（机械制造及其自动化专业论文）石墨电极电火花加工工艺研究.pdf

摘要 石墨电极具有电极损耗小、加工速度快、耐高温、加工精度高等优点，是模 具电火花加工理想的电极材料。开展石墨电极电火花加工工艺研究，对于推动石 墨电极的应用，提高模具的加工精度具有理论指导意义。 本论文通过对石墨电极电火花加工特性及电加工工艺与电加工机床的适应 性研究，建立石墨电极电火花加工参数优化模型，为石墨电极电火花加工提供依 据。 1 、通过大量的电加工实验和多种测试手段，研究了电极极性、脉冲宽度、 脉冲间隔、开路电压、峰值电流、石墨颗粒尺寸和工件材料对石墨电极电火花加 工的影响规律。 2 、分别在4 种不同的电火花加工机床上对石墨电极电加工特性进行了研究， 分析了石墨电极电火花加工工艺与电火花机床的适应性。 3 、初步利用b p 神经网络技术建立了石墨电极电火花加工参数优化模型。 通过系列实验研究和理论分析，获得以下结论： 1 、脉冲宽度和峰值电流对石墨电极电火花加工特性( 电极损耗、加工速度 和表面粗糙度) 影响比较显著，脉冲宽度越大，电极损耗越小，存在负损耗。开 路电压和脉冲间隔存在最优值，石墨颗粒尺寸和工件材料对石墨电极电火花加工 特性影响也比较显著。 2 、c h a r m i l l e sr o b o f o r m3 5 机床的加工速度较快，加工精度高，但电极 损耗较大，适合精密加工；s o d i c k a 3 5 r 机床加工精度良好，电极损耗较小，但 加工速度慢。效率低；g o l ds a n 机床和a g i e 机床放电状态不稳定，容易发生 电弧放电和烧蚀现象，加工精度低，不太适合石墨电极电火花加工。 3 、石墨电极电火花加工工艺模型可以有效地预测加工效果，该模型对加工 速度、表面粗糙度和电极损耗比的平均预测误差分别为3 6 2 、2 、1 5 7 ，真 实反映了机床的加工工艺规律。 关键词：石墨电极电火花加工b p 神经网络 广东工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h e a d v a n t a g e ss u c ha sl o w e rw e a rr a t i o ，r a p i dm a c h i n i n gs p e e d ， h i g hh e a t r e s i s t a n ta n dm a c h i n i n gp r e c i s i o n ，g r a p h i t ee l e c t r o d ei s ak i n do fp e r f e c t e l e c t r o d em a t e r i a li nt h ee d m p r o c e s so f d i ea n dm o u l d i no r d e rt oi m p r o v ei t su s e i nt h ei n d u s t r y , i ti sv a l u a b l ea n di m p o r t a n tt or e s e a r c hm a c h i n i n gt e c h n o l o g yo f g r a p h i t ee l e c t r o d ef o re d m i nt h i st h e s i s ，p a r a m e t e r so p t i m i z e ds e l e c t i o nm o d e lo fg r a p h i t ee l e c t r o d ef o r e d mi se s t a b l i s h e db a s e do nt h er e s e a r c ho fe d mc h a r a c t e r i s t i c so fg r a p h i t e e l e c t r o d ea n d a d a p t a b i l i t yo fm a c h i n i n gt e c h n o l o g y t od i f f e r e n te d mm a c h i n et o o l s e f f e c t so fe l e c t r o d ep o l a r i t y ，p u l s ed u r a t i o n ，p u l s ei n t e r v a l ，o p e n c i r c u i tv o l t a g e ， p e a kc u r r e n t ，g r a i n s i z eo fg r a p h i t ee l e c t r o d ea n dw o r k p i e c em a t e r i a lo ne d m c h a r a c t e r i s t i c so fg r a p h i t ee l e c t r o d ew e r es t u d i e dt h r o u g hal o to fe x p e r i m e n t sa n d a n a l y s i s e d mc h a r a c t e r i s t i