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混粉准干式电火花加工技术研究

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【摘要】: 近年来随着一些传统加工技术不断发展,在一些难加工材料加工领域表现出加工效率高的优势,电火花加工技术受到严峻的挑战,发展高效、高精度、高柔性的电火花加工技术成为迫在眉睫的任务。 本文提出一种混粉准干式电火花加工技术,其加工介质是气、液、固三相流混合物。先在液体添加一定数量的微细粉末,微细粉末可为导体或半导体,由搅拌装置将其搅拌均匀,再由微量润滑装置将固、液混合物与气体混合,形成气、液、固三相流工作介质。加工时气、液、固三相流混合物经管状电极喷向工件,脉冲电源两个输出端分别与工件和管状工具电极相联接,主轴头带动工具电极旋转,控制系统使工具电极与工件保持在一个很小的间隙。通过改变工具电极与工件之间的相对运动位置,可加工出各种复杂的型面。 在混粉准干式电火花放电加工过程中,一次火花放电过程可分为电离、击穿放电、排除电蚀物及消电离四个阶段。极间电场建立后,绝缘介质电离分解成电子和正离子,当电场强度超过临界电场强度时,在电场力的作用下电子高速奔向阳极,正离子奔向阴极,在极短的时间内介质被击穿,形成工具电极-微粒-工件之间的串联放电,形成放电通道,一部分金属达处于熔融状态,一部分金属气化蒸发,在爆炸力和高压气体作用下,电蚀产物被排出放电间隙,在三相流介质的冷却作用下电蚀产物凝固成细小的颗粒,而工件表面则形成放电凹坑,脉冲放电结束后,两极间介质消电离,恢复绝缘。混粉准干式电火花的材料去除机理方式包括:熔化和气化、氧化、剥落。由于放电通道是高温、高压的电离气体,其作用区内的工件和工具电极表面金属会很快熔化,甚至气化蒸发;由于空气中有氧气,在加工时的发生氧化反应,从而加速材料去除;当加工硬脆材料时,材料表面的剥落现象也会起到材料去除作用。液滴或微细粉末可大幅度降低极间耐压,其中微细粉末的作用更加明显,粉末介质球被极化后,球面出现束缚电荷,束缚电荷在球内产生的电场与外电场方向相反,束缚电荷在球外产生的电场并非都与外电场平行,实际电场就会偏离原来的均匀电场,从而使极间电场发生畸变,与准干式电火花加工和气中放电加工相比,混粉准干式电火花加工技术的放电间隙最大。 混粉准干式电火花铣削加工时,增大脉冲宽度、峰值电流、分层厚度及工具电极伺服速度,材料去除率及表面粗糙度随之增大;增大脉冲间隙材料去除率会降低,表面粗糙度有所降低;增大空气压力,材料去除率增加、表面粗糙度降低;增加粉末浓度或增加固液混合物流量均能使材料去除率增高,表面粗糙度降低。电极损耗随脉冲宽度增大而减小,在大脉冲宽度条件下电极损耗可接近于零。随着峰值电流的增加,电极损耗会增加。气中放电加工、准干式电火花加工、混粉准干式电火花加工的材料去除率依次增加,表面粗糙度依次降低。与气中放电相比,由于气、液、固三相流介质电火花加工放电间隙得到了明显的提高,使电蚀产物容易排出,减少了短路发生率和拉弧现象,加工过程更加稳定,从而提高了材料去除率。由于放电间隙变大和粉末的放电分散作用,在工件表面形成浅平的放电蚀坑,放电凹坑边缘光滑,气、液、固三相流介质冷却效果好,使加工过程中产生的电蚀产物得到及时有效的冷却,从而减少了粘结现象,降低了工件表面粗糙度。 加工硬质合金过程中,过大的脉冲宽度和过长时间持续的电流作用都会使其表面产生严重的网状裂纹。实验证明为提高加工速度而采用大脉宽、大电流的加工是不可取的,粗加工应采用窄脉宽高峰值电流,短促的瞬时高温会使加工表面热影响层较浅,减少裂纹,精加工宜选用窄脉宽小电流以减少裂纹。在混粉准干式电火花加工过程中导致工件表面裂纹的主要原因是热冲击载荷的作用,同时和材料的属性也密切相关。 用有限元技术仿真了混粉准干式电火花加工单脉冲放电过程。在放电点中心附近温度最高,随着径向距离和轴向距离的增加温度会逐渐降低。应力成分中径向应力和轴向应力占主导地位。径向应力始终是负值,即其为压应力,轴向应力随着径向距离的增大从压应力转换成拉应力,这种拉压变换的应力能导致表面缺陷。 提出了一种用多种群遗传算法优化神经网络结构的模型,编码串由网络隐层神经元数信息、网络训练次数信息及收敛误差信息构成,目标函数是训练数据相对误差与检测数据相对误差加权和,经优化得到的加工预测模型结构紧凑,预测精度高,减少了人为选择网络结构的主观性、局部性。另外用遗传算法优化了电火花加工参数,加工效率得到了提高,为实现高质量智能控制奠定了基础。


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