电火花加工工艺参数的优化及其应用.pdf

电火花加工工艺参数的优化及其应用 姜自超 王 平 天津科技大学机械工程学院 天津300222 摘要 论述了在电火花加工中工艺参数对工艺效果的影响关系和目前常用的工艺参数优化的 方法 介绍了KBE技术及其在电火花加工工艺参数优化中的应用前景 提出应用KBE技术将为 电火花加工的工艺参数优化提供比较完美的解决方案 关键词 电火花加工 工艺参数 优化 KBE 电火花加工与其他加工方法相比 选择参数较 多 并且在加工过程中还存在着许多不确定因 素 1 在选取加工参数时既要保证单项工艺指标的 实现 又要综合考虑各项工艺指标之间的相互制约 因此将参数优化组合并灵活地运用于生产实践比较 困难 2 电火花加工参数的优化通常包括两部分 一是加工前最优加工条件的离线选择 二是对工艺参 数进行在线调整 本文论述了电火花加工工艺参数 优化的方法 阐述了K BE技术的原理 特点以及应用 于电火花加工工艺参数优化的可能性和发展前景 1 电火花加工工艺效果及其影响因素 反映电火花加工工艺效果的主要指标有 加工 精度 表面质量 加工速度和电极损耗比等 电火花 加工参数一般分为电参数和非电参数 它们相互影 响 关系错综复杂 加工参数对加工速度 加工精度 和表面质量的主要影响表现在以下几个方面 1 加工速度 是指一定规准下单位时间内工 件被蚀除的体积或质量 它主要受电参数 极性效 应 工件材质 工作液种类等因素的影响 电参数 的影响 加工速度正比于单个脉冲放电能量w和脉 冲频率f 极性效应的影响 极性效应即加工中由 于工件接脉冲电源的极性不同而发生的蚀除速度不 一样的现象 实践证明 材料不同 电参数等不同 极性效应的影响也各不相同 工件材料热学常数 的影响 w相同时 材料的熔点 沸点 比热容 熔化 潜热 汽化潜热等愈高 电蚀量愈小 加工速度愈低 相反 导热系数愈高 热量损失愈大 蚀除量愈大 工作液的影响 工作液对加工速度的影响既大又复 收稿日期 2004 07 01 第一作者简介 姜自超 男 1977年生 硕士研究生 杂 如 煤油作工作液 加工速度不如用水快 但用水 加工时 加工表面质量较差 2 影响加工精度的主要因素有 机床本身精 度 工具电极的尺寸和形状精度 工具 工件装夹误 差 放电间隙 电极损耗等 尺寸精度的影响 电 火花加工中 放电间隙随时都在变化 且与电参数等 有关 用S表示单面放电间隙 S增大 其在加工 过程中的波动范围 S亦增大 加工精度降低 工件 形状复杂程度愈高 或电极的损耗愈大 S就愈不均 匀 加工精度就愈低 形状精度的影响 如斜度等 电火花加工 电极或工件侧面有时有斜度 实践中可 以有效利用此特性 如型腔模 可作为拔模斜度 3 影响电火花加工表面质量的主要因素可从 表面粗糙度 加工表面层的组织变化 表面微裂纹3 个方面来分析 表面粗糙度 单个脉冲能量w越 大 凹坑越大 表面粗糙度值Ra越大 加工表面 层组织变化 工件加工表面层可粗略分为熔融凝固 层 淬火层 热影响层 熔融凝固层和淬火层的硬度 较大 组织与基体完全不同 热影响层与基体无明显 界限 表面微裂纹 因为加工时的瞬时高温和速 冷 造成表面产生拉应力 出现微裂纹 单个脉冲能 量增加 微裂纹宽度 深度增加 w很小时 不出现 微裂纹 工件材料不同 微裂纹出现情况也不同 3 2 电火花加工工艺参数的优化及KBE技术 2 1 电火花加工工艺参数的优化 1 基于智能技术的参数优化 智能技术在电 火花加工工艺参数优化中的应用形式有专家系统 模糊技术 人工神经网络及学习机能 专家系统的 实质是把选择电火花加工条件的相关知识有效的结 合到程序设计中 使系统具备专家的求解能力 它所 75 工艺 装备 电加工与模具 2004年第6期 具有知识的质量决定了系统性能的优劣 在优化电 火花加工条件的过程中 如果引入模糊技术 可以更 好地模拟熟练操作人员的思维过程 人工神经网络 是由多个神经元互连组成的大规模分布式并行信息 处理系统 具有自组织 自学习和容错性 它弥补了 传统的人工智能 专家系统的不足 能对复杂问题进 行有效的解决 另外 学习机能是指不断地把操作 者新的经验知识追加到专家系统的知识库中 使其 具有自学习的功能 这样就能不断地提高解决问题 的能力 上述各种智能技术既有各自所长 也有各 自欠缺 为了能更好地使智能技术对放电加工条件 优化发挥作用 有必要对它们进行综合的利用 相互 取长补短 1 2 基于遗传算法的参数优化模型 遗传算法 是基于自然选择和群体遗传机理发展起来的一种搜 索和优化方法 它模拟生命进化机制 利用各种遗传 算子 选择 交叉 变异 进行迭代 优选个体 它模 仿熟练操作者的决策过程 利用遗传算法从工艺数 据和加工实例中抽取出反映电参数和加工结果之间 关系的模糊产生式规则 当有新的加工要求时 基于 模糊产生式规则通过模糊推理就可提供一组合适的 电参数 从而实现电参数的优化 遗传算法已成功 地应用于参数优化和机器学习等许多方面 4 5 3 基于模糊理论的电参数优化模型 6 7 该 方法综合 权系数法 和 优先等级法 提出 优先等 级 权系数法 建立多目标规划模型 实现对电 规准选择的优化 此外 还有基于神经网络的电火 花加工工艺效果预测方法 8 为设定合适的电规 准 其他的工艺参数优化或优选方法还有经验公式 法 工艺曲线法 工艺曲面法 查表法等 6 后面提 到的这4种方法对一般加工条件下的电参数选取有 一定的指导作用 但由于要借助于经验 图表或者试 验曲线 都有一定的局限性 并且使用不方便 2 2 KBE技术 20世纪后期 以CAD CAM CAE PDM AI技 术的集成作为典型特征的KBE Knowledge