CN102974902B - 电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统 - Google Patents
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Abstract
一种电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征它包括（1）以烧蚀状态为取样依据的电火花诱导烧蚀电极伺服进给控制系统和（2）以切削力为取样依据的机械修整刀具自动进给调节系统；前系统控制诱导烧蚀电极的进给，保证加工区域的电火花诱导烧蚀可控、高效、稳定的进行，并通过可控烧蚀形成烧蚀产物及软化层；后系统保证刀具将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层切削去除，而不切削基体材料，以减少刀具损耗、保证加工表面质量、提高加工效率。本发明可显著提高难加工金属材料的加工效率、提高加工表面质量，由于刀具的机械修整作用，加工表面最终为机械加工表面。
Description
技术领域
本发明涉及一套电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，具体地说是一套能保证电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削加工稳定进行，将放电诱导可控烧蚀取样伺服进给与切削力取样自动伺服进给相结合，从而实现对难加工金属材料进行放电诱导可控烧蚀并同时通过机械修整刀具对烧蚀层和软化层进行修整的双伺服进给加工系统。
背景技术
电火花诱导可控烧蚀高效加工方法是利用金属的可燃特性，在脉冲电源作用下，利用难加工金属材料与诱导烧蚀电极之间产生电火花诱导放电，使得少量难加工材料被火花放电蚀除，形成放电凹坑，凹坑及附近材料由于温度较高，产生活化区，达到金属燃点温度以上。同时向加工区域连续通入能与难加工金属材料产生燃烧放热效应的助燃气体，在助燃气体作用下活化区及其周围金属材料被诱导引燃，产生剧烈的烧蚀反应，强烈的烧蚀反应蚀除大量金属材料，形成烧蚀坑。同时，烧蚀释放出大量热量作用于被加工金属材料基体，使得加工区域金属材料被加热软化甚至达到熔融状态。然后，利用刀具的机械修整作用将覆盖在工件表面的燃烧产物和软化层机械修整切削去除，露出新的基体材料。由于机械修整刀具不与脉冲电源相连接，加工过程中刀具与工件不产生电火花放电，刀具不会因电火花放电而产生放电损耗，并且刀具主要对已软化区域进行加工，从而减少了刀具损耗。
诱导烧蚀电极进给速度将直接影响工件烧蚀速度、软化层厚度、烧蚀表面质量、烧蚀的可控性，因此必须进行取样伺服控制，而机械修整主要是将烧蚀产生的烧蚀产物及软化切削去除，并且由于加工对象为难切削金属材料，因此应尽量少的切削到基体材料，以减少刀具损耗。因此，必须有两套完整的取样自动进给伺服控制系统来保证诱导烧蚀电极以及机械修整刀具的合理进给速度。
发明内容
本发明的目的是针对电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削伺服进给问题，发明了一套包括诱导烧蚀电极的基于烧蚀取样伺服进给和机械修整刀具的基于切削力取样伺服进给的双伺服进给加工系统。
本发明的技术方案是：
一套电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是它包括以下两套相辅相成的自动进给伺服控制系统：
（1）电火花诱导烧蚀电极伺服进给控制系统，它以工件与电极之间烧蚀状态为采样信号，通过工件与电极之间的烧蚀状态控制电极进给；在烧蚀取样伺服进给系统控制下，保障诱导烧蚀电极与工件材料之间电火花诱导烧蚀能够可控、稳定、高效地进行，可控烧蚀后工件加工区域形成烧蚀产物及软化层，完成电火花诱导可控烧蚀加工过程；
（2）机械修整刀具伺服进给控制系统，它以机械修整刀具切削力为采样信号，以此切削力信号控制机械修整刀具进给；在切削力取样自动进给调节系统控制下，机械修整刀具将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层切削去除，露出新的基体金属材料表面，完成机械修整过程；
