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2016年电火花机成形加工技术的发展趋势阅读次数 [690] 发布时间 :2016-06-22 13:32:20
电火花成形加工技术在制造业领域占有重要地位,是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效手段。研究人员应借鉴其它加工技术发展的成功经验,扬长避短,充分利用现代科技发展的相关成果,在深人研究电火花放电机理的基础上,指导电火花成形加工工艺理论和控制理论的研究,改善机床结构和设计方法,建立基于PC机的开放性数控体系,实现智能控制技术与电火花成形加工技术的有机结合,同时高度重视操作安全和环境保护,全面推动电火花成形加工技术更快发展。

  1.引言

  作为先进制造技术的一个重要分支,特种加工技术,尤其是电火花加工技术,自20世纪40年代开创以来,历经半个多世纪的发展,已成为先进制造技术领域不可或缺的重要组成部分。尤其是进人20世纪90年代后,随着信息技术、网络技术、航空和航天技术、材料科学技术等高新技术的发展,电火花成形加工技术也朝着更深层次、更高水平的方向发展。虽然一些传统加工技术通过自身的不断更新发展以及与其它相关技术的融合,在一些难加工材料加工领域(尤其在模具加工领域)表现出了加工效率高等优势,但这些技术的应用没有也不可能完全取代电火花成形加工技术在难加工材料、复杂型面、模具等加工领域中的地位。相反,电火花成形加工技术通过借鉴其它加工技术的发展经验,正不断向微细化、高效化、精密化、自动化、智能化等方向发展。

  2.电火花成形加工技术的发展现状

  目前,在电火花加工基础理论研究领域,由于放电过程本身的复杂性、随机性以及研究手段缺乏创新性,迄今尚未取得突破性进展。但在加工工艺和控制理论研究领域,由于研究成果可直接应用于生产实践,因此已成为目前电火花成形加工技术研究中较为活跃的领域,其研究热点主要集中在高效加工技术、高精密加工技术(如镜面加工技术)、低损耗加工技术、微细加工技术、非导电材料加工技术、电火花表面处理技术、智能控制技术(如人工神经网络技术、模糊控制技术、专家系统等)以及操作安全、环境保护等方面。在工艺设备开发方面,目前的新型电火花成形加工机床在加工功能、加工精度、自动化程度、可靠性等方面已全面改善,许多机床已具备了在线检测、智能控制、模块化等功能,已不再是传统意义上的特种加工机床,而更像切削加工中的数控机床甚至加工中心。

  3.电火花成形加工技术的发展趋势

  先进制造技术的快速发展和制造业市场竞争的加剧对电火花成形加工技术提出了更高要求,同时也为电火花成形加工技术加工理论的研究和工艺开发、设备更新提供了新的动力。今后电火花成形加工的加工对象应主要面向传统切削加工不易实现的难加工材料、复杂型面等加工,其中精细加工、精密加工、窄槽加工、深腔加工等将成为发展重点。同时,还应注意与其它特种加工技术或传统切削加工技术的复合应用,充分发挥各种加工方法在难加工材料加工中的优势,取得联合增值效应。相对于切削加工技术而言,电火花成形加工技术仍是一门较年轻的技术,因此在今后的发展中,应借鉴切削加工技术发展过程中取得的经验与成果,根据电火花成形加工自身的技术特点,选用适当的加工理论、控制原理和工艺方法,并在己有成果的基础上不断完善、创新。电火花成形加工机床向数控化方向发展的趋势已不可逆转,但应注意不可盲目追求“大而全”,应以市场为导向,建立具有开放性的数控体系。总体而言,电火花成形加工技术今后的发展趋势应是高效率、高精度、低损耗、微细化、自动化、安全、环保等。

  3.l 电火花成形加工理论的发展趋势

  近年来,电火花成形加工的基础理论研究尚未取得实质性进展,虽然一些学者对加工过程的放电痕迹、材料蚀除原理等提出了一些新看法,但在电火花加工机理研究方面并未取得重大突破。较为活跃的研究领域主要集中在加工工艺理论和控制理论方面。

