楊大勇

(北京市電加工研究所,北京 100191)

進(jìn)入21世紀(jì),電火花成形加工技術(shù)得到了迅猛發(fā)展,突破了傳統(tǒng)觀念的束縛,產(chǎn)生了一些新的技術(shù)和應(yīng)用領(lǐng)域。電火花成形加工的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)一步采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、混沌理論、仿真技術(shù),以進(jìn)一步提高加工的各項(xiàng)工藝指標(biāo)、加工的可靠性和自動化程度。脈沖電源則在保證電火花加工工藝指標(biāo)的前提下,向穩(wěn)定、可靠、環(huán)保、綠色、節(jié)能方向發(fā)展。電火花成形加工技術(shù)在“微納”加工、“鏡面”加工、半導(dǎo)體和超硬材料加工中發(fā)揮越來越重要的作用,為人類創(chuàng)造巨大的財(cái)富。

1 精密微細(xì)化

微細(xì)加工在近代加工技術(shù)中是一個新的加工領(lǐng)域。對于電火花微細(xì)加工而言,主要指尺寸小于300μm 的軸孔、溝槽、型腔等的加工。實(shí)現(xiàn)精密、微細(xì)加工的一個重要條件是加工單位(即每次放電的蝕除量)盡可能小。而在電火花加工過程中,其加工單位只取決于單個放電脈沖的能量。微細(xì)電火花加工的極限能力一直是研究工作者追求的目標(biāo)之一。日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所的增澤隆久教授加工出的直徑 5μm的微細(xì)孔和直徑2.5μm的微細(xì)軸,代表了當(dāng)前這一領(lǐng)域的世界前沿水平。

除了微細(xì)孔和微細(xì)軸的加工外,微細(xì)電火花加工技術(shù)更深遠(yuǎn)的意義在于通過微細(xì)電火花銑削技術(shù)制造更小的微三維結(jié)構(gòu),進(jìn)而制造更小的微型機(jī)械及微型機(jī)器人,從而體現(xiàn)該技術(shù)更為廣泛的潛在價值和應(yīng)用前景。

圖1 1/8微型球瓣

圖1是美國林肯大學(xué)加工的1/8微型球瓣,其球徑為150μm。日本東京大學(xué)增澤隆久教授利用簡單形狀的微細(xì)電極,制作出了長500μm、寬300μm、深200μm的微型汽車模具,并用此模具制作出了微型汽車模型。日本三菱電機(jī)公司成功地制作出了由齒頂圓直徑為1.2mm的大齒輪、齒頂圓直徑為0.2mm的小齒輪和直徑為0.1mm的內(nèi)心軸構(gòu)成的、最深部的加工尺寸為270μm的齒輪鑄模(圖2)。

圖2 微小齒輪模具

2 脈沖電源參數(shù)的精確控制

高性能脈沖電源控制技術(shù)主要體現(xiàn)在3個方面,即:蝕除脈沖精度的精確控制、阻斷清掃脈沖的控制、穩(wěn)定放電脈沖的控制。

2.1 逐個脈沖檢測技術(shù)

實(shí)現(xiàn)逐個脈沖檢測并做出相應(yīng)對策的首要條件是速度要快,為此AGIE-Hyperspark脈沖電源研制了FPGA脈沖優(yōu)化模塊,具有超強(qiáng)計(jì)算能力(30MIPS),可在約33.3 ns時間內(nèi)對脈沖前沿的狀況進(jìn)行一次檢測,不僅可消除拉弧的風(fēng)險,還可按使用中效率和表面質(zhì)量(表面粗糙度的一致性和加工表面平整性)的權(quán)重來設(shè)定閾值。有了這一脈沖控制技術(shù),使諸如300mm×300mm的大面積精加工得以實(shí)現(xiàn)。

2.2 阻斷清掃脈沖控制技術(shù)

瑞士AGIE-Hyperspark脈沖電源的阻斷清掃脈沖控制技術(shù)是在放電柱漸近進(jìn)入飽和狀態(tài)前突加一個適當(dāng)?shù)母唠娏髅}沖,以阻斷已沒有蝕除作用的放電柱,形成第一次材料拋出,凹坑中有明顯殘留物 ;然后重建新的放電柱,在其擴(kuò)展過程中又會有些蝕除,更重要的是在其放電結(jié)束后的第二次材料拋出時,將原坑中的殘料充分清除,形成光滑干凈的放電凹坑,此放電凹坑比通常脈沖的放電凹坑淺,從而使表面粗糙度減小,白層(變質(zhì)層)減薄。由于脈沖蝕除量的增加以及表面質(zhì)量改善使后續(xù)精修省力,故此項(xiàng)技術(shù)使加工效率提高(采用銅和石墨電極時平均提高30%,深窄槽加工提高50%),電極損耗降低。例如用直徑10mm,45°尖劈形石墨電極加工鋼,加工深度12mm,加工結(jié)果:長度損耗0.1mm(相對損耗 0.8%),表面粗糙度 Ra1.6μm,加工時間30min,而常規(guī)脈沖電源加工時間為41min,提高27%。