c s o fg r a p h i t ee l e c t r o d ew e r em e a s u r e do nf o u re d m m a c h i n et o o l si no r d e rt oa n a l y z ea d a p t a b i l i t yo fm a c h i n i n gt e c h n o l o g yt oe d m m a c h i n et o o l s e d m m a c h i n i n gt e c h n o l o g y m o d e lw i t h g r a p h i t e e l e c t r o d e e s t a b l i s h e db yb pn e u r a ln e t w o r kw e r ec a r r i e do u t t h er e s u l t si n d i c a t et h a te f f e c t so fp u l s ed u r a t i o na n dp e a kc u r r e n t0 ne d m c h a r a c t e r i s t i c s ，i n c l u d i n g t h ee l e c t r o d ew e a r ，m a t e r i a lr e m o v a lr a t e a n ds u r f a c e r o u g h n e s s ，a r es i g n i f i c a n t t h e r e a r ea no p t i m u mp u l s e o f ft i m ea n do p e n c i r c u i t v o l t a g e i nt h i se x p e r i m e n t g r a i ns i z eo fg r a p h i t e ，w o r k p i e c em a t e r i a la n d i tw a sa l s o f o u n di nt h i st h e s i st h a te d mm a c h i n et o o l sa f f e c tt h er e s u l t so f e d mc h a r a c t e r i s t i c s i tw a sp r o v e dt h a tt h a te d mm a c h i n i n gt e c h n o l o g ym o d e lw i t hg r a p h i t ee l e c t r o d e e s t a b l i s h e db yb pn e u r a ln e t w o r kc a ne f f e c t i v e l yp r e d i c tm a c h i n i n ge f f e c t ，a n dr e a l l y r e f l e c tm a c h i n i n gt e c h n o l o g yr u l eo fm a c h i n et o o l s t h em e a np r e d i c t e de r r o r sw e r e 3 6 2 、2 、1 5 7 f o rm a t e r i a lr e m o v a lr a t e ，s u r f a c er o u g h n e s sa n de l e c t r o d ew e a r ， r e s p e c t i v e l y ， k e y w o r d s ：g r a p h i t e e l e c t r o d ee d mb pn e u r a ln e t w o r k i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 本课题的研究意义 模具在汽车、机电、航空航天等工业领域日益成为工业化批量生产的主要工 艺设备，承担了这些工业中6 0 一9 0 的产品零部件的加工生产 1 。珠江三角洲 地区聚集了1 6 0 0 0 多家模具企业，提高模具生产的整体水平，对促进广东乃至整 个国家发展，都具有很大的经济效益和社会价值。虽然近年来高速铣削突破了传 统铣削难以加工高硬、高强、高韧材料的限制，但电火花加工仍然是模具型腔加 工的主要手段。它的加工精度和表面质量高，可加工范围宽，特别是在复杂、精 密、薄壁、窄缝、高硬材料的模具型腔加工中的优势是高速铣削所不能比拟的。 在电加工过程中，电极材料是电火花加工中的关键因素，电极用于传输电脉 冲，蚀除工件材料，而电极本身尽量不损耗。它直接决定电加工的质量，如加工 速度、表面粗糙度、加工精度等。为了实现这些目的，电极应该具有：加工速度 快、损耗低、精密加工且加工成本低。众所周知，针对不同的加工类型和不同的 工件材料，各种电极的性能也不同，因此电极的优选尤为重要。 可用作电火花加工电极的材料很多，其中最常用的有黄铜、紫铜、铜钨合金 和石墨。铜的导电传热性好；钨的熔点高，损耗小；它们的合金则结合两者的优 点。