電源參數的調節采用數字顯示、有級調節,十分直觀和方便。峰值電流分為1—15共15檔,其中最大峰值電流約為檔數乘以40。
脈衝寬度分為2、4、6、8、12、16、24、32、48、64μs等10檔,脈衝間隙與脈衝寬度比值分為從1檔到10檔。另外機床控製麵板上電壓表指針穩定。電流表指示工件加工的平均電流。一般說來,當係統的加工電流達到加工電源短路電流的75%~80%時,加工處於一個比較合理的狀態。
電火花加工的工藝指標主要由切割速度,表麵粗糙度、蝕除量、形位精度以及電極絲損耗等性能來進行總體評價。電火花線切割加工的工藝過程非常複雜,影響工藝指標的因素較多,見4-6。決定工藝效果的因素不但包括電參數,也包括非電參數,其中參數調節通常是指電參數的調節。非電參數如電極絲速度、絲張緊力、工作液濃度等等,這些因素由於高速走絲線切割機床固有的特點而顯得很難參數化調節。對於這些非電參數,隻需調整到一個合適的範圍即可。如電極絲的張緊力,由於絲的高速往複運動,要做到恒張力很難,操作的原則是繞絲時盡量保持整個絲筒上的絲鬆緊一致,張力以正常電參數可穩定加工為準,加工一段時間後要及時整絲。工作液亦如此,皂化油的濃度要配置在10%左右,此外要定期更換以免雜質濃度過高。總之這些因素雖然對加工效果有不少影響,但隻要控製在一定的合理範圍之內,還是可以保證機床的良好運轉的。
4-6工藝指標影響因素
高速走絲線切割機在生產中尤其在模具生產中得到了廣泛的應用,但其加工過程是一個包含電磁學、熱力學以及流體力學的多參數複雜過程,具有隨機性和不確定性,在實際生產中線切割加工參數的選取在很大程度上依賴於操作者的經驗,或者依據機床生產者提供的加工參數表進行近似選取,而廠家提供的工藝參數表一般隻針對典型的工藝加工情況,很難適應具體的加工條件,並且操作者隻能在經過培訓及具有實際操作經驗後,才能逐步掌握線切割機床的操作,在實際加工過程中不能很好地挖掘機床潛力和適應自動化生產的要求。而加工時所選取的工藝參數直接決定工藝效果,工藝參數和工藝效果之間的關係十分複雜,是一個具有高度非線性的問題,難以建立一個嚴格的數學模型用具體的數學表達式來描述其工藝規律,能否在給定的加工條件下選擇最優的工藝參數,降低操作者的介入,提高電火花線切割加工製造效率,已經成為目前高速走絲線切割加工在應用中急需解決的問題。
4.5.2實驗條件
電火花加工中實驗條件包括工作液、電極材料、工件材料的選擇,除此之外,還包括實驗中加工工藝參數的設定,通過參考機床工藝手冊,對應地輸入機床能夠識別的加工代號。
(1)工作液
工作液的主要作用是使兩極間建立較高的極間電壓,儲備足夠的電能;壓縮放電通道,增強放電能量密度;參與電蝕產物拋出,排走放電產物;冷卻加工區域,恢複該區域絕緣強度等。
實驗中選取添加鋁粉的煤油作為電火花加工的工作液,粉末濃度大約為8g/L,鋁粉顆粒的平均尺寸大約為3~5μm。
鋁粉以其較低的密度、良好的導電性,在電火花加工中可以獲得低的表麵粗糙度和高的加工速度,而且價格適中,具有廣闊的應用前景。
(2)電極材料
電火花加工常用的電極材料一般選用硬度小易於加工的材料,並且具有良好的導電性、良好的加工穩定性,加工損耗小,亦即傳熱性好,這樣到達電極的熱量可以很快地散失,從而降低電極損耗。常用的電極材料為紫銅。紫銅是一種具有紫色光澤的金屬,具有導熱性好、硬度低、易於加工等優點,因此實驗選用紫銅作為加工電極。