Based Engineering 技术开始在工业领域广泛应用 9 由 于KBE是由多种技术相互交叉 渗透与集成而建立 的一种新型的开放式技术 尚未建立完备的体系 因 此还没有一种完备的定义 上海交通大学模具技术 研究所给出的定义是 KBE是通过知识驱动和繁 衍 对工程问题提供最佳解决方案的计算机集成处 理技术 是本领域专家知识的继承 集成 创新和管 理 是CAX技术与 AI 人工智能Artificial Intelli2 gence 技术的集成 10 KBE系统技术包括知识系 统 知识获取 产品建模和分析技术等研究内容 知 识系统主要用于工程设计知识的表示和处理 体现 了系统的智能化水平 知识获取技术主要用于工程 设计知识的获取 使整个设计系统性在运用中逐步 改善工程设计能力和工程分析能力 产品建摸和分 析技术包括计算机辅助图形技术 CAGD 和计算机 辅助工程技术 CAE 它们是工程设计KBE系统的 基础 知识系统和知识获取技术都将建立在此基础 上 11 12 KBE技术在结构上可分为3个层次 图1 核心层 它以智能技术为核心的 主要涉及到领域知 识的获得技术 表示方法 推理与匹配机制和领域知 识的维护 集成技术层 它包括CAD CAM CAE 及PDM等技术的集成 应用层 它反映了KBE 技术面向不同应用领域应用时的机制和管理体系 图2所示是KBE系统的组织结构 KBE系统中 系 统集成是该系统的关键所在 9 图1 KBE技术的结构层次 图2 KBE系统的组织结构 1 KBE与CAD的比较 传统的CAD一般 进行如创建几何 绘图等的设计过程 而KBE不仅 可以实现上述功能 还对整个设计过程建模 并运用 于设计过程的各个层次以改善设计开发过程 在 参数化CAD中 几何尺寸的约束关系是驱动力 而 在KBE中 知识是驱动力 构形 C 和工程 E 规则 85 电加工与模具 2004年第6期 工艺 装备 驱动几何 G 2 KBE与传统专家系统的比较 系统的功 能与任务不同 专家系统一般只处理单一领域知识 的符号推理问题 而KBE系统可以处理多领域知识 和多种描述形式的知识 是集成化的大规模知识处 理环境 体系结构不同 专家系统一般只解决某 一领域的特定问题 难以与其他智能系统集成 是一 种封闭的体系结构 而KBE系统是面向整个设计过 程 甚至是产品全生命周期的各异构系统的集成 是 一种开放的体系结构 运作模式不同 专家系统 由于局限于单一知识领域范畴 相当于模拟设计专 家个体的推理活动 而KBE系统涉及多领域 多学 科知识范畴 是模拟和协助人类专家群体的推理决 策活动 更多地融合了协同工作 CSCW 的思想 知识获取能力不同 专家系统一般不具备知识获取 能力 只能用系统中的知识解决问题 难以满足产品 开发的创新需求 而KBE是一种主动的知识获取与 集成过程 即具有 自我生成 的知识繁衍特性 因而 拓宽了知识获取的途径 10 也有学者认为 KBE 技术是新一代的专家系统 是基于CAX技术和人工 智能 AI 技术的专家系统 2 3 基于KBE技术的电火花加工工艺参数优化 前文已经提到有多种方法可以实现电火花加工 工艺参数的优化 此外 还可以采用优化设计理论和 方法 2 但是这些方法侧重点有所不同 如智能技 术和遗传算法擅长对一些经验性的知识进行表达 并且有些智能技术不具备自学习的机能 优化设计 的方法只能对可以用确定的数学模型表达的理论问 题进行优化计算 而KBE技术涉及的领域知识范 围较广 对理论性和经验性的知识均可表达 并且具 备自学习的能力 对于电火花加工工艺参数的优化 问题 将是一种比较完美的解决方案 在电火花加工中 考虑到工艺参数之间相互影 响 相互制约的关系 根据具体的生产条件和综合已 有的生产经验和相关知识 根据KBE技术中的知识 处理技术 知识的获取 知识的表示 知识的推理及 知识的使用和维护 建立一个基于KBE技术的电 火花加工工艺参数优化模型 利用VC等编程语言 和数据库语言编写出程序 运用该优化程序模型 输入电火花加工条件和所要求的工艺效果 即可输 出最优的加工参数 这便是该项目研究要进行的工 作 知识获取技术包括知识的自动获取和人工获 取 由于各方面的原因 目前仍然是一件比较困难的 工作 它的任务是获取知识后 建立起一个健全 有 效的知识库 以满足求解领域问题的需要 这里所 要获取的是已有的生产经验和理论知识等 知识的 表示是一种计算机可以接受的用于描述知识的数据 结构 常用的方法有产生式规则表示法 面向对象表 示法等 这里可以采用如C VC 等面向对 象的计算机程序设计语言进行知识的表示 知识的 推理有确定性推理和不确定性推理 对于很难用精 确的理论模型进行描述 且经验性较强的知识 可采 用如基于事例的推理方法 基于事例的推理作为一 种有效的推理技术 在各个行业得到了渗透和应用 图3是基于KBE技术的电火花加工工艺参数优化 模型 图3 基于KBE技术的电火花加工工艺参数优化模型 可以预测 KBE技术对于电火花加工工艺参数 优化及其他加工工艺参数的优化将产生积极的推动 作用 它不是一般意义的优化 而是基于专家系统 具有知识获取 知识推理的广义优化方法 3 结束语 1 对电火花加工工艺效果的影响因素进行了 分析 并对电火花加工工艺参数优化方法进行了综 述 工艺参数的优化是为了获得良好的工艺效果 2 应用KBE技术 对电火花加工的工艺参数 进行优化 解决电火花加工的电参数选择 有望提高 电火花加工的生产率 由于KBE系统是一种新型 的开放式技术 在机械加工工艺参数的优化方面将 有广泛的应用前景 参考文献 1 杨晓冬 刘光壮 赵万生 基于智能技术的电火花加工条件优 化 电加工 1998 5 5 