3 中小型模具的低損耗加工

電火花成形加工在中小型模具,尤其是小型高檔模具的加工方面呈現(xiàn)很大的優(yōu)勢。市場因素是機(jī)電產(chǎn)品的功能集成及相應(yīng)的產(chǎn)品小型化,使其模具在小容積內(nèi)包容了復(fù)雜的多個型腔,加上為提高模具壽命采用高硬度材料,對此,加工中心的高效率長項(xiàng)發(fā)揮不出來,相反由于需要去除的材料少,電火花成形加工相對低的材料去除效率,有一定損耗等則不成問題。型腔越小越復(fù)雜,它的優(yōu)勢越明顯。尤其在當(dāng)今金融危機(jī)下,模具廠求自保努力挖潛,例如手機(jī)和數(shù)碼相機(jī)模具制作周期中拋光約占1/4,爭取免拋光和少拋光是重要的出路,銑刀無可避免留下的刀花和刀痕成了拋光的大問題,甚至在小型腔中根本無法拋光。這些以電火花成形加工當(dāng)前的性能水平,無需大的花銷就可穩(wěn)定解決。當(dāng)然這并不是說加工中心面對小型復(fù)雜型腔絕對做不了,而是說在加工工時和刀具費(fèi)用等方面已不合算。就是在中大型模具上,除了窄深槽和清角的工作外,如音響設(shè)備的音窗,汽車的進(jìn)風(fēng)格柵,以及落差大的型腔(如汽車發(fā)動機(jī)箱壓鑄模型芯),需要超長的銑刀加工,此時由于刀具剛度不足,表面質(zhì)量無法保證,只能用電火花成形加工?？梢哉f在小型腔加工上電火花成形加工已成為主角,這塊市場現(xiàn)在發(fā)展很快,足以使電火花成形加工站穩(wěn)腳跟,而在中大型型腔加工上至少也是最佳配角了。

實(shí)際上電火花成形加工和加工中心所代表的高速銑,已不是零和游戲的雙方,而是優(yōu)勢互補(bǔ),進(jìn)入雙贏的局面。為此,電火花成形加工近年來技術(shù)上有了長足的進(jìn)步,并在此基礎(chǔ)上推出一系列新機(jī)型。例如:GF.Agiecharmilles公司的F0350μ,直接宣稱為制作1mm3容積的小型腔專用,Sodick的C32電源容量僅15 A,最大亮點(diǎn)是所謂“零損耗”,與之相當(dāng)?shù)挠蠱ITSUBISHI ELECTRIC公司的EA8PVM Advance小型高速高精度機(jī)床,保證精度±0.003mm;MAKINO公司的EDACI,可以實(shí)現(xiàn)與磨削表面的接刀痕在±1μm以內(nèi)。令人印象深刻的樣件是接插件模具的寬0.2mm深0.3mm的微細(xì)槽,其底角半徑可穩(wěn)定達(dá)到0.01mm,甚至更小僅0.005mm。在微細(xì)加工中的清角是此類機(jī)型的顯著標(biāo)志。清角是小器件中為了更好地利用空間所必需。此外,小型腔的高精度很大程度上是為了光,加工表面的光不僅是為了脫模,而且為了省掉拋光,節(jié)省工時。在相當(dāng)多的情況下也無法拋光,這只有通過高精度的平動,以十幾檔規(guī)準(zhǔn)的“走刀”,才可能得到 Ra 0.1μm,甚至 Ra 0.06μm 的表面粗糙度 。

