工件超聲振動電火花線切割復合加工試驗研究
2017-5-12 來源：中北大學山西省先進制造技術重點實驗室 作者：王璟，祝錫晶
摘要: 借助 ANSYS 軟件對變幅桿、夾具和工件進行整體的動力學研究，設計了一套超聲振動電火花線切割復合加工裝置。在相同加工參數下，分別采用工件超聲振動電火花線切割復合加工和傳統的電火花線切割加工對45 鋼進行切割試驗。試驗結果表明: 與傳統的電火花線切割加工相比，超聲振動電火花線切割復合加工的效率提高了約 15% ，表面粗糙度減小了約 10% 。
關鍵詞: 電火花線切割加工; 超聲振動; 變幅桿; 有限元分析
1.引言
超聲振動電火花線切割復合加工是把超聲波加工與電火花線切割加工的優缺點進行互補，在普通電火花線切割加工中引入超聲振動后，更易形成放電通道，減少拉弧放電。超聲產生空化作用，有助于去除材料，渦流和泵吸作用對于工作液冷卻、工作液循環、消電離過程都有顯著影響［1］。受工件質量和形狀的影響，關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勢都發揮出來。
本文借助 ANSYS 軟件設計了一套超聲振動電火花線切割復合加工裝置，將超聲振動作用在電火花線切割的工件上。為了確保工件超聲振動電火花線切割復合加工裝置的加工特性，采用對比的方法，在相同加工參數下，分別用工件超聲振動電火花線切割復合加工和傳統電火花線切割加工對 45 鋼進行切割試驗。試驗結果表明，工件超聲振動電火花線切割復合加工在加工效率和表面粗糙度都優于傳統的電火花線切割加工。
2.工件超聲振動電火花線切割復合加工裝置的設計
以 DK － 7720Z 機床的參數為基礎，設計了一套將超聲振動作用在工件上的超聲振動電火花線切割復合加工裝置( 見圖 1) 。該裝置主要對變幅桿、夾具進行了設計，超聲波發生器和換能器分別選擇H66MC 超聲波發生器和夾心式壓電陶瓷換能器。
圖 1 工件超聲振動電火花線切割復合加工裝置
2. 1 變幅桿夾具工件整體設計
由于工件形狀、質量是特定的，因此采用將變幅桿、夾具和工件進行整體設計。變幅桿、夾具和工件的總體設計如圖 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要有良好的穩定性和較大的放大系數; ②設計結構簡單，可以通過計算獲得比較準確的設計數據; ③設計出來的變幅桿制造難度小。因此采用圓錐形三段復合式超聲波變幅桿。材料選擇經調質處理的 45 鋼。
圖 2 變幅桿、夾具和工件的設計
表 1 變幅桿的設計參數
表 2 變幅桿夾具工件整體裝置各個部分的尺寸
2. 2 有限元分析
借助 ANSYS 軟件對變幅桿、夾具和工件的整體進行動力學研究，主要包括模態分析和諧響應分析［8］。在 Solid Works 建立三維模型并導入 ANSYS 中，忽略螺紋孔的影響，對變幅桿、夾具與工件的整體作模態分析，單元類型選擇 SOLID45，網格劃分采用四面體自由網格，模態提取采用 Block Lanczos 法，提取 10 階模態，頻率范圍 18 － 25k Hz。圖 3 為變幅桿，夾具與工件整體模態分析的總位移云圖。由圖可得，當頻率達到 19． 995k Hz 時，與理論值 20k Hz的誤差僅為 0. 025% ，誤差在可接受范圍內( 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 整體模態分析
對變幅桿、夾具與工件的整體作諧響應分析，方法選擇 Full 法、求解器采用 Frontal Solver，掃描范圍19 － 21k Hz，子步數為 20，將 10μs 的簡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分析的總位移云圖。從圖中分析可知，在19. 995k Hz 的激勵下，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 的簡諧載荷相比，放大系數為 2． 77，接近理論計算值 2． 78。上述仿真結果完全符合設計和試驗研究的要求［8］。
圖 4 整體諧響應分析
3.試驗研究
3. 1 試驗目的和條件
試驗通過與傳統電火花線切割加工進行對比，探究工件超聲振動電火花線切割復合加工是否可以提高加工效率和減小表面粗糙度。通過 3 次測量取
為了避免工件質量減小對振動效果的影響，在工件超聲振動電火花線切割復合加工的試驗過程中，每個工件只切割一次，且僅切割如圖 5 所示的試樣并進行測量分析。
試驗材料為 45 鋼，電參數為: 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。其它試驗條件如表 3 所示。表 3 試驗條件
3. 2 試驗結果與分析
通過對比的方法，分別采用傳統的電火花線切割加工和工件超聲振動電火花線切割加工對 45 鋼進行切割試驗，試驗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。工件加載超聲振動后，超聲波在工作介質中產生大量的空化泡，空化泡在潰變過程中會產生大量的水射流和沖擊波，有助于去除材料。而且超聲產生的泵吸和渦流效應可以改善加工環境，超聲的引入還可以增加電場強度、改善放電間隙狀態。圖 6為兩種加工方法表面粗糙度和加工效率的對比圖。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比圖
由于表面粗糙度受到電參數和超聲參數的影響，能量與時間分配和超聲的次級效應、空化作用等原因［7 － 10］，與傳統電火花線切割相比，大部分表面粗糙度減小了約 10% ，極個別出現增加現象。
4.結語
本文設計了一套將超聲振動作用在電火花線切割工件上的超聲振動電火花線切割復合加工裝置，借助 ANSYS 軟件對變幅桿、夾具和工件整體進行動力學研究。通過對比方法，分別采用工件超聲振動電火花線切割復合加工和傳統的電火花線切割加工對 45 鋼進行切割試驗。得到如下結論:( 1) 借助 ANSYS 軟件對變幅桿、夾具和工件整體進行模態分析和諧響應分析，分析結果符合設計和試驗要求。( 2) 與傳統電火花線切割加工相比，工件超聲振動電火花線切割復合加工提高了加工效率約15% 。(3) 與傳統電火花線切割加工相比，工件超聲振動電火花線切割復合加工減小了表面粗糙度約10% 。由于能量與時間分配的原因，個別出現增加現象。
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