圓柱管電弧銑削加工的試驗研究

圓柱管電弧銑削加工的試驗研究

弧形加工技術(shù)是一種非接觸極間放電加工技術(shù)。由于其幾乎零的機械切削力，工作介質(zhì)被認為是水和氣的混合或水。在加工過程中利用兩電極之間產(chǎn)生的受激發(fā)電弧放電群組或電火花放電群組蝕除金屬或非金屬導電材料的一種加工方法1機床上下料系統(tǒng)組成本實驗研究系統(tǒng)主要由兩部分組成:硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)。硬件系統(tǒng)主要由機床主體、電弧銑削電源、控制系統(tǒng)、機床附件等組成;軟件系統(tǒng)主要由自主研發(fā)的電弧銑削加工操作系統(tǒng)、電弧銑削加工控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。1.1硬件系統(tǒng)1.1.1電極旋轉(zhuǎn)及沖液裝置主要由機床本體、電極夾頭、電極旋轉(zhuǎn)機構(gòu)、電極進給機構(gòu)、排氣裝置、沖液裝置和通氣裝置組成。機床本體:采用立式C型床身結(jié)構(gòu),步進電動機、滾珠絲杠控制驅(qū)動X、Y移動模組,具有彈性夾片的工裝平臺。電極夾頭:采用可自動定心的三爪夾頭,夾持直徑范圍為Ф1~Ф20mm。電極旋轉(zhuǎn)機構(gòu):由步進電動機、同步齒形帶輪(減速比為1∶1)和同步齒形帶組成。采用步進電動機驅(qū)動、同步帶輪傳動的方式,實現(xiàn)電極高速旋轉(zhuǎn)。電極進給機構(gòu):由伺服電動機、滾動導軌線性模組組成。通過伺服電動機驅(qū)動,由滾動導軌線性模組帶動電極夾頭移動,從而實現(xiàn)電極的伺服進給。排氣裝置:由普通鼓風機和伸縮排氣管組成。排氣管兩端分別連接鼓風機和機床床身。沖液裝置:由水箱、高壓水泵、可調(diào)節(jié)沖液管、回流管和廢水處理裝置組成。純凈水利用高壓水泵通過可調(diào)節(jié)充液管進入加工位置,加工廢水通過回流管回流到廢水處理裝置,廢水處理裝置把水處理之后回流入水箱,實現(xiàn)加工液的循環(huán)重復利用。通氣裝置:由空壓機和氣管組成。氣管一端連接空壓機一端連接中空管狀電極。機床的結(jié)構(gòu)示意圖和實物圖如圖1所示。1.1.2弧形鉆削場采用基于IGBT封裝的逆變脈沖恒流電源作為電弧銑削加工用電源1.1.3s運動控制卡及脈沖信號發(fā)生裝置由空氣開關、PC機、NextMoveES運動控制卡、脈沖信號發(fā)生裝置、繼電器、驅(qū)動器、步進電動機、伺服電動機等組成。采用PC-DSP控制方式實現(xiàn)電弧銑削加工運動控制。1.1.4機床配置主要由空壓機、高壓水泵、鼓風機、水箱、廢水處理裝置等組成。通過機床附件實現(xiàn)機床加工過程通氣、沖液和排氣。1.2軟件系統(tǒng)1.2.1系統(tǒng)組成由自主研發(fā)的電弧銑削加工操作系統(tǒng)、電弧銑削加工控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成。1.2.2dsp的數(shù)據(jù)接口采用NC(numericalcontrol)嵌入PC機的方式,由PC機對NC代碼、圖形等進行數(shù)據(jù)處理,通過數(shù)據(jù)傳輸接口發(fā)送指令到達DSP,DSP分別發(fā)送實時信號給NextMoveES運動控制卡、脈沖發(fā)生裝置、光電隔離裝置,控制X、Y、Z、C軸驅(qū)動器,實現(xiàn)加工過程的實時控制,對電壓信號、電流信號進行實時監(jiān)測與反饋。實驗控制系統(tǒng)運動控制原理圖如圖2所示。2加工工藝參數(shù)優(yōu)化本實驗主要目的是對恒定電壓(U=25V)下電弧銑削加工中電流、進給速度、工件移動速度、氣壓等因素對電弧銑削加工的影響特性與規(guī)律進行探究,并對加工工藝參數(shù)進行分析研究,得出在此條件下各因素的影響特性與規(guī)律和加工工藝參數(shù)的主、次要矛盾,優(yōu)化加工工藝參數(shù)。