在所述的双伺服进给控制系统控制下，电火花诱导可控烧蚀和机械修整过程交替重复进行，直至完成对难加工金属材料的加工。
详述如下：
一、电火花诱导烧蚀取样的伺服进给调节系统。
电火花诱导烧蚀电极作用：在脉冲电源作用下，诱导烧蚀电极与难加工金属材料之间产生电火花诱导放电，具有一定压力（0.01~10MPa）的助燃气体通过诱导烧蚀电极内部进气孔充入加工区域，与处于加工区域的金属材料产生剧烈的电火花引燃烧蚀加工，蚀除大量难加工材料。同时，烧蚀释放出的大量热量作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域被加热软化甚至达到熔融状态。
诱导烧蚀电极的进给直接影响难加工材料的烧蚀速度、烧蚀表面质量、软化层厚度、烧蚀的可控性和稳定性等，因此必须有一套自动进给调节系统来自动调节诱导烧蚀电极的进给速度，保证工件材料与诱导烧蚀电极之间稳定、可控、高效烧蚀的进行。
本发明中，诱导烧蚀电极的取样伺服进给调节系统采样信号为工件与电极间烧蚀状态（烧蚀状态信号可以是烧蚀放电电流（电压）、放电脉冲峰值电流（电压）、烧蚀放电脉冲有效放电个数、烧蚀平均放电效率、烧蚀放电功率等），通过该系统控制诱导烧蚀电极的进给，实现对工件的稳定、可控、高效烧蚀加工。
检测电路对采样信号进行检测并按照比例放大后，通过信号处理电路输出一个反应烧蚀状态的电压信号（0V-10V）。当电压为0V时，说明极间处于短路状态，短路不能为烧蚀提供足够的引燃能量，为了改善极间诱导放电状态，电极需要回退；当电压为10V时，说明极间处于空载状态，工件与电极之间无电火花放电，无法引燃工件，电极需要快速进给，因此一般取极间电压为4V-6V时为稳定加工状态，稳定加工过程电火花诱导放电状态为正常放电或者拉弧放电。变频电路为电压-频率（V/F）转换器，将该电压信号放大并反向线性转换成0-1000HZ不同频率的脉冲串，电压信号越大，脉冲频率越低，该脉冲串通过步进电机控制诱导烧蚀电极的进给速度的大小，使得诱导烧蚀电极的进给速度等于工件电火花诱导烧蚀速度。
由于电火花诱导可控烧蚀加工完成后工件表面会产生烧蚀坑以及烧蚀产物，工件表面质量较差。并且烧蚀坑将影响烧蚀加工区域助燃气体流场的稳定性，进而影响烧蚀的可控性；加之烧蚀产物以氧化物形式存在，覆盖在工件加工表面，影响电火花引燃放电。因此，需要一套机械修整刀具自动进给系统控制机械修整刀具将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层切削去除。
二、切削力的机械修整刀具自动进给调节系统。
机械修整刀具的作用是将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层材料切削去除，露出新的基体材料，以保证加工表面质量、提高加工效率，并且为减少切削难加工金属材料时刀具的磨损，必须有一套自动进给控制系统来控制机械修整刀具的合理进给，使得进给量基本控制在切除烧蚀产物及软化层范围内，而尽量少或者不要切削到基体材料。
本发明中，机械修整刀具自动进给调节系统采样信号为切削力，通过切削力的大小控制机械修整刀具进给速度，使得机械修整刀具将烧蚀产物及软化层材料切削去除，并露出基体材料。
检测电路对切削力信号进行检测并按照比例放大后，通过信号处理电路输出一个反应切削力大小的电压信号（0V-20V）。当切削力为0时，刀具未切削工件材料，输出电压信号为0V；当刀具切削到基体材料时，切削力最大，输出电压为20V，一般取代表切削力的电压信号为5V-10V时为稳定切削加工状态。
后续变频电路为一个频率可变的脉冲发生器，它把电压信号反向线性转换成频率可变化的的脉冲串，切削力越大，电压信号越高，脉冲频率越低。该脉冲串通过步进电机控制机械修整刀具进给速度的大小，当切削力较小时，则输出较高的脉冲频率，步进电机加速进给。当切削力较大，则输出较低的脉冲频率，步进电机减速进给，从而使得机械修整刀具保持合适的进给速度，使得机械修整刀具进给量尽量等于烧蚀产物及软化层厚度之和，以达到具有所谓的“跟踪”切削功能。
