CN114101817B - 基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法 - Google Patents

基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于超声‑电火花耦合的气泡边界压强检测方法，通过将针状电极一直接安装在超声换能器上，实现超声波与电火花的结合，整个结构简单、紧凑；通过恒温加热器对放电介质的温度进行调整，使在没有超声波的情况下，放电介质的初始温度与仅有超声波作用达到稳定温度时的温度保持一致，保证对比试验的精确性；通过观测机构对电火花形成气泡的过程进行拍摄；通过对图像进行处理，并基于气泡边界压强公式对无超声和有超声两种情况下气泡的边界压强进行计算并对比，得到超声波对超声‑电火花耦合加工产生气泡的影响。本发明还能对不同放电介质、不同电极材料完成对比试验，适用范围广。

Description

基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法
技术领域
本发明属于电火花加工技术领域，具体涉及基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法。
背景技术
电火花加工(EDM)是一种用于加工硬质材料的特种加工技术；在电火花加工过程中，脉冲电流导通时，两个电极表面(一般为刀具和工件)之间形成等离子体通道，使得两个电极之间会产生非常小的气泡，并逐渐膨胀扩大，两个电极表面上等离子体通道相对端的局部材料也会被熔化；当脉冲电流停止时，气泡的尺寸在脉冲电流关闭期间仍会持续增长，导致气泡内部和电极表面的压力急剧下降，从而导致过热的熔融材料从材料表面逸出。
工作间隙中的气泡会对后续放电产生影响，一般当气泡尺寸达到工作间隙大小时，气泡在工作间隙中的移动会变得更慢，导致放电引起的污染集中；同时，工作间隙中的大气泡会导致工作间隙边界区域污染消除速度变慢；除此之外，气泡也会使污染物输送出工作间隙；因此，在电火花放电过程中，必须考虑气泡传播的压强变化，从而决定放电间隙边界区域污染消除效率。为解决上述问题，急需一种能够检测电火花发电过程中气泡压强大小的装置，并减小电火花发电过程中产生的气泡大小，来提高电火花加工的效率。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，能够检测超声波对电火花加工时不同介产生气泡大小的影响，为后续研究提供技术支持。
本发明采用的技术方案具体如下：
本发明基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，采用的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测装置，包括底部支撑平台、试验台和观测机构。
所述的底部支撑平台包括凹型平板和支撑柱；四个支撑柱阵列排布固定在凹型平板的底面上。
所述的试验台包括电动滑台一、超声换能器、固定板一、针状电极一、针状电极二、玻璃罩、绝缘云母片和恒温加热台；所述玻璃罩固定在恒温加热台的加热板上；所述针状电极二通过一个绝缘云母片与恒温加热台的加热板固定连接，并位于玻璃罩内部；两个电动滑台一竖直固定在凹型平板上；所述固定板一的两端与两个电动滑台一上的滑块一分别固定连接；所述的固定板一与凹型平板平行布置；所述的超声换能器固定在固定板一上；所述的针状电极一通过另一个绝缘云母片与超声换能器固定连接；所述的针状电极一与针状电极二正对。
所述的观测机构包括电动滑台二、电动滑台三、固定板二、支撑座、相机连接座、光轴和相机；所述的电动滑台二固定在凹型平板上；所述电动滑台三通过连接件固定在电动滑台二的滑块二上；所述的电动滑台二水平布置，电动滑台三竖直布置；所述固定板二固定在电动滑台三的滑块三上；两个支撑座固定在固定板二上；所述的光轴与两个支撑座均固定；所述的相机连接座固定在光轴上；所述的相机正对玻璃罩，并通过固定件与相机连接座固定连接。