影響加工工藝的參數(shù)具有多樣化、不穩(wěn)定性等特點。正交試驗具有試驗次數(shù)少、數(shù)據(jù)點分布均勻并且可通過極差分析法、方差分析法等方法對實驗結(jié)果進行分析得出有價值結(jié)論的特點,特別是對于多因素多水平實驗設計具有獨到優(yōu)勢。本實驗采用正交試驗設計方法對電弧銑削加工工藝參數(shù)實驗進行實驗設計,聚焦加工工藝參數(shù)主、次要矛盾。采用對比驗證實驗方法對工藝參數(shù)主要矛盾進行實驗驗證,細化主要影響參數(shù),優(yōu)化加工工藝參數(shù)。2.1逆變脈沖恒流系統(tǒng)gc-ms(1)加工試件:4Cr5MoSiV1熱作模具鋼。(2)工具電極:紫銅管,外徑D=10mm,內(nèi)徑d=8mm,轉(zhuǎn)速80r/min。(3)X、Y、Z軸:運動精度20μm,響應周期5ms。(4)電流信號采集裝置:CHB-500S型霍爾電流傳感器,響應時間t<1μs。(5)電源:基于IGBT封裝逆變脈沖恒流電源。(6)電極進給控制:電極進給與補償通過伺服電動機控制,采用實時檢測、延時預測混合自動優(yōu)化方法。(7)機床附件:恒流恒壓高壓水泵,鼓風機,可調(diào)氣壓空氣壓縮機,可彎曲任意角度沖液管。2.2工件運動性能測定(1)工件運動行程:單行程1000單位(30單位/mm),一次加工2000單位(往返運動)。(2)衡量指標:電極損耗C(3)影響因素:電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P。根據(jù)實驗影響因素水平選用L3結(jié)果分析3.1加工前后表面效率的計算加工效率采用每秒鐘去除材料的體積(mm式中:η工件去除材料的體積V計算方法:利用天平稱量工件在加工以前的質(zhì)量M式中:M因此加工效率η3.1.1主、次要矛盾的基本情況利用正交試驗得出數(shù)據(jù),將計算結(jié)果填入表中,如表2所示。因為加工效率為每秒鐘去除材料體積,因此計算結(jié)果越大說明效率越高。通過表2可以確定出各因素的最優(yōu)水平分別為:I本組實驗中各因素對加工效率的影響效應圖如圖3所示。由圖3得出本組實驗中電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P與加工效率的關系與趨勢。(1)電流I:隨著電流的增大,加工效率隨之增加,但曲線的曲率沒有明顯變化,因此對加工效率的影響程度幾乎不變。增加電流使放電能量加大,銑削程度增強,促進材料去除。(2)進給速度f:隨著進給速度的增大,加工效率先增大后減小,當進給速度f=-1.0單位/s時加工效率達到最大,且從該點開始曲線曲率明顯減小,因此對加工效率的影響程度有所下降。可見,在一定范圍內(nèi)提高進給速度有利于增加工件加工效率。(3)工件運動速度v:隨著工件運動速度的增加,加工效率先增加后減小,當工件運動速度v=80單位/s時工件加工效率達到最大,且從該點開始曲線曲率明顯減小且變?yōu)樨撝?因此從此點開始增大工件進給速度會阻礙加工效率的提升。(4)氣壓P:隨著氣壓的增加,加工效率先減小后增加,在P=4MPa是達到最小,且從該點開始曲線曲率明顯增加,由負值轉(zhuǎn)變?yōu)檎?因此從P=4MPa開始增加氣壓會促進加工效率的提升,且當氣壓在5MPa時加工效率大于在3MPa時加工效率?？梢?高氣壓與工件的高效率加工不是正比關系。通過本組試驗可以基本上確定影響工件加工效率工藝參數(shù)的整體水平因素以及各影響因素的主、次要矛盾,即工件運動速度v>氣壓P>進給速度f>最后是電流I。但數(shù)據(jù)不夠精確,還需進一步的驗證本組試驗數(shù)據(jù)的可靠性,并對本組實驗數(shù)據(jù)進一步優(yōu)化,獲得各影響因素準確的主、次要矛盾,獲得在本實驗條件下最優(yōu)工藝參數(shù)。3.1.2加工效率分析本組實驗的實驗條件、加工行程、衡量指標、影響因素均與上一組實驗保持一致。