當(dāng)前正進(jìn)入模具行業(yè)添置高速銑的高潮,高速銑供應(yīng)商中的一些人大量散發(fā)電火花成形加工被替代的信息。這明明是欺騙大多數(shù)用戶沒有用過高速銑,對它期望值過高。在國外這個過程在10年前就已經(jīng)過去了,也沒有人再談?wù)撨@些東西。事實(shí)是高速銑會替代一部分,也因?yàn)樗陔姌O制造和型腔預(yù)銑上提供了很大的方便,使電火花成形加工功能更合理更有效,正因?yàn)楦咚巽姾碗娀鸹ǔ尚渭庸ぶg工藝上的聯(lián)結(jié)是如此的緊密,MAKINO將它們成功地捆綁銷售,類似的還有AGIE-CHARMILLES的米克朗。Sodick還自行開發(fā)了 MC430L/MC650L高速銑削中心。據(jù)統(tǒng)計(jì)在2002年世界市場上電火花成形加工的銷售額達(dá)5.6億瑞士法郎(不包括中國)。當(dāng)然電火花成形加工的大方向是向高端精密微細(xì)方面發(fā)展,在超硬和高耐熱材料加工領(lǐng)域內(nèi),為減少昂貴的刀具消耗,常規(guī)電火花成形加工還有一定市場?？傊咚巽娦矢?工藝相對簡單,更適合加工凸模,而在型腔,尤其是深窄槽、微細(xì)型面、硬韌材料、無刀痕加工中效率就不太高,花銷大,頗難接受。而清角、超硬合金的加工等等正是發(fā)揮電火花成形加工的優(yōu)勢所在。電火花成形加工最主要是相對效率低,工藝復(fù)雜。故趨勢是用它的平動功能去除高速銑留下的刀痕和清角窄槽的加工,所以要求今天的電火花成形加工精度要高,微細(xì)加工能力強(qiáng),如果余量留得很小(如單邊0.05～0.1mm),效率就不太低,形狀平整度都會很好。高速銑和電火花成形加工真正是互補(bǔ)極強(qiáng)的一對,兩者結(jié)合的范例以手機(jī)模具最為典型,因?yàn)榇四＞邽閾屖袌?交貨期很緊,且質(zhì)量很苛刻,通常會使用高速銑為主,但電火花成形加工也有10多個電極。即使最有名的三星公司,把電火花成形加工的應(yīng)用一再壓縮,至少也要用3個電極,其中還用上了混粉鏡面加工工藝。

電火花成形加工最近在加工硬質(zhì)合金型面上取得進(jìn)展后,繼續(xù)攻克高耐熱的鈦合金,這些材料又硬又粘,高速銑加工刀具消耗很大,采用窄脈寬高峰值電流的電火花成形加工據(jù)介紹電極損耗可以控制在25%以下,故AGIE公司中等規(guī)格的成形機(jī)所配脈沖電源的峰值電流都達(dá)到了104 A(過去這不多見),在工藝數(shù)據(jù)庫里也配上了相應(yīng)參數(shù)。

4 多軸聯(lián)動數(shù)控電火花加工技術(shù)

數(shù)控電火花加工技術(shù)中的多軸聯(lián)動加工方法在模具制造等領(lǐng)域具有非常重要的作用,特別是加工表面形狀復(fù)雜的關(guān)鍵零部件時,更具有不可替代的作用。

整體葉輪是火箭發(fā)動機(jī)、飛機(jī)發(fā)動機(jī)以及航空機(jī)載設(shè)備的重要零件之一。整體葉輪工作在高溫、高壓、高轉(zhuǎn)速條件下,多選用不銹鋼、高溫耐熱合金和鈦合金等難切削材料制造,由于材料難加工,再加上其為整體結(jié)構(gòu),帶有復(fù)雜型面的葉片,使得它的制造非常困難,成為航空航天制造中的關(guān)鍵技術(shù)。目前國外采用五軸聯(lián)動電火花成形加工的方法。該形狀的零件用機(jī)械加工方法是很難實(shí)現(xiàn)的。木工聚晶金剛石刀具的加工是多軸聯(lián)動數(shù)控電火花加工技術(shù)又一成功應(yīng)用領(lǐng)域之一。木工用聚晶金剛石刀具電火花磨削加工時,由于其刀具幾何結(jié)構(gòu)的要求,需要配置多個分度軸和電極旋轉(zhuǎn)軸實(shí)現(xiàn)不同角度的傾斜磨削加工和多刀齒磨削加工。由于木工刀具的轉(zhuǎn)速一般都在每分鐘幾萬轉(zhuǎn),所以對分度軸的要求非常高。

在機(jī)床上裝備精密分度旋轉(zhuǎn)軸C軸、A軸,配合其他3個直線軸可完成4軸四聯(lián)動、5軸五聯(lián)動的加工,還可完成6軸數(shù)控5軸聯(lián)動的加工。圖3所示的加工樣件為空間曲線的汽車密封件成形模具示意圖,它是用一個與端面形狀相同的片狀紫銅電極,通過X、Y、Z、U 4軸的伺服聯(lián)動完成的空間曲面內(nèi)藏式的型腔加工,該形狀的模具用機(jī)械加工方法是很難實(shí)現(xiàn)的。圖4所示為5軸五聯(lián)動加工的圓柱面上空間曲線樣件照片,同樣是用一個與端面形狀相同的片狀紫銅電極,通過 X、Y、Z、C、A 5軸的伺服聯(lián)動完成的空間曲面內(nèi)藏式型腔加工。

圖3 4軸四聯(lián)動加工樣件

圖4 5軸五聯(lián)動加工樣件

5 高表面質(zhì)量與鏡面加工技術(shù)