所述的相机连接座内安装有微调机构；所述的微调机构包括齿条、齿轮、短轴、轴承座、旋钮和滑轨；所述的相机连接座与光轴连接处以下为镂空结构；所述的相机连接座两侧内壁上均固定有滑轨；所述固定件两侧壁开设有的两个滑槽与两个滑轨分别构成滑动副；两个轴承座分别固定在相机连接座两侧内壁上开设的圆孔中；所述的短轴与两个轴承座均构成转动副；所述的齿轮固定在短轴上；所述的齿条平行于电动滑台二布置，并固定在固定件的顶面上；所述的齿轮与齿条构成齿轮副；两个旋钮固定在短轴的两端，且其中一个旋钮与相机连接座通过限位销连接。
该方法具体如下：
在玻璃罩内注入放电介质，启动超声换能器，通过温度计每隔预设时间记录一次玻璃罩内放电介质的温度，直至温度稳定不变，记录温度稳定时刻的温度T1；记录完成后，关闭超声换能器；待玻璃罩放电介质冷却至室温后，启动恒温加热台，将放电介质加温至T1后，开启脉冲电源；启动电动滑台三，将相机调整至正对玻璃罩中的针状电极二尖部，再启动电动滑台二，将相机调整至靠近玻璃罩，接着，通过微调机构将相机调整至紧贴玻璃罩；启动两个电动滑台一，使得针状电极一与针状电极二靠近，放电并产生气泡；同时相机对放电过程中产生的气泡进行拍摄；
当气泡完全消失后，停止拍摄，同时恒温加热台停止加热；取包含气泡形成和最大状态的图像，获得形成的最大气泡半径rmax1，同时记录该气泡从形成至最大状态所需的时间t1；计算得到无超声状态下，电火花放电所产生的气泡边界压强PE：
Figure GDA0003904571590000031
其中，Pout为气泡外部边界压力，ρL为放电介质的密度，g为重力加速度，h为放电点在放电介质中距离液面的高度。
待玻璃罩内放电介质冷却至室温后，启动超声换能器，当放电介质的温度为T1时，脉冲电源通电，使得针状电极一与针状电极二放电并产生气泡，同时相机对放电过程进行拍摄；当气泡完全消失后，相机停止拍摄，同时恒温加热台停止加热；取包含气泡形成和最大状态的图像进行处理，获得形成的最大气泡半径rmax2，同时记录得到气泡从形成至最大气泡半径时所需要的时间t2；计算得到超声辅助下电火花放电产生气泡的边界压强PA-E：
Figure GDA0003904571590000032
其中，h′为超声辅助下放电点位置在放电介质中距离液面的高度；通过对比无超声状态下的气泡边界压强PE和有超声状态下的气泡边界压强PA-E，得到超声波对电火花产生的气泡大小的影响，影响通过气泡边界压强差PA来表示：
Figure GDA0003904571590000033
优选地，两个电动滑台一均通过加强筋与凹型平板固定连接。
优选地，所述的固定板一与两个电动滑台一上的滑块一通过两个L型板固定连接。
优选地，所述的超声换能器与针状电极一还通过连接块固定连接。
优选地，所述恒温加热台的加热板上固定有铝导热板；所述的铝导热板上开设有环形槽，玻璃罩的底部固定在环形槽内。
优选地，所述的固定件通过螺栓与相机固定连接。
本发明具有的有益效果是：
1、本发明通过将针状电极一直接安装在超声换能器上，实现超声波与电火花的结合，整个结构简单、紧凑；通过恒温加热器对放电介质的温度进行调整，使在没有超声波的情况下，放电介质的初始温度与仅有超声波作用达到稳定温度时的温度保持一致，从而在测量单独电火花加工所产生的气泡边界压强时，排除了超声波作用带来的温度影响因素，保证有无超声波参与情况下只受到超声振动一个变化因子的影响，从而保证测得得到的超声振动对超声-电火花耦合加工影响的精确性；通过观测机构对电火花形成气泡的过程进行拍摄；通过对图像进行处理，并基于气泡边界压强公式对无超声和有超声两种情况下气泡的边界压强进行计算并对比，能准确得到超声波对超声-电火花耦合加工产生气泡的影响。
2、本发明结构简单、可靠，便于操作，能按需求完成各类对比试验，比如要检测超声波对其他放电介质下电火花放电产生气泡大小的影响，通过改变玻璃罩中的放电介质成分，并重复试验过程即可实现；再如要检测超声波对其他电极材料下电火花放电产生气泡大小的影响，则将针状电极一和针状电极二更换为该电极材料，并重复试验过程即可实现。
附图说明
图1为本发明的结构立体图；
图2为本发明的结构侧视图；
图3为本发明中观测机构的结构立体图；
