基于内冲液旋转电极的电火花铣削机床与关键技术研究

【摘要】：装备制造业是为国民经济各行业提供技术装备的战略产业,目前装备制造业特别是先进装备制造业向着智能化、柔性化、绿色化的趋势不断发展。电火花铣削加工作为电火花加工领域内一个重要的发展方向,由于使用简单电极做类似传统机械铣削加工的轨迹运动,通过工具电极和工件之间的火花放电,加工出所需要的工件形状,它既具有电火花加工不受工件硬度、强度、韧性等条件限制,具有应用范围广泛的特点,又具有机械铣削加工多轴联动的特点,对工件进行创成加工。而且可以解决传统电火花成形加工有困难、甚至无法加工的难题,如复杂圆弧直线组成的长而深的窄槽等的加工,简单电极的使用简化了电极损耗补偿策略。电极的旋转可以改善放电条件,从而使加工稳定,在保持相对较小加工面积的状态下进行加工,从而有效减小电容效应,获得更好的表面质量。电火花铣削加工对于复杂形貌的中小形腔的加工所具有的独特优势,使之成为电火花加工领域内国内外的研究热点之一。 通常认为,电火花加工必须在有一定绝缘性能的介质中进行,如煤油、皂化液或去离子水等,这是产生脉冲性放电的前提条件。自来水属于弱电解质,一般认为不适合作为电火花加工的工作液介质,但是高速电火花小孔加工正是使用自来水作为工作液,加工时,高压的水基工作液通过管电极进入加工间隙,可获得很高的加工速度。受此启发,本文针对采用管电极内冲液供液方式的电火花铣削加工机床进行了研制,并对其中的关键技术进行了研究。 本文首先对水基工作液中放电能量的转换与在两极之间的传递进行了理论研究,通过理论分析和流场软件仿真的方法论证了高压高速的水作为工作液的可行性,解释了水基工作液中应采用正极性加工的原因。并深入研究了高压高速的水基工作液对于放电间隙中放电过程以及两极材料蚀除与抛出的影响。 在分析了对加工设备软硬件的要求后,本文研制了内冲液旋转电极电火花铣削加工机床。本系统由机床本体和电控柜两部分组成。机械部分由机床床身、工作台组件、立柱、主轴组件、旋转头组件和工作液供给系统组成。电控部分由控制计算机、脉冲电源、运动控制系统、伺服检测控制系统等组成。软件部分按照其所要完成的任务对实时性要求的高低,分为DSP伺服控制软件、PMAC运动控制软件、PC机上位机数控系统软件三部分。 伺服控制系统是电火花加工中的重要组成部分,也是本文所研制的内冲液旋转电极电火花铣削机床的关键。本文构建了以PMAC运动控制器和DSP微处理器为核心的伺服运动控制系统。充分利用PMAC运动控制器高精度的插补运动控制功能,提出了正、反向双运动轨迹切换来实现加工过程中迅速且精确的短路回退的方法,基于自适应控制理论和PMAC时基功能实现了加工过程中运动速度随间隙状态的伺服调整。 针对使用旋转管电极内冲液供液方式和分层加工的电火花铣削加工方法,深入分析了各主要加工参数和加工过程中火花状态累计时间对于电极损耗的影响,在此基础上构建了RBF神经网络电极损耗预测模型。提出了电极损耗定长预测连续补偿的策略,并使用MATLAB引擎技术,实现了数控系统在加工过程中通过加工参数和统计出的火花状态累计时间在线实时地计算出电极损耗量,并连续地进行补偿。 最后为了掌握内冲液旋转电极电火花铣削加工的工艺规律,针对所研制的加工系统进行了工艺试验。主要分析了重要电参数对于加工间隙和加工表面粗糙度的影响以及管电极内冲液供液方式对于加工过程的影响。为了验证本文所提出的电极损耗检测和补偿策略的有效性,与其它补偿策略进行了加工效果对比试验。最后通过多个三维形腔的加工实例,充分验证了内冲液旋转电极电火花铣削加工机床良好的加工性能和广泛的实用性。