而石墨是一种非常特殊的材料，它兼有金属和非金属特性，具有较高的高温 强度、低热膨胀系数、较好的可加工性和良好的热、电导率 2 - 4 。高质量的各向 同性石墨具有颗粒细小均匀，强度高等特点；这种石墨电极因电极消耗小、加工 速度快、耐高温、加工精度高等优点，逐渐代替铜电极成为目前电加工电极的主 流 5 1 。 国外电火花加工所用的电极主要是石墨，而我国主要使用铜电极。目前铜电 极和石墨电极的应用比：在日本为3 7 ，美国为1 ：9 ，欧洲为3 7 ，近几年来，石 墨高速加工中心的出现解决了常规的机械加工己很难完成的复杂石墨电极几何 形状的加工，使石墨电极的应用更为广泛 6 ，7 1 。而国内的模具界对石墨电极的认 识不够，铜电极和石墨电极的应用比为7 ：3 ，远远落后于发达国家卯。 1 j 乐工业大学工学硕士学位论文 电火花加工所选取的工艺参数直接决定加工效果，而工艺参数和工艺效果之 间的关系异常复杂。解决工艺参数选择难的关键是建立一个合理有效的电火花加 工系统，并应用此系统实现在全局范围内加工效果的预测，进而实现工艺参数的 自动优化选取。 作为广东省十五重大科技计划项目“注塑成型模具超精密加工关键技术研 究”和上海东洋炭素有限公司合作项目“石墨电极应用性能研究”的一部分，本 论文针对石墨电极在实际应用中的各种问题，以上海东洋炭素有限公司生产的石 墨电极材料为电极材料，以模具电加工常用的模具钢作为工件材料，研究了石墨 电极电火花加工的特性，并在实验的基础上提出了一套基于b p 神经元网络的石 墨电极电加工参数优选系统。这些研究对于提高模具制造业的社会效益和经济效 益具有重要意义。 1 2 国内外研究现状 首先对与本研究密切相关的石墨及石墨电极的性能、电火花加工的基本过 程、电火花机床和神经网络等方面的研究内容进行综述。 1 2 1 石墨及石墨电极的性能 1 2 1 1 石墨及其性质自然界中存在的单质碳( 或称纯碳) 数量非常少，只有三 种同素异形体，即金刚石、石墨和炔碳。石墨是一种非常特殊的材料，它是碳原 子之间呈六角环形平面网络的多层叠合晶体( 如图卜l 所示) 。石墨属于无机非 金属材料，但它具有良好的热、电传导性而被称为半金属，同时石墨具有远比金 属低的热膨胀系数、较高的高温强度和化学稳定性；并且石墨又是一种耐高温材 料，在高温下石墨不会融化，在常压下3 6 5 0 1 2 开始升华变成气体。因此石墨电 极已广泛用于冶金、电炉、电火花加工工具电极等领域【3 8 】。 1 2 1 2 各向同性石墨电极的制造工艺高密度高强度各向同性石墨的制造工艺分 为以下八步1 0 】，如图1 2 所示： ( 1 ) 第一次粉碎混合、粉碎原料( 焦碳、石油、煤炭) ，平均颗粒直径达到 几u m 十几p m ，颗粒直径根据制造电极的材料作相应的变更；为了调整粉碎后 颗粒直径的分布混入粉体。 第一章绪论 图1 - 1 石墨晶体的空间结构示意图8 】 f i g 1 - 1t h es k e t c ho fc r y s t a lc e l lo fg r a p h i t e 如由 第一次调配、混捏第二次i 粉碎混合 粉碎 图1 2 工艺流程1 0 1 f i g 1 - 2t e c h n i c a lf l o wc h a r t ( 2 ) 调配与混捏把规定好重量的原料与粘接材料( 沥青、焦油) 放入混捏 机中。根据材料不同，有时加入添加材料( 人造石墨、炭黑) ：边加热边把原料 与粘接材料搅在一起，使原料表面粘上粘接材料。 ( 3 ) 第二次粉碎与混合混捏后会形成很大的块，不能进行成形的，必须粉 碎到适用于再度成形的粒度，需要进行二次粉碎；为了调整第二次粉碎的颗粒直 径分布混入粉体。 ! 查三些奎兰三兰堡圭兰堡篁三 ( 4 ) 冷等静压成型如图1 - 3 所示，把混合后的粉体放进橡胶制的模型中、待 盖密封后，把橡胶模型放入金属框里，然后在把它放到c i p ( 等静压成型) 机中 加水压，使之周围受到同等压力。模型因受到全面的压力，各粒子就会朝着各个 方向运动，使石墨块各个方向的特性基本是均一的。正是从这一点才把它叫做各 向同性石墨。 图1 - 3 等静压成形机1 0 】 f i g 1 - 3c o l di s o s t a t i e p r e s sf i g u r a t i o nm a c h i n e 图1 - 4 炭素化、石墨化模型【1 0 】 f i g 1 - 4s h a p i n gg r a p h i t ec r y t a lo fm o d e l ( 5 ) 第一次烧制原料与粘接材料为有机化台物，都存在大量的氢、硫磺等 其他元素。通过在约1 0 0 0 * c 下的热处理进行炭之间的聚合，从而去除其他元素 提高炭素的纯度。把成形块放到炉内到取出需一到一个半月，与此同时尺寸会收 缩、重量也会减少。 ( 6 ) 浸渍烧制会有大量的分解气体产生，它会穿过成形块在石墨块中会产 生很多气孔，当有必要提高石墨特性时往气孔中加压注入浸渍物质沥青，并且在 浸渍过程中重量会增加。 ( 7 ) 第二次烧制在进行沥青浸渍时炭化沥青，同第一次烧制比较因炭化沥 青量少，所需时间比第一次烧制要短，并且不会发生尺寸的收缩，但重量会有所 减少。 ( 8 1 石墨化如图1 - 4 所示，随着热处理温度升高，炭素的六角环结晶的连接 数不断的扩大。通过烧制炭素块的纯度会变高但仅此石墨结晶并不彻底。为了修 正炭索的六角环平面并扩大六角环结晶的连接数，形成正六面体的层状晶体结 构，在2 0 0 0 3 0 0 0 * ( 2 左右的高温下进行加热处理。这样，密度、电传导性、热传 4 导性、自润滑性、化学稳定性都会提高，而且硬度、强度、灰份较炭块低。石墨 化温度3 0 0 0 c 的情况下，把炭块放到炉内到拿出约需2 个月的时间。 由以上工艺形成的石墨是各向同性石墨，其颗粒没有择优取向，它的强度、 导电能力等在各个方向上都一致，组织均匀，颗粒细小。因此在电加工中获得广 泛应用，从刻模用的精细电极，到各种复杂模具，都可取得良好的加工效果。 1 2 1 3 石墨电极的优点 5 , 6 , 3 2 】 1 ) 电极消耗小：根据电气条件的不同，为铜的1 3 1 5 ，粗加工时可以达 到无损耗状态，而铜电极则不能； 2 ) 加工速度快：为铜的1 5 3 倍，粗加工时更为有利，并且不需要额外手 工去除毛刺、缺口等： 3 ) 机械加工性能好：切削力为铜的1 4 ，加工效率是铜的2 3 倍，不会出现 机加工铜电极处理毛刺缺口等问题： 4 ) 重量轻：比重为铜的1 5 ，可用于大型电极； 5 ) 表面处理容易：可用砂纸简单地处理纹理，可以使石墨电极表面粗糙度 降到最低，可以受外力变形； 6 ) 耐高温：升华温度为3 6 5 0 ( 2 ，高温条件下不软化，可以高效、低耗地将 放电火花的能量传送到工件上； 7 ) 加工温度高：热膨胀系数为铜的1 4 ，可以减少热变形； 8 ) 电极可粘结：使用导电性粘结剂可将不同性质尺寸的电极粘接在一起【1 1 1 。 9 ) 电极的设计不同：通常铜电极的粗加工和精加工有不同的预留量，而石 墨电极则使用相同的预留量，减少了c a d c a m 和机器加工的次数，提 高模具的精确度。 1 2 1 4 石墨电极的分类及电加工特性在电加工过程中，电极用于传输电脉冲， 蚀除工件材料，而电极本身尽量不损耗。因此，电极材料必须满足以下几个条件： 首先，它必须导电，这是最基本的条件。第二，既能有效地蚀除工件材料， 自身的损耗又小。第三，电极材料本身易于加工成形。而石墨无熔点，是电的良 导体，抗热震性强，并且易于加工成形，是极佳的电火花加工电极材料，1 2 】。 目前e d m 石墨电极的生产厂家有t o y ot a n s o ，i b i d e n ，p o c o ，s g l c a r b o n e 等。 各厂家对石墨电极的分类方法有所不同，主要牌号的肖氏硬度及其强度、密度、 电阻率、颗粒尺寸如表i - 1 所示以及图1 5 是东洋炭素国内推出的几种不同牌号 5 厂东工业大学工学硕士学位论文 石墨的偏光结构照片。目前p o c o 公司资料还介绍了特微( 埃米级) 石墨，晶 粒尺寸小于1 微米，超高强度，肖氏硬度在8 0 以上，有很高的耐磨性和切除率， 满足一些极细部特殊加工的要求，并且适用于线切割加工【钔。根据各种石墨的晶 粒尺寸、硬度及强度等各不相同，分别用于粗加工、半精加工、精加工、精细加 工、超精细加工、精密加3 ：线切割【”1 ( 表1 - 2 ) 。 表1 1 东洋炭素e d m 石墨电极的分类及应用 1 3 1 t a b l el 一1 c a t e g o r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no fe d mg r a p h i t ee l e c t r o d e 晶粒肖氏 类别直径硬度 强度电阻率密度 应用 m p au n m m g m 3 u ms h o r e 精细石墨主要用于粗加工和半 t o y ot a n s o精加工，加工精度要 1 0 2 04 5 6 03 5 5 01 0 1 41 6 1 9 i s e m 2 求不高的铸、锻模加 i s e m 3工 超细石墨主要用于大型模型精 t o y ot a n s o 加工，可获得较好的 6 1 06 5 7 55 0 6 51 3 1 51 7 1 8 5 i s e m 8耐磨性和良好的细微 t t k 5 0部加工 极细石墨有较好的抗压、抗弯 t o y ot a l l $ o 强度，可保证较好的 i s o 一6 3 1 57 0 8 07 5 9 51 2 1 71 8 1 9电极强度和加工精 i s o 8 8度，可用于精细加工 t t k 4和超精细加工 电火花加工用户关注电极性能要素主要包括加工速度、电极损耗率、表面粗 糙度、可加工性、原料成本等。因此，如果加工精度要求不高的大型型腔，需要 大尺寸的电极材料，而且要求加工速度快，成本低，可以选择粗加工和半精加工 石墨。如果要加工精细的小型型腔，因为此类加工对电极的耐损耗率、可加工性 和表面质量要求很高，应根据加工要求的不同，选择精加工、精细加工、超精细 加工和精密加工用石墨，这类石墨微粒小，强度高，能够保持复杂的加工细节。 