图4为本发明中底部支撑平台的结构立体图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
本发明采用的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测装置，如图1所示，包括底部支撑平台3、试验台2和观测机构4；底部支撑平台3固定在地面上；试验台2与观测机构4均装配在底部支撑平台3上。
如图4所示，底部支撑平台3包括凹型平板29和支撑柱30；四个支撑柱30阵列排布固定在凹型平板29的底面上。
如图2所示，试验台2包括电动滑台一6、超声换能器8、固定板一9、针状电极一12、针状电极二13、玻璃罩14、绝缘云母片16和恒温加热台17；恒温加热台17固定在地面上，位于凹型平板29的凹陷处；玻璃罩14固定在恒温加热台17的加热板上；针状电极二13通过一个绝缘云母片16与恒温加热台17的加热板固定连接，并位于玻璃罩14内部；两个电动滑台一6竖直固定在凹型平板29上；固定板一9的两端与两个电动滑台一6上的滑块一5分别固定连接；固定板一9与凹型平板平行布置；超声换能器8固定在固定板一9上；针状电极一12通过另一个绝缘云母片16与超声换能器8固定连接；针状电极一12与针状电极二13正对。
如图3所示，观测机构4包括电动滑台二28、电动滑台三18、固定板二19、支撑座20、相机连接座22、光轴24和相机27；电动滑台二28固定在凹型平板29上；电动滑台三18通过连接件固定在电动滑台二28的滑块二上；电动滑台二28水平布置，电动滑台三18竖直布置；固定板二19固定在电动滑台三18的滑块三上；两个支撑座20固定在固定板二19上；光轴24与两个支撑座20均固定；相机连接座22通过螺钉21固定在光轴24上；相机27正对玻璃罩14，并通过固定件25与相机连接座22固定连接。
作为一个优选实施例，两个电动滑台一6均通过加强筋7与凹型平板29固定连接；加强筋7能保证电动滑台一6更加稳定。
作为一个优选实施例，固定板一9与两个电动滑台一6上的滑块一通过两个L型板10固定连接。
作为一个优选实施例，超声换能器8与针状电极一12还通过连接块11固定连接。
作为一个优选实施例，恒温加热台17的加热板上固定有铝导热板15；铝导热板15上开设有环形槽，玻璃罩14的底部固定在环形槽内；铝导热板15能更好的提高恒温加热台17的导热性能；玻璃罩14的底部固定在环形槽内能防止玻璃罩14中的液体介质泄露。
作为一个优选实施例，相机连接座22内安装有微调机构23；微调机构23包括齿条、齿轮、短轴、轴承座、旋钮和滑轨；相机连接座22与光轴24连接处以下为镂空结构；相机连接座22两侧内壁上均固定有滑轨；固定件25两侧壁开设有的两个滑槽与两个滑轨分别构成滑动副；两个轴承座分别固定在相机连接座22两侧内壁上开设的圆孔中；短轴与两个轴承座均构成转动副；齿轮固定在短轴上；齿条平行于电动滑台二布置，并固定在固定件25的顶面上；齿轮与齿条构成齿轮副；两个旋钮固定在短轴的两端，且其中一个旋钮与相机连接座22通过限位销连接；当拔出限位销，旋转任意一侧的旋钮时，齿轮转动带动齿条移动，使得与齿条固定连接的固定件25随齿条移动，从而带动相机27移动；实现微调相机27的功能。
作为一个优选实施例，固定件25通过螺栓26与相机27固定连接。
电动滑台一6、电动滑台二28、电动滑台三18、超声换能器8和恒温加热台17均与控制器连接，受控制器控制；针状电极一12和针状电极二13与脉冲电源连接；相机27与上位机连接。操作面板1与控制器连接，进行参数设定或执行运动控制操作。
在具备微调机构23的实施例下，本发明基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测装置检测电火花加工时不同放电介质产生气泡大小的方法，具体如下：
