机械基础示范中心网站开放试验提供的参考内容-西北工业大学机电学院

PAGEPAGE1实验项目名称超声电火花复合加工综合实验实验学时30指导教师张云鹏实验地点2M-114实验对象机械制造及自动化专业大4学生可选人数10《超声电火花复合加工综合实验》教学大纲一、课程基本信息1、课程代码：05704702、课程名称（中/英文）：超声电火花复合加工综合实验试验/SynthesisExperimentofUltrasonicVibrationAssistedEDM3、学时/学分：30/44、先修课程：现代制造工艺基础、切削加工及刀具技术、测试技术、公差与技术测量、机械制造基础、特种及复合加工技术，0530110/0530140/0520170/0520180/0520160/05402805、面向对象：机械设计制造及自动化专业本科生6、开课院（系）：机电学院机械工程及自动化系7、教材、教学参考书：《特种加工》，赵万生、刘晋春著，机械工业出版社，2002年《电火花加工工艺学》，\o"查看该作者的其它著作"卢存伟著，国防工业出版社，1988年《电火花加工技术》，郭永丰等著，哈尔滨工业大学出版社，2005年《机械精度设计与检测技术》，王玉，国防工业出版社，2005年8月《超声加工技术》，曹凤国，化学工业出版社，2005年1月《复合加工技术》，张建华，化学工业出版社，2005年1月《超声电火花复合加工综合实验指导书》，张云鹏，2005年12月二、课程性质和任务课程性质：专业选修课（综合试验）任务：本实验以机电工程专业本科教学计划和人才培养目标为依据，根据机电学院现有专业的特点、现状与发展需求，及本学科的研究发展方向，要求本学科的专业应对非常规加工方法中最新的复合加工技术有所了解，拓宽学生的知识面。本创新性实验通过电火花和超声的复合作用实现对高温合金（GH188）难加工材料的精密加工，引导学生探索新型难加工材料的新工艺方法，激发学生的创新意识。相关技术包括超声发生器的原理及在电火花加工中的作用，超声能量与电火花能量的匹配等，超声能量应用于电火花的加工中属于本学科的研究前沿课题，通过实验的开展使学生对非常规加工有更深入的了解，并对本学科的前沿课题有所了解和熟悉。试验研究不同参数下，超声电火花复合加工的机理，研究电参数对表面粗糙度的影响规律，通过实验对比单纯电火花加工与超声电火花复合加工后零件的表面粗糙度和加工效率等指标。学生从实验方案的设计、实验设备的连接调试、实验过程操作、实验数据分析及讨论等方面进行参与，培养学生科学研究的能力和动手能力。本实验注重先进性和科研性，以形成适应学科特点及自身系统性和科学性的完整的实验课程体系，全面培养学生的科学作风、实验技能以及综合分析、发现和解决问题的能力，从而达到提高学生综合素质、实践能力和创新能力的培养目标。提高机械制造专业本科毕业生的业务水平，同时提高我院的本科教学能力，满足国防和国民经济建设对先进制造技术人才提出的迫切要求。三、实验（上机）内容和基本要求实验教学内容及供参考的学时：1.电火花复合加工原理实验讲课；4学时2.超声电火花复合加工系统的连接、调试。4学时4.超声电火花复合加工参数实验16学时a.脉宽的取值为4个值；b.脉冲峰值电流取值为4个；c.固定脉冲间歇为一具体值，分别通过实验研究不同电流、脉宽对加工表面质量的影响；e.记录实验数据。5.表面粗糙度的测量2学时空、航天、船舶、武器装备、民用工业等领域。其中，电火花加工工艺方法已经由穿孔、成型加工发展到目前常见的电火花内圆磨削、电火花外圆磨削、电火花平面磨削、电火花刃磨、回转齿轮电火花加工、金属表面的电火花强化、电火花铣削沟槽、回转螺纹加工等。电火花是一种自激放电。