6 第一章绪论 i s e m 一3 ( 1 0 1 t m ) i s e m - 8 ( 8 p r o )i s o - 6 3 ( 5 0 m )i s o - 8 8 ( 3 岬) 图1 5 石墨电极的组织结构照片1 0 】 f i g 1 - 5t h es t r u c t u r ep h o t o g r a p ho fg r a p h i t e 表l 一2 主要厂家的e d m 石墨应用分类比较图d 3 t a b l e1 2c l a s s i f i e dc o m p a r i s o no fe d m g r a p h i t eo fm a i nf a c t o r i e s t o y o l e i b i d e np o c ot o k a is g l t a n $ oc a r b o n e i s e m le d 1r 8 3 4 0 e l l o r + 1 l 粗加工e d m 一1 0 0 e c - 4 ( h k - 0 ) i s e m 2e x 一3 0r 8 5 0 0 xe l l o r + 1 5 半精 e d 1 le c 1 0e l l o r + 18 i s e m 3e d m 1 5 0r 8 5 0 0 加工 e x 一5 0 e c - 1 2 ( h k 1 ) e l l o r + 2 0 i s e m 8 e c 一1 4 ( h k 一2 x ) 精加工 e d 3e d m 2 0 0r 8 5 1 0 e l l o r + 2 5 t t k 5 0 e c - 1 5 ( h k - 2 、 精细 e x 7 0e d m 1e l l o r - o3 0 i s o 6 3 e c - 1 6 ( h k 7 5 ) r 8 6 5 0 加工e x 7 7e d m 2e l l o r + 3 5 超精细 i s o 8 8 e d 一4e d m 3 e c - 1 7 ( h k 一3 1 r 8 7 1 0e l l o r + 5 0 加工 t t k 一4 精密加 t 线切i s o 9 5e d m a f 5 割 1 2 2 机床的选用 同使用铜电极加工一样，除了电加工参数和石墨颗粒直径对石墨电极电加工 特性的影响，电火花机床本身( 如主轴性能、脉冲电源及智能控制、冲洗方式和 7 广东工业大学工学硕士学位论文 加工液) 对石墨电极的加工性能有重要的影响，它直接影响加工表面粗糙度，电 极损耗和加工精度。 1 2 2 1 主轴性能 ( 1 ) 抬刀排屑 主轴抬刀对于改善深槽( 型) 微细加工等电加工的排屑问题，防止积碳和二 次放电现象，高速抬刀是发展的必然。日本m i t s u b i s h ie a 系列电火花机床，主 轴抬刀速度可达3 m m i n ，并采用模糊控制技术决定最合适的抬刀速度、抬起和 下降时间、抬刀轨迹，可达到最佳的排屑效果。特别改善筋条加工这一类最困难 的加工，获得最短的加工时间和最低的加工成本( 见图1 6 ) 2 3 , 2 4 1 。日本s o d i c k 公司a q 3 5 l 主轴采用直线电机控制，传动机构简单，不用滚珠丝杠没有传动间 隙，能实现高速度、高加速度移动，满足了e d m 加工高速响应的要求。最大驱 动力高达3 0 0 0 n ，快进速度可达1 0 0 m m i n ，最大加速度达到1 g 以上，能消除由 于电蚀产物未排除而发生的集中放电，二次放电间隙不均匀性等得到极大的抑 制，特别是加工深槽窄缝取得良好的效果 2 5 , 2 6 1 。例如：用端面积为l m m x 3 8 m m ， 斜度1 0 的石墨片电极加工钢，深度达7 0 r a m 免冲洗，粗加工2 h 1 0 m i n ，精加工 l h 3 0 m i n ，总共用3 h 4 0 m i n ，提高了加工速度。瑞士c h a r m i l l e s 公司的 r o b o f o r m 3 5 p ，不但提高了主轴运动速度，还提高了坐标轴的运动速度，使电 极交换节省时间3 5 ，因此在加工1 0 0 m m 深的型腔、用截面2 0 m m x 2 0 m m 的电 极，无冲洗。用石墨电极的加工时间仅为5 h 。表面粗糙度达到r 。1 0 l m 。m a k i n o e d n c 系列高速抬刀在小型机床上是2 m m i n ，大型机床上是1 0 m m i n 【2 钔。 加工时间( h r ) 复杂形状的筋条加工铜筋条加工 图1 6 提高抬刀速度的加工性能比较2 4 3 f i g 1 6t h ec o m p a r i s o no fm a c h i n i n gp e r f o r m a n c ew i t hr u n n i n gu ps p e e d o ft o o l 第一章绪论 r 2 1 主轴摇动 主轴的摇动功能可使电极运动平滑，加工表面均匀，得到高精度和高质量的 精加工表面。主轴的摇动功能可使电极运动平滑，加工表面均匀，得到高精度和 高质量的精加工表面。目前已有多种摇动方式( 如图1 7 所示) ，除了圆形和方 形摇动外，还有六角、半圆柱、半球、三维射线、三维圆弧等摇动轨迹，遇到其 它任意形状，可以根据一个完整的轮廓建立所需的摇动方式。