旋轉超聲輔助微細（xì）電火花加工係統研究
2016-12-28 來源：北方工業大學機電工程學院 作者：徐明剛，張振，馬小林，黃文（wén）勇
摘要：為研究超硬材（cái）料多元（yuán）智能融合加工策略以及超聲振動對複合刃磨和微坑織構（gòu）形成（chéng）及分（fèn）布的影響規律，提供了實驗裝置支持，研發了基於效率和微坑織構驅動（dòng）的旋轉超聲電火花加工平（píng）台數控係統。該平台（tái）采用基於工控Pc的開放（fàng）式數（shù）控（kòng）係統，實現了旋轉超聲加工的自動（dòng）化，探討了數控係統（tǒng）的軟／硬件結構、功能模塊（kuài）劃分、數控界麵設計及脈衝電源設計等關鍵技術。結果表明：該係統運行安全可靠。
關（guān）鍵詞：旋轉超聲；數控係統（tǒng）；電火花加工
0.前言
以PCD為代表的超硬材（cái）料刀具在高速切削加工（gōng）領域愈來愈（yù）重要，其刃磨技術和刃（rèn）磨品質（zhì）直（zhí）接決定著（zhe）刀具的綜合性能和加工精度?。由於超硬材料的（de）極高·硬度使（shǐ）得其高（gāo）效高品質（zhì）刃磨十分困難，不能滿足（zú）現（xiàn）代高速切削對高端刀具日益增（zēng）長的需求悼J。適用於（yú）硬脆性材料加工的微細特種加工技術呈現多樣（yàng）化發展的趨勢，主（zhǔ）要有電火花加工(EDM)、電化（huà）學加工(ECM)、射流加工(AJM／WJM)、超聲（shēng）加工(usM)、激光加工（gōng）(Laser Machining)等，但上述加工方法均存在各自的局限性。因此（cǐ）尋求一（yī）種可靠、高（gāo）效，並（bìng）且具備對大多數脆（cuì）硬材料適用的微細加工方法是目前先進製造領（lǐng）域的一個迫切需求。
旋轉超聲加工技術(Rotary ultL夠onic Machining，RuM)是一種複合特種加（jiā）工工藝Ho。文中研發的旋轉超聲電火花（huā）加工平台是為超（chāo）硬材（cái）料刀具多（duō）元智能融合（hé）加工提供（gòng）新的實驗裝置，特別用於智能化複合（hé）加工中對效率和精度要（yào）求較高的領域。為高端刀具（jù）的高效精密刃磨（mó）及刀具的減摩提供實驗裝置支持。專用數控係（xì）統是旋轉超聲加工平台（tái）的核心，其集成了加工工藝和全自（zì）動化加工過程控製，對機床的穩定性（xìng）、可靠性、加（jiā）工精度和（hé）效率有著（zhe）至關重要的影響。開放式體係（xì）結構（gòu）已成為（wéi）現代數控係統的發展（zhǎn）方向”3，具有更好的通用性、柔性、適應性和擴展性¨1。文中主要探討該平台開放式數（shù）控係統的關鍵技術。
1.旋轉超聲電火花加工平（píng）台結構設計
該平台是精細電火花（huā）加工試驗裝置，其具有旋轉超聲加工特點，相比於其他（tā）電火花加工裝置有效率高、精度高的特點，適用於較高要求的特種電火花加工。
平台本體總體布（bù）局見（jiàn）圖1。主體采用x—y、z三軸工作台，三（sān）軸分別采用（yòng）電機帶動導軌（guǐ）絲杠（gàng）運動，導軌上裝有滑板；x、y軸呈（chéng）900交叉（chā）疊放，z軸豎直立於加工平台上（shàng），工作台可以在（zài）水平麵（miàn）內（nèi）實現（xiàn）x、y兩軸的直線運動，而z軸在垂直方向運動。各軸均安裝有滑動板，x軸的活動板上安裝y軸，y軸滑動板上安裝工作液槽及工作台，液體槽用2 mm厚鋼板焊接而成，底部留有圓孔，用於排掉加工液；固定在y軸滑板的工作台上。
圖l旋轉超聲加工平台本（běn）體總體布局圖