采用四因素三水平的正交試驗設計,L利用正交試驗得出數(shù)據(jù),計算數(shù)據(jù)填入表中得到加工效率直觀分析表,如表4所示。該數(shù)據(jù)表表明本組試驗中因素水平最優(yōu)組合為I通過極差數(shù)據(jù)R本組實驗中各因素對加工效率的影響效應圖如圖4所示。由圖4得出本組實驗中電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P與加工效率的關系與趨勢。(1)電流I:隨著電流的增加,加工效率呈上升趨勢,但從I=160A開始上升趨勢的斜率減緩,即影響程度有所下降?？梢?在一定范圍內(nèi)增加電流強度可以提高加工效率。(2)進給速度f:隨著進給速度的增大,加工效率先增大后減小,當進給速度f=-1.0單位/s時加工效率達到最大,從該點開始曲線曲率明顯減小變?yōu)樨撝?從此點開始進給速度增大會阻礙加工效率的增加。(3)工件運動速度v:隨著工件運動速度的增加,加工效率先增加后減小,當工件運動速度v=80單位/s時工件加工效率達到最大,且從該點開始曲線曲率明顯減小且變?yōu)樨撝?因此從此點開始增大工件進給速度會阻礙加工效率的提升。(4)氣壓P:隨著氣壓的增加,加工效率一直減小,且從P=5MPa開始曲線曲率明顯增加,因此從P=5MPa開始增加氣壓對加工效率的影響程度增加。本組實驗中得到的加工效率效應曲線圖與上一組實驗加工效率效應曲線圖在影響加工效率程度方面的趨勢大體是一致的,從而驗證了上一組實驗結(jié)果的準確性。3.2各因素對電極損耗率的影響在電弧銑削過程中,由于端面放電會產(chǎn)生電極的損耗。電極損耗是由于在電弧產(chǎn)生的極短時間內(nèi)產(chǎn)生無窮電子流群撞擊電極表層聚集大量能量瞬間融化金屬產(chǎn)生的在本實驗中衡量電極損耗的指標是電極損耗長度,電極損耗長度可以在軟件系統(tǒng)中直接顯示,采集電極損耗長度數(shù)據(jù)填入正交試驗表中,如表5所示。實驗中電極損耗越小越好,通過表5數(shù)據(jù)可以確定在本實驗條件下各因素的最優(yōu)水平分別為:I通過極差數(shù)據(jù)R本組實驗中各因素對加工效率的影響效應圖如圖5所示。由圖5得出本組實驗中電流I、進給速度f、工件運動速度v、氣壓P與加工效率的關系與趨勢。(1)電流I:隨著加工電流增加電極損耗呈增長趨勢,但增長幅度幾乎不變,即電流對電極損耗的影響程度幾乎不變。(2)進給速度f:隨著進給速度增加電極損耗總體趨勢處于增長狀態(tài),但在f=-1.0單位/s時曲線曲率下降,說明進給速度對電極損耗的影響程度有所下降。(3)工件運動速度v:隨著工件運動速度的增加,電極損耗出現(xiàn)先增加后下降的現(xiàn)象,但從f=80單位/s開始,工件運動速度對電極損耗的影響程度會下降。(4)氣壓P:隨著氣壓P的增加電極損耗先減小后增加,當氣壓P=4MPa時電極損耗達到最小,且從該點開始氣壓對電極損耗的影響程度加大。在實際電弧銑削加工過程中各種因素都會影響到工件的加工效果,在保證一定的加工效率的情況下盡量減少電極損耗。綜合加工效率和電極損耗兩項指標,得出最優(yōu)加工組合為:I4電流、進給和氮氣本文主要通過正交試驗、對比試驗對圓柱管狀電極電弧銑削加工工藝參數(shù)影響因素進行研究分析,為尋找最優(yōu)參數(shù)組合進行圓柱管狀電極電弧銑削基礎性試驗研究。通過對不同參數(shù)下加工規(guī)律、加工現(xiàn)象的研究分析,得出如下結(jié)論:(1)增大電流會在一定程度上增加加工效率,但隨著電流加大,電流對加工效率的增加程度會有所下降且電極損耗會急劇增大。估計原因可能是單位面積發(fā)電量過大,電流增大使陰陽極之間電子流密度增加,單位時間內(nèi)產(chǎn)生具有更高能量的電弧增多從而加快材料蝕除,同樣會產(chǎn)生重復放電現(xiàn)象,增加去除物在周圍區(qū)域的粘連形成重熔層,造成加工效率增加程度下降。(2)在一定范圍內(nèi)提高工件運動速度會有效提高加工