m i t s u b i s h ie a 系 列电火花机床新开发的o r b i tp r o 摇动功能，电极以恒定运动进行加工，跟踪目 标形状，实现高稳定加工；而常规摇动加工，沿目标形状一点一点连续加工，电 极移动不平滑，变速移动，加工不稳定【2 4 ( 如图1 8 所示) 。 圆三维射线三维圆弧任意 图1 7 不同的摇动方式【2 4 l f i g 1 7d i f f e r e n ts h a k i n g ( a 1 常规摇动加工 ( b ) 新开发摇动加工 图1 - 8 摇动加工对比 2 4 1 f i g 1 - 8t h ec o m p a r i s o no fs h a k i n gm a c h i n i n g 1 2 2 2 脉冲电源及智能化控制脉冲电源对电火花加工的生产率、表面质量、加 工速度、电极损耗等都有很大的影响。模糊控制( f c 、f l c ) 电源利用c n c 系统 对间隙量、间隙电压、瞬时放电状况等参数进行检测，根据专家系统进行比较判 别，对电参数与伺服系统进行控制的一种由计算机控制的脉冲电源。它一般可以 提高加工速度2 0 一3 0 ，降低了电极损耗，在深槽、筋、多型腔、大面积的加 工中效果尤为明显【2 “。f p 脉冲电源是为控制加工屑而设计的脉冲电源，可防止 短路时加工屑的集中，它通过对加工电流的控制，改善了加工表面的质量，并且 能够显著地降低电极损耗【27 1 。m i t s u b i s h i 最新电火花机床采用全新f p i i 电源， 它采用了p s 电路和- s c 电路。p s 电路提供了一个稳定的超短脉冲讯号，放电 脉冲的最佳控制防止了短路现象，实现稳定的无光泽表面精加工，排除了精加工 9 r 东工业大学工学硕士学位论文 表面的波纹和凹陷现象。a s c 电路大幅度降低小面积精加工( 表面粗糙度为4 1 0 i _ t m r m a x ) 的电极损耗 2 4 1 。 m a k i n oe d n c 系列电火花机床采用p 脉冲2 ，加工稳定，对石墨电极的加 工尤其有效，可消除不规则放电情况发生，实现h q s f ( h i g hq u a l i t ys u r f a c e f i n i s h i n g ) ( 如图1 - 9 所示) 。采用人工智能( i e s ) 自动控制放电过程，但不降低 加工效率。主要是通过一个完整的专家系统，实现旋转补偿功能、检测功能等多 种功能。高灵敏度放电伺服技术可进行无冲洗放电，由于在无冲洗放电时，电火 花间隙变化不大，可实现稳定可靠的精加工( 图1 ，1 0 ) 。并且可以以 1 0 m m i n ( e d g e 2 型) 的速度进行电极高速跳跃，排除气体和残渣，能够在无冲洗 的状况下加工深窄腔 z g , 2 9 j 。 ( 工件尺寸为1 0 0 m m x1 0 0 m m ， 粗加工需4 h ，h q s f 精加工仅需2 h ， 表面粗糙度r m a x 达到3 l a i n ) 图1 - 9 采用石墨电极加工扬声器格栅用模具2 8 1 f i g 1 9p r o d u c i n g l o u d h a i l e rm o u l dw i t hg r a p h i t ee l e c t r o d e 无冲洗放电 冲洗放电 图1 1 0 放电加工有无冲洗比较【2 8 1 f i g 1 1 0t h ec o m p a r i s o no ff l u s h i n ga n d n of l u s h i n gw h e ne d m 1 2 2 3 工作液工作液与脉冲电源及控制系统一样，对加工效率、精度、电极损 耗等工艺指标直接产生影响。 第一章堵论 在国外石墨电极加工中主要使用的工作液有 2 3 - 2 9 】：美国h i r s c h m a n e n g i n e e r i n g 公司生产的i o n o p l 牌工作液，意大利c o m m o n w e a l t h o i l 公司生产 的e d m 2 4 4 ，以及e s s o ，f h s ，b p ，c a s t r o l 工作液等，可以获得快速冲洗 率，降低石墨电极损耗，获得良好的加工表面精度。混粉工作液通过添加硅粉、 铝粉、钨粉、铬粉、钛粉等导电粉末，使工作液更均匀，改善排屑条件，提高精 加工的稳定性，适合用于大面积精加工，可以减少抛光工时或无需抛光。日本石 油公司生产的e d 混粉工作液，适合大面积的塑料模具，大型石墨电极及筋条加 工时，能均匀、稳定的高速放电，实施镜面电火花加工成型加工时，可使精加工 时间缩短2 0 3 0 。日本m a k i n o 采用t t s c 添加剂的火花油，可以过滤，可以粗、 精加工共用套工作液系统且不需更换，在加工时分散放电，减少工件表面所产 生的表面针孔、波纹及条纹，有利于控制间隙，提高加工速度。如图i 1 l 所示 g s c 火花油与普通火花油相比可获得稳定的精度和较低的表面粗糙度，特别是电 极尺寸较大时，效果更明显【3 。 