  在加工工艺理论研究方面,研究热点主要是如何提高电火花成形加工的表面质量和加工速度,降低损耗,拓展电火花加工的范围,以及探索复杂、微细结构的加工方法等。通过将研究成果应用于生产实践,全面提高了电火花成形加工的加工性能。在控制理论研究方面,智能控制一直是研究重点。国内外生产的新型电火花成形加工机床大多采用了智能控制技术,此项技术的应用使机床操作更容易,对操作人员要求更低。同时,智能控制系统具有自学习能力,可在线自动监测、调整加工过程,以实现加工过程的最优化控制。

  虽然电火花成形加工的理论研究在基础理论、加工工艺理论、控制理论等方面都有一定发展和提高,但加工工艺理论、控制理论要得到更进一步全面发展,就必须在整个放电过程机理的研究上有所突破。因此,电火花成形加工理论研究的发展趋势将是在进一步探讨加工工艺理论和控制理论,提高电火花成形加工的加工性能及加工范围,取得更好控制效果的同时,重点研究放电过程的机理。

  电火花成形加工机理研究未取得突破性进展的主要原因除放电过程本身的复杂性、随机性外,还由于研究方法及手段缺乏创新性。因此,有必要借鉴其它研究领域的成功经验,引人先进的研究方法和试验技术,克服传统研究方法的局限性、深人剖析和揭示整个放电过程的内在本质,建立可客观反映放电过程规律的理论模型,以指导电火花成形加工工艺理论和控制理论的研究,而计算机仿真技术可能是实现这一过程的有效工具。

  3.2 电火花成形加工设备结构的改进

  借鉴现代切削加工机床的发展经验,电火花成形加工设备向数控化方向发展是一个不可逆转的趋势。一方面应以高精度、高速度、自动化为追求目标,以技术优势占领市场;另一方面应充分考虑设备的性能价格比,通过对机床功能的合理定位,进行结构改进和模块化设计,采用开放性的数控系统,提高机床设计的合理性,以最低的价格和足够的功能向用户提供可满足不同加工需要的各类电火花成形加工机床。

  受现代切削加工技术发展的冲击,以前适合采用电火花加工的一部分加工领域已逐步为切削加工方式所替代。但是,现代科技的发展对零件的制造精度提出了更高要求,各种高性能材料的应用日益广泛,同时,一些零件结构趋于复杂化、微型化、薄型化,这都使切削加工技术在某些加工领域的应用受到限制,而这些恰好是电火花成形加工的技术优势,也是其具有生存空间和发展潜力的现实依据。

  为全面推动电火花成形加工设备的技术进步,在采用先进控制系统的同时,机床结构的设计也需要进一步完善,其主要发展方向表现在以下两方面:

  (1)直线伺服系统的应用

  电火花成形加工设备采用直线电机伺服系统可使加工性能获得明显改善,具体表现为:①可实现轴的直接直线运动,省去丝杠一螺母传动环节,从而保证轴的高速运动;②采用直线电机与滑板一体化结构,可消除滑板与电机之间因存在中间环节而引起的机械响应滞后现象,提高系统的灵敏度,缩短动态响应时间,保证加工过程的稳定性;③直线电机伺服系统的运动方式决定了其位置检测环节必须采用直线位置反馈元件,实现无中间环节的直接位置检测,从而构成一个全闭环系统,保证加工过程的高精度及精度保持性。目前,直线伺服系统的应用在深窄、微小型腔加工及模压零件一模多腔加工方面具有明显的技术优势。但是,这些技术优势要真正实现,除需结合电火花成形加工放电过程特性,解决直线伺服系统本身的技术难题外,还必须解决一系列与直线伺服系统配套的相关技术,如直线运动系统的动力平衡、工作台的结构改进等。

