CN106984877B

CN106984877B - 切深分层可调的放电烧蚀铣削快速进给伺服控制方法

Info

Publication number: CN106984877B
Application number: CN201710273263.3A
Authority: CN
Inventors: 邱明波; 韩云晓; 刘志东; 沈理达; 田宗军
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2017-04-20
Filing date: 2017-04-20
Publication date: 2019-09-06
Anticipated expiration: 2037-04-20
Also published as: CN106984877A

Abstract

一种放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是在放电烧蚀铣削过程中，电极以恒定的速度进行快速进给，高效烧蚀蚀除本层工件材料，而后，以本层加工时间为采样周期，以本层加工电流信号为采样信号，通过取样电路获得本层采样电流脉冲概率；将采样电流脉冲概率与所设定的电流脉冲概率进行比较，得到比例因子作为切深调整依据，从而调整下一层铣削深度。这样分层切深基于上层铣削电流脉冲概率在加工中在线计算调整，使得实际加工电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率。本发明控制精度高，能防止分层放电烧蚀铣削过程中切深过大或过小现象的发生，适用于放电诱导烧蚀铣削及电火花铣削等加工形式的分层策略，能够提高加工稳定性及加工质量。

Description

切深分层可调的放电烧蚀铣削快速进给伺服控制方法

技术领域

本发明涉及一种放电烧蚀铣削加工技术，尤其是一种放电烧蚀铣削加工的伺服控制方法，具体的说是一种适用于放电烧蚀铣削加工的旋转电极快速进给，基于电流脉冲概率检测进行分层切深控制的伺服方法。

背景技术

随着世界范围内航空航天工业、医疗器械、汽车工业以及核工业的快速发展，新结构、新材料不断出现，钛合金、高温合金、高强度钢及复合材料的使用比例逐渐提高，零件多具有结构复杂、去除量大、薄壁、整体等特点。由于材料自身的物理性质以及零件去除量大的特点，使得对上述材料和结构采用传统机械切削加工方法非常困难。

电火花加工作为一种特种加工方法，其利用两极间脉冲放电时产生的高温电蚀作用蚀除材料。其加工精度高、稳定性好，能加工常规切削加工方法难以加工的材料和复杂形状的工件，加工过程不存在宏观切削力，不产生毛刺等缺陷。电火花铣削加工利用简单电极(也称为标准电极)，如棒状电极在数控***控制下，按照一定轨迹做成形运动，借鉴数控铣削加工方式，通过简单电极与工件之间在不同相对位置刀位的放电，加工出所需要工件形状。电火花铣削加工技术已经成为三维型腔电火花加工的有力手段之一。然而由于其具有电火花加工的共性，蚀除效率受制于脉冲电源能量的输出，加工效率低一直是其难以克服的瓶颈问题。

放电诱导烧蚀铣削加工是一种无宏观切削力特种加工方法，其在常规电火花铣削加工中引入新的能量——金属燃烧释放的大量化学能，其加工效率是常规电火花铣削加工的十数倍甚至数十倍，特别适合难加工材料、大去除量的零件加工。

现有的电火花铣削加工分层是基于机械铣削的平均分层思想，即每层铣削的切深相同。由于放电烧蚀铣削加工具有加工效率远远高于常规电火花铣削的特点，因此现有电火花铣削所采用的电极进给伺服控制不适合高效放电诱导烧蚀铣削加工。本发明针对放电诱导烧蚀铣削高效加工方法，提出适用于其加工特点的电极快速进给及切深分层可调的伺服控制方法，实现高效稳定的加工。

发明内容

本发明的目的是针对现有的电火花铣削加工所采用的电极进给速度调整以电压检测为依据、铣削切深平均分层不适用于高效放电烧蚀铣削加工的问题，发明一种电极以恒定速度快速进给及分层铣削单层切深可调的放电烧蚀铣削伺服控制方法。

本发明的技术方案是：

一种放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是放电烧蚀铣削加工旋转电极以恒定速度快速进给，分层切深基于上层铣削电流脉冲概率在加工中进行计算调整，单层切深在1μm～1000μm范围内可调。在放电烧蚀铣削过程中，电极以恒定的速度进行快速进给，高效烧蚀蚀除本层工件材料，而后，以本层加工时间为采样周期，以本层加工电流信号为采样信号，通过取样电路获得本层采样电流脉冲概率；将采样电流脉冲概率与所设定的电流脉冲概率进行比较，得到比例因子作为切深调整依据，从而调整下一层铣削深度。其控制原理如图1所示，控制流程如图2所示：