电极尺寸( m m ) 图1 1 l 工件表面粗糙度的对比【3 0 f i g 1 一l lt h ec o m p a r i s o no fs u r f a c ef i n i s ho fw o r k p i e c e w i t hd i f f e r e n td i e l e c t r i c 1 2 3 电火花加工 1 2 3 1 电火花加工机理电火花加工又称放电加工( e l e c t r i c a l d i s c h a r g e m a c h i n i n g 简称e d m ) ，是一种利用浸没在液体电介质中的两极之间产生脉冲放 电的电蚀现象进行尺寸、形状加工的特种加工工艺方法，它主要利用电能、电化 学能和热能等高能量密度进行加工。在加工过程中，工具电极和工件之间不断产 生脉冲性火花放电，靠放电时产生的局部、瞬时高温将金属熔蚀去除。这一过程 1 l 广东工业大学工学硕士学位论文 大致可分为四个连续的阶段：极间介质的电离击穿，形成放电通道；介质热分解、 电极材料熔化、气化热膨胀；电极材料的抛出；极间介质的消电离【”】。 ( 1 ) 极间介质电离、击穿，形成放电通道。当脉冲电压施加于工具电极与工件之 间时，两极之间立即形成一个电场，电场强度与电压成正比，与距离成反比，因 而在两极距离最近的突出点或者尖端处的电场强度一般最大。工作介质中不可避 免地含有某种杂质，使介质呈现一定电导率，在电场作用下，这些杂质使极间电 场更不均匀，当阴极表面某处的电场强度增加到1 0 5 v r a m 或l o o v p m 左右时， 就会产生场致电子发射，由阴极表面向阳极逸出电子。在电场作用下电子高速向 阳极运动，并碰撞介质中的分子或中性原子，产生电离，把最外轨道上的负电子 撞离出去，形成带负电的粒子，导致带电粒子雪崩式增多，使介质击穿而电阻率 迅速降低，形成放电通道，放电通道的建立仅需1 0 - 7 1 0 “s ( 图i - 1 2 ( a ) ) 。 ( c )( d ) 1 一正极2 一负极3 一放电通道4 一气泡5 一熔融金属区域 6 一翻边凸起7 一凝固金属微粒8 一熔融金属微粒9 一放电形成的凹坑 图1 1 2 电火花加工的基本过程3 1 】 f i g 1 - 1 2t h eb a s i cp r o c e s so fe 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 1 ( 2 ) 介质热分解、电极工件熔化、气化热膨胀。极间介质一旦被电离击穿，形成 放电通道后，脉冲电源使通道问的电子高速奔向正极，正离子奔向负极。电能变 成动能，动能通过碰撞又转变为热能，在通道内正极和负极表面分别形成瞬时热 源，达到很高的温度。高温使工作介质热分解气化，同时也使电极金属材料熔化 甚至沸腾气化，这些气化后的工作液和金属蒸汽，瞬间体积猛增，在放电间隙形 成气泡，迅速热膨胀和局部微爆炸( 图1 1 2 ( b ) ) 。 ( 3 ) 电极工件材料的抛出。通道和正负极表面放电点瞬时高温使工作液气化和 金属材料熔化、气化热膨胀，产生很高的瞬时压力。通道中心的压力最大，使气 化的气体体积不断向外膨胀，压力高处的熔融金属液体和蒸汽被排挤、抛出而进 入到工作液中。熔化和气化的金属在抛离电极表面时，向四处分溅，除抛入工作 液中收缩成小颗粒外，还有一部分镀覆、吸附在对面的电极表面上( 图1 - 1 2 ( c ) ) 。 ( 4 ) 极间介质的消电离。随着脉冲电压的结束，脉冲电流也迅速降为零，介质的 绝缘强度恢复，极间介质消电离，为下一次脉冲放电做准备( 图1 - 1 2 ( d 1 ) 。 1 2 3 2 电火花加工的特点由于电火花加工是基于脉冲放电时的电腐蚀原理，其 脉冲放电的能量密度很高，因而可以加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材 料，在一定条件下也可以加工半导体材料和非导电材料。电加工时，工具电极与 工件材料不接触，没有机械加工的切削力，加工时工件不会发生变形，适用于加 工薄壁零件；另外工具电极材料也不必比工件材料硬，工具电极制造容易。电火 花加工电流脉冲参数能在一个较大的范围内调节，故可以在一台机床上进行粗、 半精及精加工。 1 2 4 石墨电极电火花加工工艺研究 电火花加工( e d m ) 的原理是基于电极和工件( 正、负电极) 之间脉冲性 火花放电时的电腐蚀现象来蚀除多余的金属”】，但两者之间不产生显著的作用 力，具有传统切削加工无法比拟的优越性。电火花加工机理和实验方面国外都进 行了大量的研究，近年来，澳大利亚墨尔本皇家技术学院研究了c n c 电火花加 工过程中电参数对材料的去除率、电极损耗和工件的表面质量的影响，优化了电 参数【1 4 】；英国诺丁汉大学利用电极的吸附效应，在给定的电极损耗率的条件下， 提高加工速度d 5 ；台湾、新加坡和马来群岛等国家也提高对特定工件材料的电 火花加工的电参数优化，但都是针对铜及其合金电极的研究【1 6 18 1 。