工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工試驗(yàn)研究
2017-5-12 來源：中北大學(xué)山西省先進(jìn)制造技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 作者：王璟，祝錫晶
摘要: 借助 ANSYS 軟件對(duì)變幅桿、夾具和工件進(jìn)行整體的動(dòng)力學(xué)研究，設(shè)計(jì)了一套超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置。在相同加工參數(shù)下，分別采用工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工和傳統(tǒng)的電火花線切割加工對(duì)45 鋼進(jìn)行切割試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明: 與傳統(tǒng)的電火花線切割加工相比，超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工的效率提高了約 15% ，表面粗糙度減小了約 10% 。
關(guān)鍵詞: 電火花線切割加工; 超聲振動(dòng); 變幅桿; 有限元分析
1.引言
超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工是把超聲波加工與電火花線切割加工的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，在普通電火花線切割加工中引入超聲振動(dòng)后，更易形成放電通道，減少拉弧放電。超聲產(chǎn)生空化作用，有助于去除材料，渦流和泵吸作用對(duì)于工作液冷卻、工作液循環(huán)、消電離過程都有顯著影響［1］。受工件質(zhì)量和形狀的影響，關(guān)于將超聲作用在電火花線切割工件上的研究很少［2］，大部分都是將超聲作用在電火花線切割電極絲上的研究［3 － 6］，但是將超聲作用在電極絲上會(huì)影響電極絲加工精度，因此考慮將超聲作用在工件上，將超聲加工與電火花線切割加工的優(yōu)勢(shì)都發(fā)揮出來。
本文借助 ANSYS 軟件設(shè)計(jì)了一套超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置，將超聲振動(dòng)作用在電火花線切割的工件上。為了確保工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置的加工特性，采用對(duì)比的方法，在相同加工參數(shù)下，分別用工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工和傳統(tǒng)電火花線切割加工對(duì) 45 鋼進(jìn)行切割試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工在加工效率和表面粗糙度都優(yōu)于傳統(tǒng)的電火花線切割加工。
2.工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置的設(shè)計(jì)
以 DK － 7720Z 機(jī)床的參數(shù)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)了一套將超聲振動(dòng)作用在工件上的超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置( 見圖 1) 。該裝置主要對(duì)變幅桿、夾具進(jìn)行了設(shè)計(jì)，超聲波發(fā)生器和換能器分別選擇H66MC 超聲波發(fā)生器和夾心式壓電陶瓷換能器。
圖 1 工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置
2. 1 變幅桿夾具工件整體設(shè)計(jì)
由于工件形狀、質(zhì)量是特定的，因此采用將變幅桿、夾具和工件進(jìn)行整體設(shè)計(jì)。變幅桿、夾具和工件的總體設(shè)計(jì)如圖 2 所示，其中，L 為變幅桿長度，D1、D2分別為變幅桿小端、大端的直徑。選擇變幅桿類型主要從三方面考慮: ①要有良好的穩(wěn)定性和較大的放大系數(shù); ②設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以通過計(jì)算獲得比較準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù); ③設(shè)計(jì)出來的變幅桿制造難度小。因此采用圓錐形三段復(fù)合式超聲波變幅桿。材料選擇經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的 45 鋼。
圖 2 變幅桿、夾具和工件的設(shè)計(jì)
表 1 變幅桿的設(shè)計(jì)參數(shù)
表 2 變幅桿夾具工件整體裝置各個(gè)部分的尺寸
2. 2 有限元分析