鏡面加工技術(shù)的出現(xiàn)有效地解決了深槽窄縫等不易拋光和加工精度差的問題,進(jìn)一步拓展了電火花加工技術(shù)的應(yīng)用范圍。

5.1 高效高精度鏡面電火花加工實(shí)例

北京市電加工研究所利用高性能鏡面加工回路,在普通加工液中不添加任何粉末的條件下實(shí)現(xiàn)了較大面積的電火花鏡面加工(圖5)。圖5a是直徑為25mm的鏡面加工照片。利用該項(xiàng)加工技術(shù)在直徑為25mm(面積為490mm2)加工面積上,達(dá)到表面粗糙度Ra 0.05μm,表面可像鏡子一樣清晰地映照出鋼板尺的刻線和數(shù)字;圖5b是直徑為40mm(面積為1256mm2)的鏡面加工照片,表面粗糙度小于Ra 0.10μm,并實(shí)現(xiàn)了批量穩(wěn)定加工。該鏡面加工回路有效克服了分布電容、分布電感等寄生參數(shù)對鏡面加工的不利影響,精確控制了微小放電能量的恒量輸出,并在工具電極表面形成一層炭黑膜,從而有效地保護(hù)電極表面不被損耗,提高了加工精度和工件表面質(zhì)量,實(shí)現(xiàn)了像手機(jī)、個人掌上電腦(PDA)等中小型模具表面用電火花加工作為最終精加工工序的目的,有效地解決了深槽窄縫等不易拋光和加工精度差的問題,進(jìn)一步拓展了電火花加工技術(shù)的應(yīng)用范圍。

圖5 鏡面加工實(shí)例

5.2 混粉加工技術(shù)

通過在工作液中添加一定濃度的導(dǎo)電性硅、鋁等微粉,以改變電火花放電狀態(tài),使大面積電火花加工表面粗糙度值顯著降低,表面性能(耐磨、耐蝕等)得到改善,克服了常規(guī)電火花加工表面粗糙度、表面性能差的缺點(diǎn),使電火花加工作為大面積精密、復(fù)雜型面的最終加工成為可能,從而省去了后續(xù)拋光工序,使產(chǎn)品的制作周期、工人的勞動強(qiáng)度降低。圖6是在日本沙迪克公司PGM65高速鏡面電火花成形機(jī)床上加工的發(fā)動機(jī)箱蓋的壓鑄模具。該模具的特點(diǎn)是幾乎沒有平面,由曲面組成,不易拋光。模具的材料為SKD61熱作模具鋼,加工部位的表面尺寸為200mm×150mm,加工深度為41mm,加工表面粗糙度為 Rmax1.8μm;電極材料為石墨,粗、精加工各用一個電極,粗加工電極的單邊縮放量為500μm,精加工電極的單邊縮放量為300μm。模具加工時,首先采用普通電火花成形進(jìn)行6 h的粗、中加工,表面粗糙度達(dá) Rmax8～10μm;然后用混粉電火花成形進(jìn)行30 h的精加工。加工結(jié)果:表面粗糙度達(dá)Rmax 1.8μm,表面變質(zhì)層 ≤4μm,表面光亮度好 。

圖6 電火花混粉鏡面加工的發(fā)動機(jī)箱蓋壓鑄模具

5.3 電火花加工后表面層狀態(tài)加工測試結(jié)果

電火花加工后的表面層狀態(tài)是眾多航空航天、軍工制造企業(yè)最為關(guān)注的問題。它不僅影響零件的質(zhì)量和使用壽命,更重要的是,航空航天零件加工表面顯微裂紋的大小有時會引出非常嚴(yán)重的后果。為此我們進(jìn)行了常用航空材料3J33高彈性合金鋼、9Cr18不銹鋼等的表面層狀態(tài)加工試驗(yàn)并進(jìn)行檢測。3J33高彈性合金鋼精加工后測試結(jié)果(測試儀器:JSM-6400掃描電鏡):表面重熔層小于 2μm;9Cr18不銹鋼精加工后測試結(jié)果(依據(jù)航空技術(shù)要求:S10JT.247的2類):均未見重熔層,未見斷續(xù)小珠、重熔層氣孔、重熔層脫離、基體金屬裂紋、鎳基、鈷基合金的碳化物范圍內(nèi)的裂紋、起弧。

5.4 鈦合金及航空用精鍛模具電火花加工實(shí)例

用北京市電加工研究所A35精密數(shù)控電火花成形機(jī)床加工鈦合金時,加工速度可達(dá)89mm3/min,加工表面粗糙度達(dá)Ra 0.2μm。圖7是應(yīng)用A35精密數(shù)控電火花成形機(jī)床加工的航空用精鍛模具實(shí)例,加工面積超過了5600mm2,加工深度16mm,加工精度0.015mm,表面粗糙度達(dá)到了 Ra 0.4μm。

5.5 石墨電極的應(yīng)用

過去歐美使用石墨電極達(dá)到80%～90%,而日本則以用銅電極為主,現(xiàn)在日本也跟上來了。這和電火花成形加工深窄槽越來越多有關(guān),當(dāng)然石墨的性能也更全面、更好了。石墨剛性好、不變形、容易成形,在電火花成形加工新技術(shù)的支撐下石墨用得更順手。特別是加工毫米級的小模具,如接插件越來越小,槽、間距非常小,一般用銅鎢材料和銅做電極,但是銅鎢合金電極內(nèi)應(yīng)力很大,變形大,有經(jīng)驗(yàn)的師傅不會過多使用這種微細(xì)電極的;而石墨材料由于韌性好、加工性能好、無毛刺,可做成細(xì)長形狀,可做到高1.8mm,厚0.05mm,深寬比36。