(3)工件材料
工件材料的成分和組織結構均對加工後的表麵粗糙度有很大影響,本文實驗中選用的工件材料是聚晶金剛石。聚晶金剛石具有良好的切削加工性和鏡麵研磨性,廣泛用於強化複合木地板的加工與生產中。
眾所周知,決定工藝效果的因素不但包括電參數,也包括非電參數,其中參數調節通常是指電參數的調節。非電參數如電極絲速度、絲張緊力、工作液濃度等等,這些因素由於高速走絲線切割機床固有的特點而顯得很難參數化調節。對於這些非電參數,隻需調整到一個合適的範圍即可。如電極絲的張緊力,由於絲的高速往複運動,要做到恒張力很難,操作的原則是繞絲時盡量保持整個絲筒上的絲鬆緊一致,張力以正常電參數可穩定加工為準,加工一段時間後要及時整絲。總之,這些因素雖然對加工效果有不少影響,但隻要控製在一定的合理範圍之內,還是可以保證機床的良好運轉的。
4.5.3實驗數據測量方法
本文實驗結果數據通過儀器檢測獲得。
粗糙度測量選用TR200粗糙度測定儀,見4-7。
4-7TR200粗糙度測定儀
TR200粗糙度測定儀適用於生產現場,可測量多種機加工零件的表麵粗糙度。粗糙度測頭采用高精度電感傳感器,測量值穩定精確。可測量Ra、Rz、Ry、Rq、Rt、Rp、Rv、Rmax、R3z、RSk、RS、RSm、Rmr等多項參數,本次實驗粗糙度測定選擇參數Ra,測量範圍為0.025-12.5μm,測量精度:±10%。
材料蝕除量的數值是通過測量金剛石片厚度差獲得的,厚度的測定選用JX7萬能工具顯微鏡,見4-8。
4-8JX7萬能工具顯微鏡
JX7萬能工具顯微鏡,采用光柵測量技術,以數字顯示和打印記錄的形式直接給出厚度測量數值。該儀器是一種多用途的精密光學計量儀器,能夠精確測量零件的長度和角度,並可檢查零件的形狀,尤其適用於測量螺紋的參數,測定成形刀具、樣板的輪廓及形狀。
測量範圍:縱向行程:0~200mm,橫向行程:0~10mm。
測量準確度:(1+L/100)μm,其中L為測量長度(mm)。
根據金剛石刀片的輪廓形狀,在進行厚度測定時,選擇萬能工具顯微鏡的軸切法,按直角坐標測定厚度。
4.6試驗設計
1.混合位級正交法
廣西的鄧祥明曾采用改進的混合位級正交表在DK7720A線切割機床上進行主動因子試驗;然後對所得試驗結果進行逐步回歸分析,得到各工藝指標與各工藝參數的一次模型,即:
2.全麵因素試驗法
北京第四機床廠的夏祥源曾在DK7732機床上采用23全麵因素試驗計劃,試驗前需將因素的試驗值進行線性變換,轉換成編碼值,數據處理則根據23全麵因素的結果建立數學模型,即:
3.組合法試驗設計
組合設計的方法進行試驗,即在因子空間中選擇凡類具有不同特點的點,把它們適當組合起來而形成試驗計劃。一般p個變量的組合設計由下列N個點組成:
式中:
mc—兩水平(+1和-1)的全因子試驗的試驗點個數2p。
2p—分別在p個坐標軸上的星號點,它們與中心點的距離Y稱為星號臂,γ是待定參數。根據一定的要求(如正交性、旋轉性)調節γ,就可以得到各種具有很好性質的設計(如正交設計、旋轉設計)。
m0—在各變量都取零水平的中心點的重複試驗次數。它可以隻做一次,也可以重複二次或多次。
用組合設計安排的試驗計劃有很多優點。它的試驗點比三水平的全因子試驗要少得多,但卻仍保持足夠的剩餘自由度,例如四個自變量的組合試驗隻需要25次。