火花放电不同于辉光放电、弧光放电等其他形式的自激放电。电火花加工是基于脉冲放电的蚀除原理，故也称放电加工或电蚀加工。在电火花加工过程中，由于各种原因，经常产生短路、断路或电弧脉冲，使得有效的火花放电减少，从而降低了电火花加工效率。此外，表面张力、内聚力和固液材料之间的粘接力等作用，使得放电过程中已经被熔化的材料不能完全抛出。因此，放电加工的实际加工效率远低于理论加工效率。为了提高放电加工效率，经常采用人工排气法、强迫冲液或抽液法、加速工作液循环、提高脉冲电压、加大放电间隙等方法。前三种方法常因为受加工条件或加工要求的限制而无法实现，提高脉冲电压、加大放电间隙又会导致加工精度和加工表面质量的下降。利用超声振动来改善放电加工过程中的排屑条件，可以取得明显的效果，因而产生了超声电火花放电复合加工技术。本实验中采用超声与电火花两种能量的复合实现对钛合金的加工，工作液中混入磨料，在超声的作用下磨料对工件表面进行抛磨，同时工件与电极之间还存在着放电加工，实现两种能量的复合加工。另外本实验研究突破了常规电火花只能“打孔”的局限性，采用类似于铣削的方式进行数控加工，加工出比较光滑复杂型面。由于学时有限，本实验只进行基础实验研究。二、实验目的了解超声电火花加工的原理和过程；了解超声超声电火花铣削加工的设备组成；了解超声发生的原理及超声电源的操作；观察超声电火花复合加工放电波形与电火花加工放电波形的区别；分析在超声磨料的作用下电参数对表面粗糙度的影响；培养学生综合分析问题及独立解决问题的能力。三、实验设备及条件DM7551电火花成型机床一台；磨料混合液槽一个；数字存储示波器一台；超声旋转加工装置一台；超声电源发生器一台；游标卡尺一把；天平一台，砝码一盒；秒表一个；泰勒轮廓仪一台；工件材料：高温合金；电极：紫铜；工作液：煤油；磨料：炭化硼。四、超声电火花放电复合加工的原理与应用超声电火花放电复合加工实质上就是在普通电火花加工的基础上，在工具电极或工件电极上叠加一个超声振动，以改善放电加工条件。在超声电火花放电复合加工中，主要是利用超声的泵吸作用。由于加工间隙小于工具电极振动的波长，所以工具电极的周期性往复运动就像活塞的往复运动一样。当工具电极靠近工件时，加工间隙的容积减小，迫使部分加工间隙中的液体排出；相反当工具电极远离工件时，加工间隙的容积增大，使加工间隙外的新鲜液体进入加工间隙，改善了加工间隙的冲液条件，提高放电点的空间分散性和有效火花放电率（即降低了断路脉冲和电弧脉冲的比率），有助于提高加工表面质量和加工效率。加工原理见下图。图1超声电火花复合加工原理图图2超声电火花复合加工材料去除机理为了充分利用超声振动的泵吸作用，并且不降低正常火花放电加工的电蚀作用，必须保证超声振动与火花脉冲放电的同步，即工具电极靠近工件时，正好是脉冲的持续时间，而当工具电极远离工件时，正好是脉冲的间隔时间。因此，为了保证超声振动与火花放电的同步进行，必须在超声波发生器与脉冲电源之间安装一个同步触发器，使工具电极的超声振动与火花放电同步进行。由于电火花放电复合加工与普通电火花放电加工相比，其设备增加了超声振动系统，设备价格增加，操作及调整也变的复杂，限制了该技术的推广和应用。目前主要应用在以下两大方面。应用于小孔、窄缝及异型孔加工超声振动系统部件固定在电火花机床主轴头的下部，电火花加工脉冲电源直接加到工具电极和工件上（一般工件接正极），加工时主轴作伺服进给，工具电极端面超声振动。当不施加超声振动时，电火花精密加工的放电脉冲利用率一般不超过8%，但电火花超声复合加工可使放电脉冲利用率提高到50%以上，显著提高了放电脉冲的利用率和加工效率。（2）超声电火花复合抛光超声电火花复合抛光完全不同于传统的机械抛光，是利用超声抛磨和火花放电的综合效应来达到抛光工件表面的目的。