圖7 A35加工的航空精鍛模具

5.6 主軸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)及高速和高響應(yīng)伺服技術(shù)

主軸的高速和高響應(yīng)伺服性能對深型腔加工、深槽窄縫加工、小間隙高精度高效率加工、精密微細(xì)加工等都具有重要意義。主軸的高速、高加速和高響應(yīng)伺服性能,可有效產(chǎn)生抽吸作用,使加工屑有效排出,實(shí)現(xiàn)了深型腔的無沖液加工。主軸的高速和高響應(yīng)受主軸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)影響。目前主軸的執(zhí)行機(jī)構(gòu)有3種形式,一是直線電機(jī)直接驅(qū)動,二是交流電機(jī)直接帶動滾珠絲杠副,三是交流電機(jī)通過齒輪減速帶動滾珠絲杠副。嚴(yán)格地說直線電機(jī)結(jié)構(gòu)沒有反向間隙,插補(bǔ)能力好,加工的圓度好,最早為了提高速度僅在Z軸上使用,使用后發(fā)現(xiàn),加工精度也有優(yōu)勢,現(xiàn)在3軸都用,從長遠(yuǎn)考慮,直線電機(jī)保持精度好,不需要更換絲杠。但直線電機(jī)如果沒有批量,成本太高了,在大面積加工時直線電機(jī)也有弱點(diǎn)。滾珠絲杠結(jié)構(gòu)中有個反向器的不平穩(wěn)因素,直線電機(jī)有個鐵芯磁極的效應(yīng),在用閉環(huán)線性控制之后,在平穩(wěn)性上難分伯仲,對輕載機(jī)反向空程上也可以做得一樣。目前,SODICK公司直線電機(jī)的SEDM機(jī)Z軸最高速度是6 m/min,Z軸最高抬刀速度達(dá)36 m/min;MAKINO公司用滾珠絲杠和軟件技術(shù)最高速度是10 m/min;國內(nèi)北京市電加工研究所采用交流伺服電機(jī),利用高速軟件的抬刀功能,實(shí)現(xiàn)了主軸抬刀速度≥10 m/min,為解決這類零件的加工提供了很好的平臺。

6 人工智能技術(shù)

提高電火花成形加工過程自動化程度是該加工技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。由于電火花成形加工是在復(fù)雜環(huán)境下基于復(fù)雜任務(wù)對復(fù)雜對象的控制,傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)已不能滿足自動化加工的要求,因此需要建立多輸入、多輸出的控制系統(tǒng),智能控制將是解決此類復(fù)雜問題的有效途徑。智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)功能,能自主調(diào)節(jié)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)、參數(shù)和方法,進(jìn)行決策規(guī)劃和廣義問題求解。它就如同一個有經(jīng)驗(yàn)的操作者,可通過對加工信息的定性刻劃,模擬熟練操作者的思維方式,根據(jù)當(dāng)前的加工狀態(tài)調(diào)整加工參數(shù),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)提高加工效率、加工精度、加工過程穩(wěn)定性以及簡化操作過程,拓寬加工范圍的目的。雖然智能控制系統(tǒng)在電火花成形加工中得到了大量應(yīng)用,但仍有許多不完善之處,主要需解決以下問題:①根據(jù)不同加工要求確定工具電極與工件加工表面之間的合理間隙和合理加工參數(shù);②開發(fā)能根據(jù)加工過程中間隙狀態(tài)的改變而自適應(yīng)變化的脈沖電源;③工作液的合理選用及其對加工過程的影響;④降低各種干擾對加工過程的影響。針對以上問題,電火花成形加工智能控制系統(tǒng)應(yīng)重點(diǎn)研究和應(yīng)用以下技術(shù):