此时加工正在进行第i层铣削，第i层切深δ_i已经由上一层加工状态确定，从第i层铣削开始，到该层铣削结束的时间为采样周期T_i。在T_i时间内，取样信号采集产生电流信号的脉冲个数，通过微处理器计算，将采样信号个数除以总脉冲个数得到第i层的电流脉冲概率。通过公式

比例因子＝[设定的电流脉冲概率÷采样电流脉冲概率]ⁿ

n为一大于0小于1的数，n越小，每次铣削深度调节的幅度就越小，深度变化越小。但如果n值太小则会因为深度变化过小而导致下一层加工状态调整不明显，一般取1/3≤n≤1/2。

得到比例因子γ_i，则第i+1层的切深δ_i+1则调整为γ_i·δ_i。

根据放电烧蚀铣削加工的特点，由于单层铣削深度较小，在电极快速进给过程中，材料与氧气烧蚀快速蚀除，少量未蚀除材料可在下一层加工过程中被快速蚀除，因此正常放电脉冲比例占60％左右即可，空载脉冲比例为20％，短路脉冲比例为20％左右。在正常加工和短路状态下都会产生电流脉冲，因此在所期望的放电状态下，产生电流脉冲的概率为80％以上。根据加工材料及脉冲参数的不同，期望的电流脉冲概率在一定范围内变化，一般为65％～85％。所以设定的电流脉冲概率一般在65％～85％之间。

当采样电流脉冲概率大于所设定的电流脉冲概率，则将本层的铣削深度乘以比例因子(此时小于1)，以减少下一层铣削深度，避免下一层铣削过程中出现过多短路现象；当采样电流脉冲概率小于设定的电流脉冲概率，则将本层的铣削深度乘以比例因子(此时大于1)，增加下一层铣削深度，避免下一层铣削过程中出现过多空载现象。最终，使得实际电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率，使得每一层放电烧蚀铣削加工处于期望的加工状态。所述的产生电流的脉冲包括正常放电脉冲和短路脉冲。

本发明的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法单层加工电极快速进给，分层厚度根据上一层加工状态可调。

所述的恒定快速进给速度在0.1μm/s-100mm/s范围内取值。

所述的放电诱导烧蚀铣削电极转速为60-6000rpm。

所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法同样适用于常规电火花铣削加工。

所述的单层铣削深度在1μm～1000μm范围内可调。

所述的采样周期为烧蚀铣削单层加工时间，不同层采样周期时间长短不同。

所述的微处理器接收取样电路信号，从而计算出采样周期内的电流脉冲概率；根据采样周期内的电流脉冲概率和所设定的电流脉冲概率得到比例因子，作为下一层铣削分层深度的调整依据。

所述的取样电路以电流特性为伺服依据。

所述的取样电路包括以电压特性为控制依据；此时产生电压的脉冲包括正常放电和开路脉冲；根据采样周期内的电压脉冲概率和所设定的电压脉冲概率得到比例因子，作为控制依据。

所设定的电流脉冲概率一般为65％～85％，可根据加工工件材料、加工效率要求以及参数进行调节。

本发明的有益效果：

本发明最大程度的适应于放电烧蚀铣削加工高效的特点，对铣削加工过程中分层厚度进行闭环调整，使得加工最大程度处于所期望的加工状态。

本发明方法简便易行，使用范围广，可适用于放电诱导烧蚀分层铣削以及常规电火花分层铣削伺服控制。

本发明有利于提高加工速度，并实现稳定的加工过程。

本发明在加工过程中，可调整所设定的电流脉冲概率，以满足不同的加工要求。

附图说明

图1是本发明的伺服控制方法的铣削深度分层控制原理图；

图2是本发明的伺服控制方法的控制流程图；

图3是不同铣削切深下放电烧蚀铣削电流电压波形图；

图4是采用传统伺服***与采用本发明伺服方法进行放电诱导烧蚀铣削加工效率对比图；

图5是采用本发明伺服方法进行放电诱导烧蚀铣削加工的实物图片；

表1是本发明实施例的金属放电诱导烧蚀铣削加工工艺条件。

表1

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步的说明。

如图3所示。

图3为采用表1工艺参数条件下不同铣削切深放电烧蚀铣削电流电压波形图，由图中可以清楚的看出，在不同的铣削切深下，电流脉冲出现的几率有着明显的区别，即单层切深越大，电流脉冲出现几率越大。

通过电流脉冲出现的几率来区分极间的加工状态，进而调整铣削分层切深。

实例1：

采用表一所示工艺参数进行加工。方法一：采用常规伺服方法进行平均分层放电诱导烧蚀铣削；方法二：采用本发明伺服方法的放电诱导烧蚀铣削。其中方法一平均分层厚度为5μm，电极伺服进给速度由极间平均电压控制；方法二设定理想电流脉冲概率为70％，快速进给速度为10mm/s，第一层铣削深度为5μm。设比例因子公式中n＝1/3。