抛光时，工件接电源正极，工具头接电源负极；在工件和工具之间通以乳化液。在抛光过程中，工具对工件表面的抛磨和放电腐蚀连续而交错地进行。由于超声的空化效应，使工件表面软化并加速分离剥落，同时，促使电火花放电点的分散，使抛光效率和工件加工表面质量显著提高。通常超声电火花复合抛光比单纯的超声机械抛光效率可以提高3倍以上，工件加工表面粗糙度可低于Ra0.08～0.16μm。五、实验内容测量并记录超声电火花复合加工中电火花脉冲电源的开路、放电及短路波形；测量并记录超声发生电源的波形；用紫铜电极加工高温合金试验件，测量试件的表面粗糙度，分析超声作用下电参数对表面粗糙度的影响。六、实验步骤及方法：了解超声电火花复合加工机床、装置、工作液供给、脉冲电源工作原理和操作要求；检查、清点和熟悉实验所需设备、仪器、工件、工具、电极、磨料等，并将工件编号，绘制工件上实验号的分布图。拟订实验方案。对每一加工样件，在选定紫铜电极和煤油、磨料复合工作液的条件下，通过调整超声电源的功率旋扭，使超声系统产生共振，为了保证一定的工艺要求，主要通过选择脉冲宽度ti(μs)、脉冲峰值电流Ie(A)和脉冲间歇to(μs)来实现。实验时主要选择脉冲宽度ti(μs)和脉冲峰值电流Ie(A)，其选择变化参数为：脉宽ti(μs)：10、20、30、40脉冲峰值电流Ie(A)：6、9、12、15脉冲间歇to：10按照上面所选参数固定电流Ie(A)、间歇to(μs)，改变不同脉宽ti(μs)进行试验加工，测量工件的表面粗糙度值Ra。再固定脉宽ti(μs)、间歇to(μs)、改变不同电流Ie(A)进行试验加工，测量工件的表面粗糙度值Ra。4．分析实验结果，找出各参数对加工表面粗糙度的影响规律。5.进行小结，完成实验报告。七、实验预习及要求：1、实验前预习好实验指导书及复合加工参考资料等有关知识。熟悉实验设备简单原理及操作方法。在开动设备或使用仪器前必须征得指导老师同意方可进行。实验要严肃认真做好记录，及时整理实验数据，认真完成实验报告和实验小结。八、思考题超声电火花复合加工的效率与电火花加工的效率相比较哪个更高？为什么？采用什么措施可以提高超声电火花加工的效率？为什么超声电火花复合加工能改善零件的表面粗糙度？是否电火花加工电参数无论取多大超声磨料都能起到降低零件表面粗糙度的作用？超声电火花复合加工综合实验报告一、实验条件：机床：脉冲电源：工件材料：磨料材料：电极材料：磨料混入比例：工作液：极性：所用测试仪器：实验数据记录：超声电火花复合加工实验数据记录参数实验号脉宽ti(μs)脉间to(μs)电流Ie档/(A)高压I伺服放电间隙抬刀上台刀下测量指标粗糙度（Ra）加工时间110106125212201061252133010612521440106125215101091252162010912521730109125218401091252191010121252110201012125211130101212521124010121252113101015125211420101512521实验者测量者记录者

超声电火花复合加工实验数据记录参数实验号脉宽ti(μs)脉间to(μs)电流Ie档/(A)高压伺服放电间隙抬刀上台刀下测量指标粗糙度（Ra）加工时间15301015125211640101512521实验者测量者记录者三、总结分析绘制粗糙度与脉冲宽度的关系曲线（在不同的电流水平下），及粗糙度与电流强度的关系曲线（不同脉冲宽度水平下），通过曲线分析超声电火花加工过程中各电参数对粗糙度的影响规律；利用二元线性回归的方法，计算超声电火花复合加工中试件的粗糙度与脉冲宽度和电流强度的经验公式。