6.1 自適應(yīng)控制

由于電火花加工機(jī)理非常復(fù)雜,要建立一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)模型十分困難,雖然不同的學(xué)者從各自的角度提出了不同的模型,但大多與實(shí)際相差甚遠(yuǎn),故應(yīng)用傳統(tǒng)的經(jīng)典控制方法(如RC控制)不可能達(dá)到良好的控制效果。因此,現(xiàn)代控制理論中的自適應(yīng)控制技術(shù)必然被電火花加工控制技術(shù)所吸收,國內(nèi)外專家學(xué)者在這方面做了廣泛的探索研究工作。各種自適應(yīng)控制方法的不同之處在于控制參數(shù)及評價標(biāo)準(zhǔn)的選擇。監(jiān)控參數(shù)大致有:伺服參考電壓、脈沖電源參數(shù)、抬刀周期、高頻信號、脈沖上升沿、擊穿延時、火花放電時間、脈沖下降沿的時間占有率等。電火花加工過程自適應(yīng)控制的目標(biāo)是在滿足表面粗糙度、電極損耗及加工穩(wěn)定性要求的前提下優(yōu)化蝕除速度,使生產(chǎn)率盡量提高。然而,電火花加工過程中需優(yōu)化的參數(shù)很多,且各種參數(shù)之間是相互耦合的。而上述各種自適應(yīng)控制方法,基本上都是控制單一變量,或是相互分離地控制幾個變量,至于變量之間的耦合問題還未涉及到,致使自適應(yīng)控制方法難以實(shí)現(xiàn)真正意義上的最優(yōu)控制。

6.2 專家系統(tǒng)的應(yīng)用

由于電火花成形加工的復(fù)雜性,操作人員需熟練掌握數(shù)控編程技術(shù)、加工規(guī)準(zhǔn)選擇、電極損耗補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)和相關(guān)知識,其中任何一個環(huán)節(jié)的欠缺都將造成加工過程的缺陷或失敗。采用專家系統(tǒng)可較好地解決這一問題。專家系統(tǒng)的建立及功能的完善需根據(jù)電火花成形加工的特點(diǎn),結(jié)合多年的試驗(yàn)研究成果及實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn),不斷充實(shí)、改進(jìn)專家系統(tǒng)知識庫,細(xì)化推理過程,建立良好的人機(jī)接口,從而根據(jù)不同的加工要求,實(shí)現(xiàn)加工參數(shù)優(yōu)化及加工過程中的在線實(shí)時調(diào)整,達(dá)到降低操作難度、實(shí)現(xiàn)高效率、高精度和穩(wěn)定加工的目的。

國外電火花成形機(jī)床在專家系統(tǒng)方面有了新的進(jìn)展。例如夏米爾公司ROBOFORM 2000L機(jī)床配置了新的PROGRAM EXPERT2自動編程系統(tǒng),加工時按照畫面的提示只需輸入少量數(shù)據(jù),如電極損耗、表面粗糙度、加工工件及電極材料、加工面積、加工深度等,加工時即可自動選取最優(yōu)參數(shù),自動監(jiān)控加工過程,實(shí)現(xiàn)自動化最優(yōu)控制。

6.3 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的應(yīng)用

雖然專家系統(tǒng)可使計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有類似人類專家解決問題的能力,但在知識的獲取方面存在困難,自學(xué)能力差。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種通過計(jì)算機(jī)對人類大腦功能進(jìn)行抽象、簡化和模擬而建立的高度非線性系統(tǒng),它具有自組織、自學(xué)習(xí)、容錯性和并行處理信息的能力,特別適合處理復(fù)雜問題,與專家系統(tǒng)、模糊控制技術(shù)互相取長補(bǔ)短,提高對放電狀態(tài)、加工效率、放電位置等的預(yù)測精度,提高在線實(shí)時控制效果,推動電火花成形加工過程控制向更高層次發(fā)展。

6.4 模糊控制技術(shù)的應(yīng)用

模糊控制技術(shù)是在模糊集合論、模糊語言變量及模糊邏輯推理技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的先進(jìn)計(jì)算機(jī)控制技術(shù),通過輸入少量參數(shù),模糊控制系統(tǒng)即可自動選擇最優(yōu)參數(shù),自動監(jiān)控加工過程,實(shí)現(xiàn)自動化、最優(yōu)化控制。此外,將自適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力引入模糊控制系統(tǒng),可實(shí)現(xiàn)對模糊控制規(guī)則、隸屬函數(shù)和模糊量化在控制中的自動調(diào)整和完善。目前,國外電火花成形機(jī)幾乎都應(yīng)用了模糊控制(FC)技術(shù)。用模糊控制理論可起到替代一個熟練操作人員的作用。即對檢測到的間隙放電狀態(tài)進(jìn)行模糊推理,以識別加工是否高效、穩(wěn)定,由此確定下階段新的加工參數(shù),來實(shí)現(xiàn)加工過程的最優(yōu)化。采用該技術(shù)一般能提高加工速度20%～30%,特別是對深槽、筋肋、多腔多件加工以及加工中截面積變化較大的零件加工效果更為顯著。