两种加工方式加工效率对比图如图4所示。

实例2：

采用表一所示工艺参数进行加工。采用本发明伺服方法的放电诱导烧蚀铣削。设定电流脉冲概率为75％，快速进给速度为10mm/s，第一层铣削深度为5μm。在加工过程中，***不断调整分层铣削厚度。加工实物图如图5所示。

实例3：

采用表一所示工艺参数进行加工。采用本发明伺服方法的放电诱导烧蚀铣削。设定理想电流脉冲概率为80％，快速进给速度为10mm/s，第一层铣削深度为4μm。设比例因子公式中n＝1/3.

若某一检测周期内检测到当前的电流脉冲概率为88％，当前进给速度为5μm。

比例因子＝((88％)÷(80％))^1/3＝1.03

根据所得到的比例因子调节下一层切深。

δ＝5×1.03μm＝5.15μm

通过不断的调节是的电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是放电烧蚀铣削加工旋转电极以恒定速度快速进给，分层切深基于上层铣削电流脉冲概率在加工中进行计算调整，单层切深在1μm～1000μm范围内可调；在放电烧蚀铣削过程中，放电烧蚀铣削旋转电极以恒定的速度进行快速进给，高效烧蚀蚀除本层工件材料，而后，以本层加工时间为采样周期，以本层加工电流信号为采样信号，通过取样电路获得本层采样电流脉冲概率；将采样电流脉冲概率与所设定的电流脉冲概率进行比较，得到比例因子作为切深调整依据，从而调整下一层铣削深度；其包括如下步骤：

第一步：首先将第一层铣削切深在1μm～1000μm范围内设定为固定值，根据前期试验结果，将电机设定为电流脉冲概率超过80％时的最快速度进行快速进给，且该速度在整个加工过程中保持不变；

第二步：以第一层加工时间为采样周期，以第一层放电电流信号为采样信号，在第一层铣削结束后，通过取样电路在采样周期内对电流脉冲出现概率进行采集得到采样电流脉冲概率；采样电流脉冲概率指产生电流的脉冲的个数占采样周期总脉冲个数的百分比；

第三步：采用微处理器对采样电流脉冲概率进行计算和存储，将采样电流脉冲概率与所设定的电流脉冲概率进行比较，得到比例因子作为切深控制依据，将第一层铣削加工的切深乘以比例因子，得到第二层切深；

第四步：以得到的切深进行第二层放电烧蚀铣削；

第五步：以第二层加工时间为采样周期，以第二放电电流信号为采样信号，在第二铣削结束后，通过取样电路在采样周期内对电流脉冲出现概率进行采集得到采样电流脉冲概率，并比较得到比例因子，进一步得到第三层切深；

第六步：以此类推，直至加工结束；

比例因子可根据下式求得：

比例因子＝[设定的电流脉冲概率÷采样电流脉冲概率]ⁿ

式中：指数常数n的取值为1/3≤n≤1/2；

设定的电流脉冲概率根据不同的加工方式、情况与对象可取65％～85％；

当采样电流脉冲概率大于所设定的电流脉冲概率，则将本层铣削加工的切深乘以比例因子，减少下一层铣削深度；当采样电流脉冲概率小于设定的电流脉冲概率，则将本层铣削加工的切深乘以比例因子，增加下一层的切深；使得实际电流脉冲概率逐步趋向于所设定的电流脉冲概率；所述的产生电流的脉冲包括正常放电和短路脉冲。

2.根据权利要求1所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是所述的放电烧蚀铣削旋转电极转速为60-6000rpm。

3.根据权利要求1所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是它适用于放电烧蚀铣削加工的分层伺服控制，其同样适用于常规电火花分层铣削伺服控制。

4.根据权利要求1所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是电极以恒定的速度进行快速进给，该速度在0.1μm/s-100mm/s范围内取值。

5.根据权利要求1所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是所述的采样周期为铣削每一层的加工时间，且不同层加工时间不一定相同。

6.根据权利要求1所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其所述的取样电路包括以电压特性为控制依据；此时产生电压的脉冲包括正常放电和开路脉冲；根据采样周期内的电压脉冲概率和所设定的电压脉冲概率得到比例因子，作为控制依据。

7.根据权利要求1所述的放电烧蚀分层铣削伺服控制方法，其特征是所设定的电流脉冲概率与加工的效率、表面质量、电极损耗有关，并针对不同的加工要求进行随时改变。