参见附录2中的方法。通过实验你认为超声电火花复合加工技术，在实践中应用还存在哪些要解决的问题？回答思考题。收获与体会及建议。附录1:超声电火花复合加工装置超声加工头是超声波电火花机械复合加工实现加工的关键部件，所以它的性能优良对加工影响极大，根据项目研究要求，和试验使用的有关设备，综合设计该装置。应具有如下性能：（1）为了保证加工精度和加工表面质量，对加工头精度要有一定要求。（2）为了提高复合加工的稳定性和加工效率，加工头应具有旋转功能，转速可连续可调。（3）为了实现超声电火花机械复合加工中的放电作用，所以在超声头上设计安装引电碳刷，通过碳刷接入脉冲电流，故在放电加工的参与下进一步增加了超声放电机械复合加工的效率。（4）超声头应轻巧，采用压电晶体式换能器，可以作为单独的加工附件，能方便的和使用的电火花机床联接安装。（5）变幅杆联接方便、牢固可靠。本主轴头结构图如图4所示。整体主轴头体外径为Φ90，总长为320mm，在轴内部上下二端安装有精密轴承，使内轴能进行精密旋转。换能器压电晶体为50W两片相对装入主轴前端部膛体内，两边为负极和主轴体相联，正极在两片中间引出线与主轴体绝缘，接电可靠。换能器的冷却，通过在旋转的轴套（上面开的斜槽）在转动时产生的冷气流实现。主轴先安装在接板上再与机床联接。主轴头前端设计成内锥体定位基准孔保证变幅杆牢固精密联接，采用螺纹紧密相联。变幅杆能扩大振幅又称扩大棒，其长度等于超声振动波的半波长或其整数倍，截面越小，能量密度就越大，振动振幅也越大，因此一般变幅杆设计制成锥体，指数形和阶梯形三种形式，前端截面积很小，综合考虑将为了便于制造我们设计成锥体。变幅杆长度按下式计算：式中：L——变幅杆长度；λ——超声波的波长（在钢铁中传播的波长λ=0.31~0.2mc——超声波在物质中的传播的速度（在钢中c=505m/sf——超声波频率，在加工时f可在16KHz~25KHz内调节。由上式可知，钢的变幅杆的长度一般在半波长100mm至160mm之间，根据加工实际情况，设计成100mm~120mm的锥体。超声头的旋转由直流伺服电机通过皮带传动，直流电机转速为0~3000r.p.m。转速调整通过改变直流电机输入电压实现。附录2:电火花加工二元回归方程的建立与切削加工一样，电火花加工表面粗糙度通常用微观不平度的平均偏差Ra来表示，但在欧洲及日本等其他国家，大多数使用的是最大高度Rmax来表示。普通工作液电火花加工表面粗糙度公式:Rmax=KR·Ip0.4·te0.3（1）式中KR———常数,一般取2、3Ip———极间放电峰值电流,Ate———放电时间,μｓ在本实验研究中评定粗糙度的参数是Ra，根据电火花加工的原理和公式（1），精密电火花加工的粗糙度公式可以表示为下式：Ra=K·tea·Ipb（2）与公式（1）不同的是常数K和系数a、b，因此根据实验结果计算出这三个参数即可，两边取对数得到：lnRa=lnK+alnte+blnIp（3）设Z=lnRa，T=lnK，X=lnte，Y=lnIp则Z=T+aX+bY（4）因为X与Y对Z的影响是线性的，所以求解放上述方程中Z与X、Y的关系就变成了一个二元线性回归的问题。设因变量Z与两个自变量X、Y的关系为线性相关，通过实验可测得N组观测数据：（Zi，Xi，Yi）i=1，2……，N这些实验数据的表达式为Z1=β0+β1X1+β2Y1+ε1Z2=β0+β1X2+β2Y2+ε2………ZN=β0+β1XN+β2YN+εN（5）式中β0、β1、β2是待估计参数，X、Y是两个可精确测量的参数（与Z相比误差可忽略），ε1、ε2、…、εN是N个相互独立且服从同一正态分布N(0，σ)的随机变量。现用最小二乘法估计参数β0、