6.5 混合智能控制的應(yīng)用

需指出的是,上述各種控制技術(shù)在電火花加工過程中的應(yīng)用并不是相互獨(dú)立的。由于各自都存在著無法自我克服的缺陷,采用單一控制方式對于電火花加工過程很難獲得滿意的控制效果。因此,它們之間需要取長補(bǔ)短,在充分發(fā)揮自身優(yōu)勢的同時,通過相互結(jié)合取得聯(lián)合增值效應(yīng)。如:對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來說,知識抽取和知識表達(dá)較困難,而模糊信息處理方法對此卻很有效;另一方面,模糊推理很難從樣本中直接學(xué)習(xí)規(guī)則,且在模糊推理過程中會增加模糊性,但神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卻能進(jìn)行有效的學(xué)習(xí),并因采用聯(lián)想記憶而降低模糊熵。國內(nèi)外學(xué)者對混合控制方法進(jìn)行了廣泛研究,提出了模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與遺傳算法的結(jié)合、模糊控制與遺傳算法的結(jié)合、模糊控制與灰色預(yù)測的結(jié)合等混合智能控制理論。為了緊跟先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展步伐,應(yīng)進(jìn)一步完善模糊控制與自適應(yīng)控制、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)的結(jié)合,利用混沌理論、模糊控制等各種控制技術(shù)的特點(diǎn)與優(yōu)勢,研制智能化、模塊化的電火花成形加工機(jī)床的控制部件和執(zhí)行機(jī)構(gòu),實(shí)現(xiàn)高效率、高精度、低損耗、穩(wěn)定的加工過程控制,促進(jìn)電加工事業(yè)的發(fā)展。

7 個性化

隨著生產(chǎn)的需要,各行各業(yè)出現(xiàn)了許多特殊的零件與結(jié)構(gòu),與之對應(yīng),為了適應(yīng)零件多品種、小批量的特點(diǎn),電火花加工機(jī)床的結(jié)構(gòu)和功能也呈現(xiàn)個性化的發(fā)展趨勢。所謂個性化的市場是指為適應(yīng)某些特殊的行業(yè)、特殊的材料、特殊的零件與結(jié)構(gòu)而設(shè)計(jì)的在結(jié)構(gòu)和功能方面專用的電火花加工機(jī)床和為了某一類模具的制造而提供的個性化服務(wù)。這與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展,特殊材料的不斷出新,國家航空、航天的需求有關(guān),特殊材料的電火花加工,超大、超小型零件的電火花加工以及一些特殊零件、特殊用途的電火花加工仍是未來一段時間內(nèi)電火花成形機(jī)床市場發(fā)展的主要趨勢。例如,目前已進(jìn)入的輪胎模具、木工刀具、拉絲模具等特殊行業(yè);超硬材料(聚晶金剛石、立方氮化硼、金屬陶瓷等)、脆性材料(釹鐵硼、釤鈷類磁性材料等)、粘性材料(耐熱合金、鈦合金、不銹鋼等)等特殊材料。下面介紹幾種具有個性化的電火花加工專用機(jī)床。

7.1 聚晶金剛石超硬材料的電火花加工專用機(jī)床

聚晶金剛石復(fù)合片是將人造金剛石微粉用銅、鐵粉等導(dǎo)電材料作為粘結(jié)劑,在高溫高壓下與硬質(zhì)合金基體燒結(jié)而成的復(fù)合材料。北京市電加工研究所采用大幅度增加放電擊穿爆炸力的電火花磨削工藝,成功地解決了聚晶金剛石刀具、拉絲模具及大面積聚晶金剛石復(fù)合片的高效精密加工問題。目前,采用增爆式脈沖電源的電火花專用機(jī)床是加工聚晶金剛石材料最有效的加工方法。有些導(dǎo)電的工程陶瓷及立方氮化硼材料也可用該類機(jī)床加工。

7.2 輪胎模具的電火花加工機(jī)床

輪胎模具的特點(diǎn)是外形尺寸大,加工的型腔均布在圓周上,加工部位尺寸小,加工表面粗糙度 Ra在6～10μm范圍內(nèi),模具的種類和數(shù)量多,因此,采用數(shù)控電火花加工專用機(jī)床進(jìn)行加工是一種非常有效的方法。蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司開發(fā)的輪胎模具專用機(jī)床除具有普通機(jī)床X、Y、Z 3軸運(yùn)動外,在工件安裝夾具上還有繞中心軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動C軸和夾具與X軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動A軸;由于加工部位小,采用局部小油池,有兩根進(jìn)油管強(qiáng)力進(jìn)油以滿足加工對工作液的要求。電極材料一般采用石墨、紫銅。加工方法采用多電極更換法。加工規(guī)準(zhǔn)的選擇與普通模具一樣。加工時采用定時抬刀。

7.3 航空蜂窩密封組件電火花加工機(jī)床

世界著名的羅爾斯-羅伊斯(Rolls-Royce)公司航空發(fā)動機(jī)蜂窩密封件采用電火花加工技術(shù)加工。使用的電火花加工專用機(jī)床有4個石墨電極頭,單獨(dú)伺服控制,油槽與工作臺同步旋轉(zhuǎn),伺服電壓為50～60V,電流值為8～10 A。工作液采用硅藻土材料過濾。國內(nèi)蘇州電加工機(jī)床研究所有限公司研制了航空發(fā)動機(jī)蜂窩密封組件電火花加工專用機(jī)床。