上述两套自动进给调节系统共同实现对难加工金属材料的电火花诱导可控烧蚀以及机械修整复合切削加工。
本发明的有益效果：
本发明加工效率高，与电火花加工相比可数百倍甚至数千倍的提高材料去除率，很好地解决了难加工金属材料加工效率低的难题。
本发明刀具磨损低，由于机械修整刀具主要对于已软化区域进行加工，从而减少了刀具损耗，提高了刀具的使用寿命，并且降低了加工难切削金属材料时对刀具材料性能要求，对降低难加工金属材料的加工成本，扩大应用范围有很大的作用。
本发明可显著提高加工表面质量，由于刀具的机械修整作用，加工表面最终为机械加工表面。
附图说明
图1是本发明的电火花诱导烧蚀电极伺服进给控制系统原理框图。
图2是本发明的机械修整刀具自动进给调节系统的原理框图。
图3本发明的外圆车削时的加工系统示意图。
图4 是本发明的诱导烧蚀电极形状示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1- 4所示。
一种电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，以图3所示的外圆车削加工系统为例，它由以下两套相辅相成的电火花诱导烧蚀电极伺服进给控制系统和机械修整刀具伺服进给控制系统组成，在所述的的双伺服进给控制系统控制下，诱导烧蚀电极伺服进给控制系统完成电火花诱导可控烧蚀，机械修整刀具伺服进给控制系统完成机械修整，交替重复电火花诱导可控烧蚀和机械修整过程，即可完成对难加工金属材料的加工。其中：
（1）诱导烧蚀电极伺服进给控制系统，以工件与电极之间烧蚀状态为采样信号，通过工件与电极之间的烧蚀信号控制电极进给；在基于烧蚀取样伺服进给系统控制下，诱导烧蚀电极与工件材料之间电火花诱导烧蚀能够可控、稳定、高效地进行，可控烧蚀后工件加工区域形成烧蚀产物及软化层，完成电火花诱导可控烧蚀；诱导烧蚀电极作用：在脉冲电源作用下，诱导烧蚀电极与难加工金属材料之间产生电火花诱导放电，具有一定压力（0.01~10MPa）的助燃气体通过诱导烧蚀电极内部进气孔充入加工区域，与处于加工区域的金属材料产生剧烈的电火花引燃烧蚀，剧烈的烧蚀反应蚀除大量难加工材料。同时，烧蚀释放出的大量热量作用于被加工材料基体，使难加工金属材料加工区域被加热软化甚至达到熔融状态。
诱导烧蚀电极的进给直接影响难加工材料的烧蚀速度、烧蚀表面质量、软化层厚度、烧蚀的可控性和稳定性等，因此必须有一套自动进给调节系统来自动调节诱导烧蚀电极的进给速度，保证工件材料与诱导烧蚀电极之间稳定、可控、高效烧蚀的进行。
本发明中，诱导烧蚀电极的取样伺服进给调节系统采样信号为工件与电极间烧蚀放电电流（电压）、放电脉冲峰值电流（电压）、烧蚀放电脉冲有效个数、烧蚀平均放电效率、烧蚀放电功率等等），进给调节系统通过该采样信号控制诱导烧蚀电极的进给，实现对工件的的稳定、可控、高效烧蚀加工。
检测电路对采样信号进行检测并按照比例放大后，通过信号处理电路输出一个反应烧蚀状态的电压信号（0V-10V）。当电压为0V时，说明极间处于短路状态，要回退；当电压为10V时，说明极间处于空载状态，需要快速进给，一般取极间电压为4V-6V时为稳定加工状态。变频电路为一电压频率（V/F）转换器，将该电压信号放大并反向线性转换成0-1000HZ不同频率的脉冲串，该脉冲串通过步进电机控制诱导烧蚀电极的进给速度的快慢，使得诱导烧蚀电极的进给速度等于工件电火花诱导烧蚀速度。如图1所示。
诱导烧蚀电极内部的进气孔可为单孔或者群孔结构，如图4所示；工作液通过诱导烧蚀电极内部进气孔或者外部冲入加工区域，工作液为雾化状态或者液态。诱导烧蚀电极转速可为0-6000rpm，以适应不同加工精度的需求。
由于电火花诱导可控烧蚀时工件表面会产生烧蚀坑以及烧蚀产物，工件表面质量较差。因此，需要一套机械修整刀具自动进给系统控制机械修整刀具将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层切削去除。