9 2 周忠义 电火花加工工艺参数的优化设计 北京建筑工程学 院学报 1997 13 2 96 102 3 翟德梅 翟振辉 杨玉河 电火花加工工艺效果的分析研究及 优化 模具制造 2002 14 38 40 95 工艺 装备 电加工与模具 2004年第6期 无U轴电火花成形机加工斜齿轮模具 孙冬冰 江苏黄海汽配股份有限公司 江苏启东226400 我公司在生产实践中碰到一难题 某产品上的 一小塑料斜齿轮模具因齿轮外形太小而无法用滚齿 等金属切削加工方式完成 为了做好这一产品的模 具 我们动脑筋利用电火花成形机加工斜齿轮模具 用电火花成形方式加工斜齿轮模具必须解决电极向 下 Z轴 加工的同时又能旋转这一问题 这对有U 轴的电火花成形机而言毫无困难 通过Z轴和U轴 的联动加工就可以达到这一目的 而我公司目前拥 有的电火花成形机都无U轴装置 为此 我们在电 1 高频电源导线 2 夹持柄 螺帽 3 绝缘套 4 轴承 2 只 5 斜齿轮电极 图1 斜齿轮电极 收稿日期 2004 07 21 作者简介 孙冬冰 男 1967年生 助理工程师 极 工装的制作上都做了一些大胆新颖的革新 用滚齿的方法加工出图1中的斜齿轮电极5及 图2中的4只导向小斜齿轮4 电极按图1装配而成 其中2只轴承4可以保 证电极自由旋转 而绝缘套3是为了防止加工过程 中电极5与轴承4之间可能产生放电 电极上的高 频通过导线1来连接 图2中 固定座1用于装夹工件2 并能方便地 固定在机床工作台上 4只导向小斜齿轮4根据电 极调整好间隙均布固定在绝缘板3上 以保证电极 在加工模具时按一定传动比 加工深度 旋转角度 加工 同样 绝缘板3也是防止加工时电极与导向 斜小齿轮产生放电而损伤导向小斜齿轮 以致影响 传动精度 1 固定座 2 工件 3 绝缘板 4 导向小斜齿轮 4 只 5 固定螺钉 4 只 6 固定螺钉 2 只或4只 图2 工件与电极的安装 事实证明 这样的工艺革新是切实可行的 用这 样的方法加工出了所需要的合格的模具 4 杨晓冬 宋颖慧 赵万生 基于遗传算法的电火花加工电参数 优化模型 哈尔滨工业大学学报 2002 34 4 450 454 5 杨晓冬 赵万生 刘光壮 基于遗传算法的电火花加工条件优 化 电加工 1999 2 1 4 6 宋博岩 刘晓芳 郭艳玲 基于模糊推理的电参数选择优化模 型 电加工与模具 2002 5 14 15 7 宋颖慧 赵锦芝 赵万生 等 基于模糊推理算法的网络电火 花加工工艺决策 电加工与模具 2001 4 5 7 8 杨晓冬 赵万生 刘光壮 等 基于神经网络的型腔电火花加 工工艺效果预测模型 航空制造技术 2001 3 41 43 9 彭颖红 赵震 阮雪榆 模具设计中的KBE技术 制造业设计 技术 2000 3 16 18 10 赵震 彭颖红 基于KBE的工程设计 理论 方法与实践 机械科学与技术 2003 22 1 151 152 11 娄臻亮 赵震 彭颖红 等 工程设计KBE系统 概述 机械科学与技术 2001 20 3 469 471 12 娄臻亮 张永清 阮雪榆 工程设计KBE系统 知识处 理技术 机械科学与技术 2001 20 4 611 613 06 电加工与模具 2004年第6期 经验交流 crease productivity Key words ultrasonic machining amplitude controlling frequency tracking The develop of the compound blanking die for the frame Zhai Demei et al 26 Abstract Based on the conditions of processing facilities in enterprises the thesis develops the compound dies of cutting edge and punching round holes of the tractor frame The die re2 duces the blanking forces by the combing use of step and oblique edge improves the liability by the use of extra spring2loaded stripping and alternative clearance blanking and makes it more easy to make and maintain with its main parts that are de2 signed into float quick change inlay and so on It has been proved to be economic convenience andpractical by actual pro2 duction Key words frame blanking oblige edge step spring2 loaded stripping gap adjustment The research on numerical simulation and modeling of automo2 bile skeleton parts of sheet metal for forming Hua Canqing et al 37 Abstract Most automobile parts of sheet metal comprise three2dimension curved faces