旋轉性是指在因子空間中,同一球麵(球心在中心點)所有點的預測值的方差相等。而通用的旋轉組合設計是指在因子區間0
采用旋轉組合設計時,首先需將因素的實際值進行線性變換,變為編碼值。確定因子的上界和下界,設有p個因子,,其中第j個因子的上下界分別為:
各因子的零水平和變化區間如下式:
每個因子的編碼值變換為:
雖然,以上幾種方法都有其自身的優點,但是都不能主動地把試驗的安排、數據的處理和回歸分析的精度綜合起來考慮,根據試驗目的和數據分析來選擇試驗點,使得在每個試驗點上獲得的數據含有最大的信息,從而減少試驗次數,並使得數據的統計分析具有一些較好的性質。因此,有必要針對所要建立的工藝模型進行設計試驗。
4.7金剛石木工刀具電火花磨削正交實驗設計
電火花加工技術在實驗中產生,最終在實際生產中實現其價值,因此有必要進行充分的實驗研究,以確立電火花加工的工藝規範,指導實際生產中合理搭配各加工工藝參數,獲得良好的加工效果。長期以來,人們一直試采用加工工藝參數單一變化的單因素分析辦法來研究各加工工藝參數的作用。單因素分析雖然可以分析出該因素的變化引起的實驗結果的變化效果,但在實際生產過程中,加工條件中的參數較多,在一定範圍中每一個參數的取值是任意的,而且電火花加工從本質上屬於多因素相互作用的過程,影響因素多,加工過程中存在不確定因素。本章根據正交設計原理進行電火花加工正交實驗設計,並確定實驗加工條件及與實驗相關的其他參數的選擇。
影響電火花磨削機床加工工藝指標的因素很多[92],如果采用全麵實驗的方法,由於參數多,調節範圍廣,需要做大量的實驗。采用正交實驗設計方法,通過將因素數和水平數合理搭配,不僅實驗的次數大大減少,而且用相應的方法對實驗結果進行分析可以引出許多有價值的結論[93,94]。
4.7.1正交實驗設計
正交實驗設計是研究多因素多水平的一種設計方法,它是根據正交性從全麵實驗中挑選出部分有代表性的點進行實驗,這些有代表性的點具備“均勻分散、齊整可比”的特點,能夠大幅度減少實驗次數而且不會降低實驗可行度,是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法[95,96]。
正交實驗可以解決以下三個問題:
①分析因素與指標的關係,找到因素影響指標的規律;
②分析因素影響指標的主次,在諸多影響指標的因素中找到主要影響因素;
③尋求獲得最佳指標的各因素的水平取值組合(在設定的水平內)。
正交設計是用正交表安排多因子的實驗設計和分析的一種方法由於它操作方便計算簡單,已成為多因子場合下進行實驗設計的首選方法之一。
利用因果來設計測試用例時,作為輸入條件的原因與輸出結果之間的因果關係,往往非常龐大,以至於據此因果而得到的測試用例數目多的驚人,給實驗測試研究帶來沉重的負擔,為了有效地,合理地減少測試的工時與費用,可利用正交實驗設計方法進行測試用例的設計。
4.7.2正交實驗設計方案
4.7.2.1正交實驗考察指標的確定
為了在電火花線腐蝕基本工藝規律的基礎上針對工藝建模,獲得一個較好的實驗設計方法,根據實驗目的和數據分析來選擇實驗點,使得在每個實驗點上獲得的數據含有最大的信息,從而減少實驗次數,並使得數據的統計分析具有一些較好的性質。因此,在本次實驗中,參考HCKX250工藝數據庫的形式,不僅考慮了峰值電流、峰值電壓、脈衝寬度、脈衝間隔等電參數,也考慮到了加工速度對工藝效果的影響。因此,采用正交實驗設計方法獲取數據。