  (2)机床运动方式的改进

  突破现有电火花成形加工机床运动方式的局限性,是发挥其技术优势、推动其产业发展的另一重要途径。借鉴现代切削加工技术的发展经验,可在机床主要的加工成形运动基础上引人圆周运动,特别是采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式,以适应不同种类工件的加工要求,扩大电火花成形加工的加工范围,提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。目前,国内外许多电火花成形加工机床在运动方式上作了一些改进,如瑞士阿奇公司生产的AGIF MONDO STAR20(50)机床拥有EQUIMODE功能,能实现空间任何方向的半球平动,这种平动功能在实际加工中具有很高实用价值。但目前电火花成形加工机床增设的运动方式还较为单一,应用范围有限。电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破,一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。最近,日本东京大学余组元博士、增泽隆久教授等提出了电极等损耗概念,即通过对加工路径的合理规划,可使电极损耗处于等损耗状态,从而使电极损耗的补偿变得极为简单。这一概念的提出为电火花成形加工运动方式的改进提供了必要的理论依据。当然,由此产生的机床结构改变及其相关技术理论的研究还需进一步深人与完善,甚至有可能发展出一种全新的加工理论。

  受现代切削加工技术发展的冲击,以前适合采用电火花加工的一部分加工领域已逐步为切削加工方式所替代。但是,现代科技的发展对零件的制造精度提出了更高要求,各种高性能材料的应用日益广泛,同时,一些零件结构趋于复杂化、微型化、薄型化,这都使切削加工技术在某些加工领域的应用受到限制,而这些恰好是电火花成形加工的技术优势,也是其具有生存空间和发展潜力的现实依据。

  为全面推动电火花成形加工设备的技术进步,在采用先进控制系统的同时,机床结构的设计也需要进一步完善,其主要发展方向表现在以下两方面:

  (1)直线伺服系统的应用

  电火花成形加工设备采用直线电机伺服系统可使加工性能获得明显改善,具体表现为:①可实现轴的直接直线运动,省去丝杠一螺母传动环节,从而保证轴的高速运动;②采用直线电机与滑板一体化结构,可消除滑板与电机之间因存在中间环节而引起的机械响应滞后现象,提高系统的灵敏度,缩短动态响应时间,保证加工过程的稳定性;③直线电机伺服系统的运动方式决定了其位置检测环节必须采用直线位置反馈元件,实现无中间环节的直接位置检测,从而构成一个全闭环系统,保证加工过程的高精度及精度保持性。目前,直线伺服系统的应用在深窄、微小型腔加工及模压零件一模多腔加工方面具有明显的技术优势。但是,这些技术优势要真正实现,除需结合电火花成形加工放电过程特性,解决直线伺服系统本身的技术难题外,还必须解决一系列与直线伺服系统配套的相关技术,如直线运动系统的动力平衡、工作台的结构改进等。

  (2)机床运动方式的改进

  突破现有电火花成形加工机床运动方式的局限性,是发挥其技术优势、推动其产业发展的另一重要途径。借鉴现代切削加工技术的发展经验,可在机床主要的加工成形运动基础上引人圆周运动,特别是采用多轴回转系统与多种直线运动协调组合成多种复合运动方式,以适应不同种类工件的加工要求,扩大电火花成形加工的加工范围,提高其在精密加工方面的比较优势和技术效益。目前,国内外许多电火花成形加工机床在运动方式上作了一些改进,如瑞士阿奇公司生产的AGIF MONDO STAR20(50)机床拥有EQUIMODE功能,能实现空间任何方向的半球平动,这种平动功能在实际加工中具有很高实用价值。但目前电火花成形加工机床增设的运动方式还较为单一,应用范围有限。电火花成形加工要在加工精度、加工效率、加工范围等方面取得重大突破,一个重要的发展方向就是对机床成形运动方式的创新和多样化。最近,日本东京大学余组元博士、增泽隆久教授等提出了电极等损耗概念,即通过对加工路径的合理规划,可使电极损耗处于等损耗状态,从而使电极损耗的补偿变得极为简单。这一概念的提出为电火花成形加工运动方式的改进提供了必要的理论依据。当然,由此产生的机床结构改变及其相关技术理论的研究还需进一步深人与完善,甚至有可能发展出一种全新的加工理论。

  (4)应用范围的扩大

  目前,电火花成形加工不仅可加工各种导电金属材料和复杂型腔,还能实现对半导体材料、非导电材料的加工,并取得了较好的加工效果。同时,电极材料的种类也不断增多。这方面的主要发展趋势为:进一步研究半导体材料、非导电材料的放电加工机理,促进其加工效率、加工精度、加工过程稳定性的提高,扩大可加工材料的范围;除加工复杂型腔外,进一步实现对三维型腔、复杂型面的加工;研制性能优越的新型电极材料。