（2）机械修整刀具伺服进给控制系统，以机械修整刀具切削力为采样信号，以此切削力信号控制机械修整刀具进给；在基于切削力取样的伺服进给控制系统作用下，机械修整刀具将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层切削去除，露出新的基体金属材料表面，完成机械修整过程；机械修整刀具切削力取样信号通过检测电路对切削力信号进行检测并按照比例放大后，通过信号处理电路输出一个反应切削力大小的电压信号（0V-20V）；当切削力为0时，刀具未切削工件材料，输出电压信号为0V；当刀具切削基体材料时，切削力最大，输出电压为20V，切削力电压信号处于5V-10V时为稳定切削加工状态；后续变频电路为电压-频率（V/F）转换器，将该电压信号放大并反向线性转换成0-2000HZ不同频率的脉冲串，切削力越大，电压信号越高，脉冲频率越低。该脉冲串通过电机控制机械修整刀具进给速度的大小，切削力越大，进给速度越慢，从而使得机械修整刀具保持合适的进给速度，使得机械修整刀具进给量基本等于烧蚀产物及软化层厚度之和。可控烧蚀及机械修整复合加工可采用图3所示车削，也可采用铣削、磨削或钻削等机械加工方法。
本发明适用的难加工金属材料应采用能与助燃气体如氧气能产生燃烧反应的钛合金、高温合金及高强度钢等材料。并通过控制氧气压力与流量、诱导烧蚀电极进给速度、诱导烧蚀电极旋转速度、切削力大小等来控制加工速度的大小，以实现对难加工金属材料的粗加工、半精加工和精加工。
图3中工件1通过绝缘套筒2装卡在主轴上，主轴由主轴电机3驱动，主轴电机3连接在信号采集用的功率传感器4上，功率传感器4将采集的信号送入车刀自动进给控制电路5（可采用常规电路实现）中进行计算并输出控制信号给车刀进给机构6控制车刀7的进刀量，完成对烧蚀表面8的修整加工，诱导烧蚀电极9在诱导烧蚀电极进给机构10的控制下作进给运动，氧气11从诱导烧蚀电极9的一端进入，从另一端喷向工件1的被加工区域，在电火花的诱导引燃作用下工件加工区域材料表面产生剧烈的电火花诱导可控烧蚀，烧蚀作用蚀除大量难加工金属材料，脉冲电源12的一端与工件相连接，另一端与诱导烧蚀电极9相连形成回路，在连接脉冲电源12和电极之间的电路上安装有电流传感器13，电流传感器13将采集的电流信号送入电极自动进给控制电路14（可采用常规电路实现）中用于控制诱导烧蚀电极进给机构10进而控制诱导烧蚀电极9的进给。工作液15可通过外接喷嘴喷向工件加工表面，图中车刀7的副切削刃16和主切削刃17均对工件进行了机修修整切削加工。
以下是本发明的使用方法：
首先，使工件在机床主轴带动下做旋转运动，工件和诱导烧蚀电极分别接脉冲电源正、负极，助燃氧气通过诱导烧蚀电极内部进气孔充入加工区域，并且向加工区域持续充入工作液。
诱导烧蚀电极自动进给调节系统控制电极进给速度，并且诱导烧蚀电极以一定的转速（0-600rpm）旋转。
诱导烧蚀电极与工件之间的烧蚀状态采用测量与烧蚀状态成比例关系的放电电流来间接反映诱导烧蚀电极与工件之间的烧蚀状态。
采用电流传感器检测实时放电电流的大小，通过信号处理电路对电流信号进行处理，积分之后获得放电电流的平均值。
放电电流平均值的大小反映了电极与工件之间的电火花状态，然后通过检测电路对放电电流进行检测并按照比例放大后，经过信号处理电路输出一个反映放电电流大小的电压信号（短路为10V，开路为0V）。变频电路为电压-频率（V/F）转换器，将该电压信号放大并反向线性转换成0-1000HZ不同频率的脉冲串，该脉冲串通过步进电机控制诱导烧蚀电极的进给速度的大小，使得诱导烧蚀电极的进给速度等于工件的电火花诱导烧蚀速度。
在诱导烧蚀电极伺服进给系统控制下，诱导烧蚀电极以适当的速度稳定进给，诱导烧蚀电极与加工材料之间产生电火花诱导放电。同时，通过诱导烧蚀电极进气孔向加工区域持续通入助燃氧气，使材料表面产生电火花引燃烧蚀，形成烧蚀产物及软化层。
其次，基于切削力取样的机械修整刀具自动进给调节系统控制车刀进给速度，保证车刀将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层机械车削去除，露出基体材料。
