 ；移动到首记录 v o i dm o v e l a s t ( ) ；移动到最后记录 v o i dg e n e r a t e e r r o r ( h r e s u l th r , p w s t rp w s z d e s c r i p t i o n ) ；错误捕 捉函数 v o i da d d n e w 0 ；添加新纪录 v o i du p d a t e b o u n d d a t a 0 ；更新记录集 v o i dr e f r e s h b o u n d d a t a o ；界面显示更新 另外，必须在初始化函数v i r t u a lb o o lo n l n i t d i a l 0 9 0 q b ，以便一旦运行 该类便建立数据库的连接，打开记录集。 利用这些函数就可以实现最数据库的添加、删除、查询、更新，以及临 时数据的保存、显示等，完成对数据库的管理。 第4 9 页 山东大学硕士学位论文 3 4 小结。 用软件工程的方法对超声振动一磨削一放电复合加工建立了数据库，同 时用面向对象的方法实现对数据库应用的管理。通过分析和设计，本数据库 可以在很大程度上提高超声振动一磨削一放电复合加工的工艺指标，同时由 于v c + + 提供的大量控件，可以提高数据库的使用性能和提高整个系统的 可操作性。另外，本数据库对超声振动一磨削一放电复合加工方法的进一步 系统研究工作奠定了基础。 第5 0 页 山东大学硕士学位论文 第4 章超声振动一磨削一放电复合加工控制系统软件设计 与实现 超声振动磨削一放电复合加工控制系统设计的重点在于间隙的状态 检测和加工速度的控制。首先必须选出适合的加工参数，然后编制出加工控 制程序，控制整个加工过程。为了方便使用，设计编写了一套自动生成代码 的程序。 本程序设计是依据软件开放性的原则，采用软件工程的原理和方法来进 行设计的。 4 1 超声振动一磨削一放电复合加工软件系统需求分析 软件需求分析工作是软件生存期中重要的一步，也是决定性的一步。需 求分析就是把对软件功能和性能的总体要求描述为具体的软件需求规格说 明。该过程将软件计划阶段所确定的软件范围逐步细化到可以详细定义的程 度，并分析出各种不同的软件元素，然后为这些元素找到可行的解决方案。 它要求对用户的功能和性能要求进行全面、准确的理解，并在这个基础上恰 当地描述这些需求4 。 4 1 1 功能系统结构 超声振动一磨削一放电复合加工数控系统的的总体结构如图4 1 所示。 整个系统由硬件系统和软件系统两部分组成，其中的软件系统包括可以分别 完成系统的准备、参数获取、加工以及电源管理和工作液管理等功能，同时 还可实现用户手动输入n c 代码的功能；硬件部分包括伺服系统、工作液循 第5 l 页 山东大学硕士学位论文 环系统和电源三部分，在硬件上实现加工控制。 图4 1 超声一磨削一间隙火花放电数控系统结构图 4 1 2 开发目标 由第二章中图2 4 可知，主运动是工具头的上下( z 轴) 运动，进给运 动有水平面内的平动( x 轴和y 轴) 和工具头的转动( c 轴) ，最终实现三 轴联动四轴控制。 由于对电火花放电加工机理和规律至今还没有完全、彻底的掌握，多数 加工过程控制都是凭借操作人员的经验进行的。因此，目前许多先进的电火 花加工机床还没有发挥应有的加工效率和达到最好的加工质量。随着对电火 花加工机理和规律认识的逐步深入和提高，一些现有的加工设备还可以进行 二次开发，即追加一些新功能或替换一些旧的功能模块。对电火花加工数控 第5 2 页 山东大学硕士学位论文 机床的数控系统进行开放式设计，在硬件与软件的开发中尽量