  3.4 电火花成形加工数控系统的发展趋势

  数控系统是数控机床的核心部分,其性能的提高不仅可直接改善加工效率、加工精度和加工稳定性,同时也是扩大加工范围、实现复杂精密加工的重要途径。先进数控系统的应用可为电火花成形加工带来显著的经济效益和广阔的发展前景,已成为衡量电火花成形加工技术水平的重要标志。电火花成形加工在数控系统方面的发展趋势主要表现在以下几方面:

  (1)建立基于PC机的开放式数控体系

  具有开放性的数控体系是当前数控系统的发展主流,而PC机自身的特点决定了它是一种标准的开放性结构系统。PC机技术的迅速发展及性能价格比的不断提高为数控系统提供了优越的软硬件平台、更友好的人机接口和在线实时控制功能。与以前的数控系统相比,基于PC机的数控系统具有以下优点:①系统具有更高的集成度和可靠性;②资源丰富,适于产品开发;③控制功能强大,形式多样,可实现多机控制、多目标控制;④系统具有更高柔性。目前应用于数控机床的基于PC机的数控系统多为专用型结构,虽具有结构较简单、技术较成熟、开发成本较低等优点,但随着技术的进一步发展,其软、硬件具有封闭性的缺点愈益明显。例如,这种结构的数控系统很难及时应用计算机技术的最新成果;不同系统之间很难相互兼容;用户不易增设或改进适合自身实际的专用功能;PC机资源利用率低,难以完全发挥PC机的优势;控制系统功能不完善等。针对上述缺陷,建立基于PC机的电火花成形加工数控系统应将重点放在以下几方面:

  ①模块化系统

  应根据开放性数控体系的统一规则建立模块化的系统结构,通过对电火花成形加工的系统研究,精选必要的功能,扩充可选功能,剔除不必要的功能。同时各模块应具有标准化的应用程序接口,不同的模块可运行于不同的系统平台,相互之间应具有协调工作的能力。

  ②缩放性 用户可根据自己的加工要求,通过增添、剔除特定的功能模块,实现用户的“专用系统”。

  ③互换性 具有相似功能及可靠性水平的模块之间可以相互替换。

  充分利用PC机资源来开发性能优异的数控系统将是电火花成形加工的一个重要发展趋势。

  (2)实现加工过程控制的智能化

  提高电火花成形加工过程的自动化是该加工技术发展的必然趋势。由于电火花成形加工是在复杂环境下基于复杂任务对复杂对象的控制,传统的控制系统已不能满足自动化加工的要求,因此需要建立多输入、多输出的控制系统,智能控制将是解决此类复杂问题的有效途径。智能控制系统具有自学习和自适应功能,能自主调节系统的控制结构、参数和方法,进行决策规划和广义问题求解。它就如同一个有经验的操作者,可通过对加工信息的定性刻划,模拟熟练操作者的思维方式,根据当前的加工状态调整加工参数,进而实现提高加工效率、加工精度、加工过程稳定性以及简化操作过程,拓宽加工范围的目的。加工过程的智能控制主要包括三方面内容:①人工神经网络技术;②模糊控制;③专家系统。

  虽然智能控制系统在电火花成形加工中得到了大量应用,但仍有许多不完善之处,主要需解决以下问题:①根据不同加工要求确定工具电极与工件加工表面之间的合理间隙和合理加工参数;②开发能根据加工过程中间隙状态的改变而自适应变化的脉冲电源;③工作液的合理选用及其对加工过程的影响;④降低各种干扰对加工过程的影响。针对以上问题,电火花成形加工智能控制系统应重点研究和应用以下技术:

  ①专家系统的应用

  由于电火花成形加工的复杂性,操作人员需要熟练掌握数控编程技术、加工规准选择、电极损耗补偿等技术和相关知识,其中任何一个环节的欠缺都将造成加工过程的缺陷或失败。采用专家系统可以较好解决这一问题。专家系统的建立及功能的完善需要根据电火花成形加工的特点,结合多年来的试验研究成果及实际操作经验,不断充实、改进专家系统知识库,细化推理过程,建立良好的人机接口,从而根据不同的加工要求,实现加工参数优化及加工过程中的在线实时调整,达到降低操作难度、实现高效率、高精度和稳定加工的目的。