在玻璃罩14内注入放电介质，启动超声换能器8，通过温度计每隔一分钟记录一次玻璃罩14内放电介质的温度，放电介质在超声换能器8的作用下会持续升温，直至温度稳定不变，记录温度稳定时刻的温度T1；记录完成后，关闭超声换能器8；待玻璃罩14放电介质冷却至室温后，启动恒温加热台17，将放电介质加温至T1后，开启脉冲电源；启动电动滑台三18，将相机27调整至正对玻璃罩中的针状电极二13(如图1所示)尖部，再启动电动滑台二28，将相机27调整至靠近玻璃罩14，接着，通过微调机构23将相机27调整至紧贴玻璃罩14，使得拍摄的图像更为清晰，另外，在安装或者取下玻璃罩14时，电动滑台二28驱动相机27远离玻璃罩14，避免两者碰撞；启动两个电动滑台一6，使得针状电极一12与针状电极二13靠近，放电并产生气泡；同时相机27对放电过程中产生的气泡进行拍摄，拍摄速度为4000帧每秒；电火花放电所产生的气泡存在膨胀和压缩过程，且气泡膨胀到一定程度时，受外界压力影响气泡开始压缩，可见气泡外部边界压力Pout远大于气泡内部产生的蒸汽压力Pin，则忽略气泡内部产生的蒸汽压力Pin时，气泡最大半径rmax、气泡形成至膨胀到最大所用时间t、气泡外部边界压力Pout和放电介质的密度ρL满足如下关系式：
Figure GDA0003904571590000071
因此，电火花放电所产生的气泡边界压强Pout的表达式如下：
Figure GDA0003904571590000072
当气泡完全消失后，停止拍摄，同时恒温加热台17停止加热；取包含气泡形成和最大状态的30张图像，通过MATLAB进行图像处理，获得形成的最大气泡半径rmax1，同时记录该气泡从形成至最大状态所需的时间t1；由于放电介质的密度ρL、重力加速度g和放电点在放电介质中距离液面的高度h满足压强公式：
P0＝ρLgh
因此，无超声状态下，电火花放电所产生的气泡边界压强PE为：
Figure GDA0003904571590000073
待玻璃罩内放电介质冷却至室温后，启动超声换能器8，当放电介质的温度为T1时，脉冲电源通电，使得针状电极一12与针状电极二13放电并产生气泡，同时相机27对放电过程进行拍摄；当气泡完全消失后，相机27停止拍摄，同时恒温加热台17停止加热；取包含气泡形成和最大状态的30张图像，通过MATLAB进行图像处理，获得形成的最大气泡半径rmax2，同时记录得到气泡从形成至最大时所需要的时间t2；通过气泡边界压强公式可以得到超声辅助下电火花放电产生气泡的边界压强PA-E：
Figure GDA0003904571590000074
上式中h′为超声辅助下放电点位置在放电介质中距离液面的高度；通过对比无超声状态下的气泡边界压强PE和有超声状态下的气泡边界压强PA-E，可以得到超声波对电火花产生的气泡大小的影响，影响通过气泡边界压强差PA来表示：
Figure GDA0003904571590000075
当PA值越大时，表明超声波对该种放电介质下电火花放电产生气泡大小的影响越大；若要检测超声波对其他放电介质下电火花放电产生气泡大小的影响，通过改变玻璃罩14中的放电介质成分，并重复上述试验过程即可实现；若要检测超声波对其他电极材料下电火花放电产生气泡大小的影响，则将针状电极一12和针状电极二13更换为该电极材料，并重复上述试验过程即可实现。

Claims (6)

1.基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，其特征在于：该方法采用的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测装置，包括底部支撑平台，还包括试验台和观测机构；所述的底部支撑平台包括凹型平板和支撑柱；四个支撑柱阵列排布固定在凹型平板的底面上；
所述的试验台包括电动滑台一、超声换能器、固定板一、针状电极一、针状电极二、玻璃罩、绝缘云母片和恒温加热台；所述玻璃罩固定在恒温加热台的加热板上；所述针状电极二通过一个绝缘云母片与恒温加热台的加热板固定连接，并位于玻璃罩内部；两个电动滑台一竖直固定在凹型平板上；所述固定板一的两端与两个电动滑台一上的滑块一分别固定连接；所述的固定板一与凹型平板平行布置；所述的超声换能器固定在固定板一上；所述的针状电极一通过另一个绝缘云母片与超声换能器固定连接；所述的针状电极一与针状电极二正对；