z軸的主要部分（fèn）是回轉主軸．采用立式（shì）結構，內嵌超聲發（fā）生換能器和（hé）電火花脈衝（chōng）電（diàn）源發生器：回轉軸C軸繞z軸轉動．將主（zhǔ）軸安裝於（yú）Z軸運動（dòng）部件的滑動板（bǎn）上；回轉主軸內裝嵌有變幅杆。其整體為階梯型變截麵杆結構（gòu）。端部是與主軸連接的法蘭結構。安裝方（fāng）式是內人式．即部（bù）分變幅杆嵌入在主軸裏麵，剩餘部分裸露（lù）在（zài）主軸（zhóu）外麵，供連接加工裝置用。
該平台將超聲振動、電火花、磨削3種加工方（fāng）式有機智能融合，結構簡單（dān）。在各加工階（jiē）段以不（bú）同（tóng）的目標（biāo）驅動，智能化的采取不同的複合方式和加工（gōng）參（cān）數，來達到提高工件加工效率、保證刃磨精度的目的。
2.數控係統硬件設計
綜（zōng）合考（kǎo）慮可靠（kào）性、實時性、定（dìng）位精度和機床成本等因素，采用基於運動（dòng）控製（zhì）卡和（hé）工控機構（gòu）成的主從開放式體係結構。
數（shù）控（kòng）係統硬件基本構成和功能模塊分別如圖2和圖3所示。硬件主要包括一塊運動控製卡、三台伺服電機(帶編碼器)、三台伺服驅動器（qì）；x—l，及z軸導（dǎo）軌上限位開關和接近開關等反饋機構：電源和（hé）工作（zuò）液泵（bèng）等執行機構（gòu）。數控係統硬件模塊包括控製櫃、狀態監測、顯示與開關麵板、輸入設備和數控界麵等。運動控製卡為整個數控係統硬件的核心，采用ART公司的UsBl020四軸處理實時反饋和控製（zhì）算法。上位（wèi）機由工控機（jī）+觸（chù）摸屏構成，主要處理（lǐ）數據通信、參數設置和界麵顯示。運動控製卡與工控機之間采用usB總線（xiàn）通訊方式，提高了數據傳輸速度和抗幹擾能力。為了近距離觀察和操作方便性，設計了手（shǒu）控盒控製麵板，利用並行IO信號進（jìn）行通信。
圖2數控（kòng）係統硬（yìng）件主（zhǔ）要構成（chéng）
圖3數控係（xì）統硬件功能模塊
為提高加工平（píng）台的自動化（huà）程度，以滿足超硬材料多（duō）元智能融合加工需（xū）求，旋轉超聲電（diàn）火花加工平台各（gè）伺服電機自身的旋轉編碼器為反饋係統，更好地控製各軸的運動位置。每（měi）軸配有兩個限位開關，以確定（dìng）正軸設計（jì）指標（biāo）見表1。x—l，、Z軸都采用伺服電機驅動， 限位、負限位和零位。旋轉z軸（zhóu）采（cǎi）用步進電機控（kòng）製。
表l旋轉（zhuǎn）超（chāo）聲電火花加工平台各軸設計指標（biāo）
3.數控係統軟件界麵設計
基於（yú）方便（biàn）性和（hé）產品化設計原則，采用C#編寫分屏數控界麵，界麵示例如圖4所示。數控界麵擴展了鼠標、工業（yè）鍵盤快捷鍵、觸摸屏等，滿足不同操作者的習慣，獲得（dé）更大程度上的操作方便性。
圖4分屏數控界麵示（shì）例
數（shù）控界（jiè）麵主要由機床（chuáng）原點、各軸運動、外部停止、參數設置、刀具參數以及開關操作等功能模塊份屏界麵組成。在各分屏界麵中，具有狀態顯示和按鈕控製相應功能，實現輔助操作、參數設置和全自動化加工的所有功能（néng）。每個（gè）分屏界麵（miàn）都包括當（dāng）前（qián）狀態、動作時間、實時時間（jiān）和功能按鈕區等部分。界（jiè）麵以綠色和藍色作為（wéi）主背景，減輕操（cāo）作者長期操作（zuò）引起的視覺疲勞。
歡迎界麵作為初始數控界麵，點擊“進（jìn）入係統”進入操作界麵。機床（chuáng）原（yuán）點界（jiè）麵(如圖4(a)所示)，用於機床上（shàng）電後確定（dìng）各軸的物理原點（diǎn），以完成3個數控軸所在坐標係的回（huí）零操作。各軸運動界麵(如圖4(b)所示)，實現各軸的點（diǎn）動微調。點動過程中分（fèn）為連續點動和（hé）單步點動。同時，還可以對點動速度進行設計。開關操作界麵(如圖4(c)所示)，用於總開關、各軸啟動／停（tíng）止、暫（zàn）停等操作。刀具參數設置界麵(如圖4(d)所示)，用於對刀具直徑補償、長度設置、進（jìn）給率調整等參數的設置。