  ②人工神经网络技术的应用

  虽然专家系统可使计算机控制系统具有类似人类专家的解决间题的能力,但其在知识的获取方面存在困难,自学能力差。人工神经网络是一种通过利用计算机对人类大脑功能进行抽象、简化和模拟而建立的高度非线性系统,它具有自组织、自学习、容错性和并行处理信息的能力,特别适合处理复杂问题,是对专家系统的有力补充。目前,人工神经网络技术已有多种不同的结构模型,今后应将多种结构模型合理结合,充分发挥人工神经网络技术的自身优势,与专家系统、模糊控制技术互相取长补短,提高对放电状态、加工效率、放电位置等的预测精度,提高在线实时控制效果,推动电火花成形加工过程控制向更高层次发展。

  ③模糊控制技术的应用

  模糊控制技术是在模糊集合论、模糊语言变量及模糊逻辑推理技术的基础上发展起来的先进计算机控制技术,通过输入少量参数,模糊控制系统即可自动选择最优参数,自动监控加工过程,实现自动化、最优化控制。此外,将自适应和学习能力引人模糊控制系统,可实现对模糊控制规则、隶属函数和模糊量化在控制中的自动调整和完善。由于电火花成形加工机理尚未得到充分认识,因此模糊控制技术在电火花成形加工中的应用还存在许多不完善之处,需要进一步深人研究,如:模糊集合隶属函数的求取、模糊控制参数调整的优化方法、用模糊方法对加工状态建模、模糊预测的设计、运算速度的提高等。有必要进一步完善模糊控制与自适应控制、人工神经网络、专家系统的结合,充分发挥各种控制方法的优势,以解决上述难题,实现高效率、高精度、低损耗、稳定的加工过程控制。

  为了紧跟先进制造技术的发展步伐,应将最先进的人工智能技术引人电火花成形加工过程控制中,利用各种控制技术的特点与优势,研制智能化、模块化的电火花成形加工机床的控制部件和执行机构,促进电加工产业的全面技术进步。

  3.5 操作安全与环境保护

  随着科技进步和人类文明的发展,人们对工作条件的改善和环境保护的要求越来越高。电火花成形加工由于其自身特点,在加工过程中不可避免地会产生工作液飞溅、烟雾、噪声、电磁辐射、有害气体等不安全因素和污染,对操作者人身安全及环境的危害不可忽视。因此,为保证电加工产业的可持续发展,必须根据“绿色制造”原则,实现资源的最有效利用和废弃物的最低限度产生与排放。具体应采取以下措施:①封闭的机床工作区。这有利于改善工作液、烟雾、电磁辐射等对人体、机床、工作环境的污染,有利于操作过程中防止触电危险以及对有害气体的集中处理排放;②替代性技术的运用。例如,为减少使用工作液所造成的环境污染,可在保证加工效率、加工精度、加工成本以及加工过程稳定性的前提下,尽量选用污染较小的工作液,同时应大力研究、开发不使用工作液的成形加工技术;③废弃物的后处理。对于加工中产生的废液、废气必须经过处理后才能排放。需要特别指出,对加工过程产生的污染物的合理处理,不仅有利于提高工作的安全性、减少环境污染,还有利于改善操作者的工作环境,使操作者工作时心情愉快,这对于提高电加工产业的社会形象和市场竞争力也是十分有益的。

  4.结语

  电火花成形加工技术在制造业领域占有重要地位,是实现难加工材料、复杂零件精密加工的有效手段。研究人员应借鉴其它加工技术发展的成功经验,扬长避短,充分利用现代科技发展的相关成果,在深人研究电火花放电机理的基础上,指导电火花成形加工工艺理论和控制理论的研究,改善机床结构和设计方法,建立基于PC机的开放性数控体系,实现智能控制技术与电火花成形加工技术的有机结合,同时高度重视操作安全和环境保护,全面推动电火花成形加工技术更快发展。


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