借助 ANSYS 軟件對(duì)變幅桿、夾具和工件的整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究，主要包括模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析［8］。在 Solid Works 建立三維模型并導(dǎo)入 ANSYS 中，忽略螺紋孔的影響，對(duì)變幅桿、夾具與工件的整體作模態(tài)分析，單元類型選擇 SOLID45，網(wǎng)格劃分采用四面體自由網(wǎng)格，模態(tài)提取采用 Block Lanczos 法，提取 10 階模態(tài)，頻率范圍 18 － 25k Hz。圖 3 為變幅桿，夾具與工件整體模態(tài)分析的總位移云圖。由圖可得，當(dāng)頻率達(dá)到 19． 995k Hz 時(shí)，與理論值 20k Hz的誤差僅為 0. 025% ，誤差在可接受范圍內(nèi)( 諧振頻率不大于 5% － 10% ) ，在工件處的位移振幅最大，在法蘭盤處的位移振幅幾乎為 0。
圖 3 整體模態(tài)分析
對(duì)變幅桿、夾具與工件的整體作諧響應(yīng)分析，方法選擇 Full 法、求解器采用 Frontal Solver，掃描范圍19 － 21k Hz，子步數(shù)為 20，將 10μs 的簡(jiǎn)諧載荷加載在變幅桿大端上。圖 4 為變幅桿、夾具與工件整體諧響應(yīng)分析的總位移云圖。從圖中分析可知，在19. 995k Hz 的激勵(lì)下，法蘭盤處的位移振幅最小，工件處的位移振幅最大。工件處的位移振幅 SMX =0． 277E － 04m，與 10μs 的簡(jiǎn)諧載荷相比，放大系數(shù)為 2． 77，接近理論計(jì)算值 2． 78。上述仿真結(jié)果完全符合設(shè)計(jì)和試驗(yàn)研究的要求［8］。
圖 4 整體諧響應(yīng)分析
3.試驗(yàn)研究
3. 1 試驗(yàn)?zāi)康暮蜅l件
試驗(yàn)通過與傳統(tǒng)電火花線切割加工進(jìn)行對(duì)比，探究工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工是否可以提高加工效率和減小表面粗糙度。通過 3 次測(cè)量取
為了避免工件質(zhì)量減小對(duì)振動(dòng)效果的影響，在工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工的試驗(yàn)過程中，每個(gè)工件只切割一次，且僅切割如圖 5 所示的試樣并進(jìn)行測(cè)量分析。
試驗(yàn)材料為 45 鋼，電參數(shù)為: 脈沖寬度 ti=16μs，脈沖間隔 to= 96μs，峰值電流 Ip分別為 1A、2A、3A、4A、5A。其它試驗(yàn)條件如表 3 所示。表 3 試驗(yàn)條件
3. 2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
通過對(duì)比的方法，分別采用傳統(tǒng)的電火花線切割加工和工件超聲振動(dòng)電火花線切割加工對(duì) 45 鋼進(jìn)行切割試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中保持脈沖寬度 ti= 16μs、脈沖間隔 to= 96μs 不變，改變峰值電流 Ip，每種加工方式做 5 組試驗(yàn)。工件加載超聲振動(dòng)后，超聲波在工作介質(zhì)中產(chǎn)生大量的空化泡，空化泡在潰變過程中會(huì)產(chǎn)生大量的水射流和沖擊波，有助于去除材料。而且超聲產(chǎn)生的泵吸和渦流效應(yīng)可以改善加工環(huán)境，超聲的引入還可以增加電場(chǎng)強(qiáng)度、改善放電間隙狀態(tài)。圖 6為兩種加工方法表面粗糙度和加工效率的對(duì)比圖。由圖可見，在電火花線切割加工工件上附加超聲后，加工效率比傳統(tǒng)電火花線切割提高了約 15% 。
圖 6 兩種加工方法表面粗糙度和加工效率的對(duì)比圖
由于表面粗糙度受到電參數(shù)和超聲參數(shù)的影響，能量與時(shí)間分配和超聲的次級(jí)效應(yīng)、空化作用等原因［7 － 10］，與傳統(tǒng)電火花線切割相比，大部分表面粗糙度減小了約 10% ，極個(gè)別出現(xiàn)增加現(xiàn)象。
4.結(jié)語
本文設(shè)計(jì)了一套將超聲振動(dòng)作用在電火花線切割工件上的超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工裝置，借助 ANSYS 軟件對(duì)變幅桿、夾具和工件整體進(jìn)行動(dòng)力學(xué)研究。通過對(duì)比方法，分別采用工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工和傳統(tǒng)的電火花線切割加工對(duì) 45 鋼進(jìn)行切割試驗(yàn)。得到如下結(jié)論:( 1) 借助 ANSYS 軟件對(duì)變幅桿、夾具和工件整體進(jìn)行模態(tài)分析和諧響應(yīng)分析，分析結(jié)果符合設(shè)計(jì)和試驗(yàn)要求。( 2) 與傳統(tǒng)電火花線切割加工相比，工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工提高了加工效率約15% 。(3) 與傳統(tǒng)電火花線切割加工相比，工件超聲振動(dòng)電火花線切割復(fù)合加工減小了表面粗糙度約10% 。由于能量與時(shí)間分配的原因，個(gè)別出現(xiàn)增加現(xiàn)象。
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