所述的观测机构包括电动滑台二、电动滑台三、固定板二、支撑座、相机连接座、光轴和相机；所述的电动滑台二固定在凹型平板上；所述电动滑台三通过连接件固定在电动滑台二的滑块二上；所述的电动滑台二水平布置，电动滑台三竖直布置；所述固定板二固定在电动滑台三的滑块三上；两个支撑座固定在固定板二上；所述的光轴与两个支撑座均固定；所述的相机连接座固定在光轴上；所述的相机正对玻璃罩，并通过固定件与相机连接座固定连接；
所述的相机连接座内安装有微调机构；所述的微调机构包括齿条、齿轮、短轴、轴承座、旋钮和滑轨；所述的相机连接座与光轴连接处以下为镂空结构；所述的相机连接座两侧内壁上均固定有滑轨；所述固定件两侧壁开设有的两个滑槽与两个滑轨分别构成滑动副；两个轴承座分别固定在相机连接座两侧内壁上开设的圆孔中；所述的短轴与两个轴承座均构成转动副；所述的齿轮固定在短轴上；所述的齿条平行于电动滑台二布置，并固定在固定件的顶面上；所述的齿轮与齿条构成齿轮副；两个旋钮固定在短轴的两端，且其中一个旋钮与相机连接座通过限位销连接；
该方法具体如下：
在玻璃罩内注入放电介质，启动超声换能器，通过温度计每隔预设时间记录一次玻璃罩内放电介质的温度，直至温度稳定不变，记录温度稳定时刻的温度T1；记录完成后，关闭超声换能器；待玻璃罩放电介质冷却至室温后，启动恒温加热台，将放电介质加温至T1后，开启脉冲电源；启动电动滑台三，将相机调整至正对玻璃罩中的针状电极二尖部，再启动电动滑台二，将相机调整至靠近玻璃罩，接着，通过微调机构将相机调整至紧贴玻璃罩；启动两个电动滑台一，使得针状电极一与针状电极二靠近，放电并产生气泡；同时相机对放电过程中产生的气泡进行拍摄；
当气泡完全消失后，停止拍摄，同时恒温加热台停止加热；取包含气泡形成和最大状态的图像进行处理，获得形成的最大气泡半径rmax1，同时记录该气泡从形成至最大状态所需的时间t1；计算得到无超声状态下电火花放电所产生的气泡边界压强PE：
Figure FDA0003904571580000021
其中，Pout为气泡外部边界压力，ρL为放电介质的密度，g为重力加速度，h为放电点在放电介质中距离液面的高度；
待玻璃罩内放电介质冷却至室温后，启动超声换能器，当放电介质的温度为T1时，脉冲电源通电，使得针状电极一与针状电极二放电并产生气泡，同时相机对放电过程进行拍摄；当气泡完全消失后，相机停止拍摄，同时恒温加热台停止加热；取包含气泡形成和最大状态的图像进行处理，获得形成的最大气泡半径rmax2，同时记录得到气泡从形成至最大气泡半径时所需要的时间t2；计算得到超声辅助下电火花放电产生气泡的边界压强PA-E：
Figure FDA0003904571580000022
其中，h′为超声辅助下放电点位置在放电介质中距离液面的高度；通过对比无超声状态下的气泡边界压强PE和有超声状态下的气泡边界压强PA-E，得到超声波对电火花产生的气泡大小的影响，影响通过气泡边界压强差PA来表示：
Figure FDA0003904571580000023
2.根据权利要求1所述的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，其特征在于：两个电动滑台一均通过加强筋与凹型平板固定连接。
3.根据权利要求1所述的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，其特征在于：所述的固定板一与两个电动滑台一上的滑块一通过两个L型板固定连接。
4.根据权利要求1所述的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，其特征在于：所述的超声换能器与针状电极一还通过连接块固定连接。
5.根据权利要求1所述的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，其特征在于：所述恒温加热台的加热板上固定有铝导热板；所述的铝导热板上开设有环形槽，玻璃罩的底部固定在环形槽内。
6.根据权利要求1所述的基于超声-电火花耦合的气泡边界压强检测方法，其特征在于：所述的固定件通过螺栓与相机固定连接。
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