7.4 三維空間復(fù)雜曲面葉片電火花加工專用機(jī)床

這類零件由特殊材料制成,用普通的機(jī)械加工刀具消耗極大,生產(chǎn)效率低下,蘇州電加工機(jī)床研究有限公司所采用數(shù)控電火花展成加工工藝實(shí)現(xiàn)該材料的高效加工。采用簡單超長圓電極配以高效放電加工電源,以放電銑的方式對機(jī)械切削難以加工的材料如高溫耐熱合金、鈦合金、不銹鋼等制造的零件進(jìn)行高效去余量加工,可加工三維空間復(fù)雜曲面。該機(jī)床是具有 X、Y、Z、W 4個直線運(yùn)動軸和用于工件旋轉(zhuǎn)的B軸及電極旋轉(zhuǎn)的R軸的六軸數(shù)控機(jī)床,加工時采用超長中空圓電極,可實(shí)現(xiàn)X、Y、Z、B 4軸聯(lián)動的復(fù)雜型面的展成加工。此外,該機(jī)床采用電極內(nèi)沖液、外包液、工件浸液加工以及電極高速旋轉(zhuǎn)相結(jié)合的方法,解決了數(shù)控高效放電展成加工的排屑及冷卻問題。加工效率比傳統(tǒng)的機(jī)械切削加工高3～5倍,刀具(電極)費(fèi)用只需1/10左右。主要用于航空發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)制造領(lǐng)域。

7.5 330MW汽輪機(jī)高壓噴嘴組零件的電火花加工機(jī)床

高壓噴嘴組零件是我國引進(jìn)法國阿爾斯通公司的產(chǎn)品330MW汽輪機(jī)組的核心部件之一,圖8是330MW汽輪機(jī)高壓噴嘴組零件圖。該高壓噴嘴組零件是由在節(jié)圓上均布的5種孔型40個三維空間曲面汽道組成,每一個汽道必須是內(nèi)環(huán)、外環(huán)、葉片為一體而形成的整體式噴嘴組。汽道部分的結(jié)構(gòu)和幾何形狀可分為 A、B、C三部分,其中 A、C兩部分用普通的電火花成形加工方法就可解決,但B部分由于上下被葉片的背弧與內(nèi)弧所封閉,前后被內(nèi)外圓環(huán)所包圍,形成一個封閉式型腔,用普通電火花成形方法難于加工,成為噴嘴組用電火花成形方法加工的關(guān)鍵。為此,北京市電加工研究所開發(fā)了專用數(shù)控電火花成形機(jī)床,并設(shè)計(jì)了一套柔性專用夾具,實(shí)現(xiàn)了空間曲面型腔的成形加工。該產(chǎn)品加工完成后,經(jīng)法國專家檢驗(yàn)鑒定,各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到法國阿爾斯通公司標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 330MW汽輪機(jī)高壓噴嘴組零件結(jié)構(gòu)圖及標(biāo)準(zhǔn)汽道斷面圖

7.6 木工刀具的電火花加工專用機(jī)床

木工聚晶金剛石刀具需要多個專用軸聯(lián)動的數(shù)控電火花加工,隨著人造板、木材制品的質(zhì)量要求的提高,對加工所使用的木工刀具形狀、精度和使用壽命要求也隨之提高。人造板和木材制品的加工大多為一次直接成形,因此,木工刀具形狀多為三維空間曲面,刀頭越來越多地采用硬度高、耐磨性好的聚晶金剛石材料。木工刀具用普通磨床很難加工,因此需要研制專用的的電火花加工機(jī)床。圖9a是電火花加工木工刀具的局部示意圖,利用C軸與X軸聯(lián)動生成螺旋空間曲面,采用在線檢測技術(shù)用測量頭對刀具加工過程及加工完成時進(jìn)行檢測。圖9b是在精密數(shù)控電火花成形機(jī)床上配上C、A、R 3個旋轉(zhuǎn)軸加工盤式聚晶金剛石木工刀具的局部示意圖。

圖9 木工刀具電火花加工示意圖

8 結(jié)束語

電火花加工技術(shù)在制造業(yè)領(lǐng)域占有重要地位,是實(shí)現(xiàn)難加工材料、復(fù)雜零件精密加工的有效手段。我們應(yīng)借鑒其他加工技術(shù)發(fā)展的成功經(jīng)驗(yàn),揚(yáng)長避短,充分利用現(xiàn)代科技發(fā)展的相關(guān)成果,在深入研究電火花放電機(jī)理的基礎(chǔ)上,指導(dǎo)電火花加工工藝?yán)碚摵涂刂评碚摰难芯?改善機(jī)床結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法,實(shí)現(xiàn)智能控制技術(shù)與電火花加工技術(shù)的有機(jī)結(jié)合,同時高度重視操作安全和環(huán)境保護(hù),全面推動電火花加工技術(shù)更快發(fā)展。

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