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 6 1 4 邑1 2 囊伯 警8 6 4 2 0 放电加工条件： 电火花机床：c h a r m i l l ec n c 电火花机床 石墨电极材料：东洋炭索石墨； 加工深度：0 2 r a m ：峰值电流：1 5 a m p s 脉冲宽度：5 0 p s ；脉冲间隔：5 0 t s 精密超精细精细精半精租 加工加工加工加工加工加工 ( c ) 图l 1 3 不同等级石墨电极的典型加工特征 1 2 】 f i g 1 - 1 3m a c h i n i n gc h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n t g r a d e o f g r a p h i t ee l e c t r o d e 国外在石墨电极电火花加工方面的研究报道很少。现在国外主要用各向同性 石墨作e d m 电极，并且已发展了一些新型石墨材料。日本有报道石墨电极可通 过浸渍铜、铝等金属提高了石墨电极的强度和热传导性，从而提高了耐磨性和加 工稳定性，降低了工件表面的粗糙度【”】；日本利用化学沉积的方法在石墨电极 的端面沉积一层c v d 碳，它的结构类似于热熔碳，c v d 碳电极在精加工时可以 使电极达到无损耗，并且比普通石墨电极更容易从工作液中吸附热溶碳，在短脉 冲时，得到较好的工件表面质量1 2 0 。哈尔滨工业大学于华初步分析了石墨电极 正负极性加工效果不同的机理，得出石墨电极正极性加工时加工不稳定，石墨电 极要用负极性加工，电极损耗小 2 u 。据内部资料报道，日本东洋碳素对在 c h a r m i l l e s 电火花加工机床上选择电加工参数已作了较系统的初步的探索【1 “，不 2 o 8 6 4 2 0 一蛊呈一髓瓣骝阻磷 第一章绪论 同等级的石墨电极在精密加工、超精密加工、精密加工、精加工、半精加工以及 粗加工时的电极损耗、加工速度和表面粗糙度的比较( 如图1 - 1 3 所示) 。p o c o 公司针对m a k i n o 的电加工机床提供了一套简单的工艺参数表 2 2 1 ，但适用性一般。 1 2 5 基于神经网络电火花加工参数优化系统 神经元网络是在现代神经科学研究成果的基础上提出来的，是一个具有高度 非线性的超大规模连续时间的动力系统，具有自组织、自学习和非线性动态处理、 大规模分布式并行处理等特性。它是一种不依赖于模型的控制方法，能够从大量 的数据中寻找规律，适合于解决复杂的非线性问题 3 3 , 3 4 】。电火花加工的工艺效 果和工艺参数之间的关系复杂，难以建立一个精确的数学模型来描述其工艺规 律，属于一个非线性问题。利用实验数据，采用神经元网络技术对电火花加工进 行建模，可以实现对石墨电极电火花加工参数优选。 国内外对电火花加工参数优选方面已进行了大量的研究，主要运用神经网 络、遗传法、模糊推理等智能技术对电火花加工进行建模。台湾的k u o m i n gt s a i 基于神经网络模型预测电加工的工件表面质量和材料去除率，平均预测误差分别 为8 8 5 和1 6 3 3 蚶3 6 , 3 7 。上海交通大学结合了神经网络优化模型和工艺数据库 各自的特点，建立了神经网络的电火花成形加工参数优选系统【3 8 】。哈尔滨工业 大学基于模糊推理和遗传法，自动生成优化的电火花加工条件3 9 - 4 1 1 。长春大学 和四川1 大学分别把模糊控制技术和智能技术用于电火花成形加工，实现了电火花 加工过程的参数优化【4 3 4 4 】。但都是针对铜电极进行的实验研究，而石墨电极的 电加工参数优化至今国内外尚无人研究。 广东工业大学工学硕士学位论文 1 3 本课题的来源与主要研究内容 1 3 1 课题来源 广东省“十五”重大科技计划项目( 编号：2 0 0 1 1 7 ) ： 注塑成型模具超精密加工关键技术研究 上海东洋碳素有限公司合作项目： 石墨电极应用性能研究 1 3 2 课题研究的主要内容 研究石墨电极电火花加工工艺参数优化； 研究对石墨电极电火花加工工艺与电火花机床的适应性 研究基于神经网络的石墨电极电加工参数优化系统。 1 3 3 课题研究的主要目标 掌握石墨颗粒尺寸、工件材料及电加工参数对石墨电极电加工特性的影 响规律，优化工艺参数； 掌握电火花机床对石墨电极电加工特性的影响规律； 建立基于神经网络的石墨电极电加工参数优化系统。 为石墨电极的电火花加工提供理论依据。 第二章石墨电极电火花加工工艺参数优化实验研究 第二章石墨电极电火花加工工艺参数优化实验研究 本章主要研究石墨电极电火花加工工艺参数优化。首先介绍了石墨电极放电 加工的实验设备和实验方案，然后通过实验测量计算其电火花加工特征( 电极损 耗、加工速度、表面粗糙度) ，对电极极性、电加工参数( 开路电压、脉冲间隔、 脉冲宽度、峰值电流) 、石墨颗粒尺寸及工件材料对石墨电极电火花加工的影响 规律进行分析，并通过正交实验对加工参数进行优化。 2 1 石墨电极的电火花加工实验 2 1 1 实验仪器及设备 i 、机床：c h a r m i l l e sr o b o f o r m 3 5 电加工机床，带有3 2 位工具摇动器，利用 c h a r m i l l e s 的“p i l o t - e x p e r t 3 ”系统，可根据加工深度自动调整振动频率和振动 长度，并且主轴具有高速抬刀功能，抬刀速度高达1 5 m m s ，微小能量的脉冲电 源可进行微细加工。图2 - 1 是实验装置的照片。 图2 - 1 实验装置 f i g 2 1e q u i p