4.加工用脈衝電源設計
微細電（diàn）火花加工是一種非接觸式的、無宏觀切削力的微細加工方（fāng）法伸。91。微（wēi）能脈衝電源是微（wēi）細電火花加工係統的關鍵（jiàn）技術，其性能好壞直接（jiē）關係到微細電火花加工工藝指標（biāo）的優劣（liè）。
為滿足加工精度（dù）需要，設計（jì）一種可控式Rc脈衝電源。利用上位機和CPLD設置（zhì）脈衝參數產生脈衝序列控製信號，識別處理實（shí）時加工狀態信息（xī），來達到改善加工環境的目的.1“。利用兩（liǎng）個功率場效應管響應速度（dù）快，能夠滿（mǎn）足加工精度的要求。功率管采用專門集成驅動芯片rI’Ps2812。同時，利用高（gāo）精度比較器LM307N對放電狀態進行實時監測，從而保證加工（gōng）精
圖6脈衝電源主程序框架圖
5.電火花（huā）加工平台驅動策略
以車刀（dāo）為對象，基（jī）於效率和表（biǎo）麵微織構驅動，進（jìn）行PcD刀具（jù）多元智能融合刃磨實驗¨3‘141。而（ér）對於非導電（diàn）的超（chāo）硬刀具材料，亦（yì）可通過輔助電（diàn）極等方（fāng）式實現刃磨。其驅動路線圖見圖7。
係統根據具體要求將該過程智能分為動態的3個階（jiē）段：
(1)效率驅動階（jiē）段，即（jí）加工初始階（jiē）段。選取（qǔ）大（dà）的放電規準及磨削（xuē）參數，去（qù）除大（dà）部分的材料加工（gōng）餘量（liàng），提高刃磨效率。
(2)精度驅（qū）動階段。該階段以磨削為主，去除大規準電火花粗加工表麵產生的變質層及顯微裂紋，得到精準的刀具幾何尺寸（cùn）及光滑的切削刀麵（miàn）。
(3)微坑織構驅動階（jiē）段。精加工階段已經獲得了刀具的（de）幾何尺寸及光潔的切削刀（dāo）麵，在該階段（duàn）主要采（cǎi）取微能脈衝放電與超聲振動結合的方式進行表麵改性，形成微織構結構。微能脈衝放電在（zài）刀具表麵蝕密布（bù）的小凹（āo）坑，超聲振動（dòng）起到改善間隙放電狀態及凹坑（kēng）形貌的作用。
6.結束語
對旋轉超聲電火花加工平台（tái）進行設計。其中，主要對（duì）平台的軟硬件和脈衝電源進行了詳細論述（shù），設計了數控係（xì）統的（de）加工（gōng）界（jiè）麵。為研究超硬（yìng）材料刀具多元智能融合加工提供了實驗設備，同時也為高端刀具的高效精密刃磨及刀具（jù）的減摩提實驗（yàn）裝（zhuāng）備支持。
投稿箱：
如果您有機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
如果您有機床行業（yè）、企業相關新聞稿件發表，或進行資訊合作，歡迎聯係本網編輯部， 郵箱：skjcsc@vip.sina.com
更多相關信息
業界視點
| 更多
行業（yè）數據
| 更多
- 2024年11月 金屬切（qiē）削機床產量數據
- 2024年11月 分地區金（jīn）屬（shǔ）切削機床（chuáng）產量數據
- 2024年11月 軸承出口情況（kuàng）
- 2024年11月 基（jī）本型乘（chéng）用車（轎車）產量數據
- 2024年11月（yuè） 新能源汽車產（chǎn）量數據
- 2024年11月 新能源汽車（chē）銷量情況
- 2024年（nián）10月 新能源汽（qì）車產量（liàng）數據
- 2024年10月 軸承出口情況（kuàng）
- 2024年10月 分地區金屬（shǔ）切削機床產量數據
- 2024年10月 金屬切削機床產量數據
- 2024年9月 新能源汽車銷量（liàng）情況
- 2024年8月 新能源汽（qì）車產量數據
- 2028年8月 基本型乘用車（轎車）產（chǎn）量數據
博文選萃（cuì）
| 更多（duō）