直接测量刀具切削力的大小及其变化在实际加工应用中实用性差、难以实现，因此还可以采用测量与刀具切削力成比例关系的主轴电机功率变化来反映刀具切削力的大小。
通过有功功率传感器隔离测量三相三线电路的有功功率，并将其变换为0mA～20mA直流电流输出。
检测电路对此直流电流信号进行检测并按比例放大后，经过信号处理电路输出一个反映切削力大小的电压信号（切削力为0时，输出电压为0V；刀具切削基体材料时，输出电压为20V）。变频电路为一电压频率（V/F）转换器，将该电压信号放大并反向线性转换成0-2000HZ不同频率的脉冲串，切削力越大，电压越高，脉冲频率越低，该脉冲串通过步进电机控制车刀进给速度的大小，保证机械修整车刀进给量等于燃烧层和软化层厚度之和；机械修整车刀将燃烧层和软化层切削去除，以提高工件表面质量。
电火花诱导可控烧蚀以及机械修整两者有机结合、共同完成对难加工金属材料的高效车削加工。
本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
Claims (7)
1.一种电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是它包括以下两套相辅相成的自动进给伺服控制系统：
（1）电火花诱导烧蚀电极伺服进给控制系统，它以工件与电极之间烧蚀状态为采样信号控制电极进给，使得诱导烧蚀电极与工件材料之间电火花诱导烧蚀能够可控、稳定、高效进行，可控烧蚀后工件加工区域形成烧蚀产物及软化层，完成电火花诱导可控烧蚀加工；
（2）机械修整刀具伺服进给控制系统，它以机械修整刀具切削力为采样信号控制机械修整刀具进给，使得机械修整刀具将烧蚀产生的烧蚀产物及软化层切削去除，露出新的基体金属材料表面，完成机械修整过程；
在双伺服进给加工系统下，电火花诱导可控烧蚀和机械修整过程交替重复进行，直至完成对难加工金属材料的加工；
所述的机械修整刀具切削力采样信号通过检测电路对切削力信号进行检测并按照比例放大后，通过信号处理电路输出一个反映切削力大小的电压信号0V-20V；当切削力为0时，刀具未切削工件材料，输出电压信号为0V；当刀具切削基体材料时，切削力最大，输出电压为20V，切削力电压信号处于5V-10V时为稳定切削加工状态；后续变频电路为一电压频率V/F转换器，将该电压信号放大并反向线性转换成不同频率的脉冲串，电压越大、频率越低，该脉冲串通过步进电机控制机械修整刀具进给速度的大小；保证机械修整刀具切削力越大，进给速度越慢，使得机械修整刀具进给量尽量等于烧蚀产物及软化层厚度之和。
2.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是所述的诱导烧蚀电极烧蚀取样信号为烧蚀放电平均电流或电压、放电脉冲峰值电流或电压、烧蚀放电脉冲有效放电个数或烧蚀平均放电效率和烧蚀放电功率。
3.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是所述的机械修整刀具切削力取样信号至少为刀具切削力、主轴电机功率或进给伺服电机电流信号之一。
4.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是所述的诱导烧蚀电极内部进气孔为单孔或者群孔结构；工作液通过诱导烧蚀电极内部进气孔或者外部充入加工区域，工作液为雾化状态或者液态。
5.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是所述的机械修整加工方法为车削、铣削、磨削或钻削。
6.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是通过控制氧气压力或流量、诱导烧蚀电极进给速度、诱导烧蚀电极旋转速度、切削力大小来控制加工速度的大小，以实现对难加工金属材料的粗加工、半精加工和精加工。
7.根据权利要求1所述的电火花诱导可控烧蚀及机械修整复合切削双伺服进给加工系统，其特征是所述的诱导烧蚀电极转速为0 -6000rpm。
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