Their deformation processes are so complicated that the deformation rules cannot be grasped eas2 ily So numerical simulation of them has become one of the most challenging research work Some key technologies on the FEM modeling of automobile skeleton parts of sheet metal are discussed in thispaper Such as meshing of curved faces setting of contact parameters And the forming process of a automobile skeleton part of sheet metal is simulated by using the non2linear FEM software SHEET2FORMING Some problems in forming process are also analyzed here All of this will do good to design of automobile die and mold reduction of production costs and punching2die cycle Key words non2linear FEM automobile modeling sheet metal punching forming numerical simulation The application of mould design and NC milling program on the platform of UnigraphicsNXWang Huaqiao et al 40 Abstract Thispaperdescribedtheapplicationof Die die and moudle design NC program compiling Design of the injection mold for the tap Wang Chunwei et al 45 Abstract The technological characteristics of spare parts of the plastics of tap ware analyzed The structure and working process of the injection mould for forming tap ware introduced The structure peculiarity of this project is one minutes to touch the runner shape the standard injecting and the cross range is whipped the rush pith and is injected the standard Prodution proved that the mould structure was designed cleverly the mould can be operated easily service life of the mould is long and plastic parts produced meet the technical requirement Key words tap injection mould slide Design of shell of electric shaver plastic injection mould Zhong Ling et al 48 Abstract This paper expounds the design process about injection mould in female screw thread Here we use s pring and putting briquet to carry out the injection molding of half nut and demoulding Therefor we use crosswise mandrel stripping inside the gliding block This mould is ingenuity and superior Key words screw thread plastic injection mould oblique core2drawing Researches on electrical discharge grinding machine and pro2 cess precision2machining small holes under 1mm in diameter Xu Gaohua et al 50 Abstract The process is feasible that an electrical dis2 charge grinding machine applies to precision2machining small holes under 1mm in diameter efficiently illustrated in this pa2 per and its fe