徐 輝，顧 琳，趙萬生，陳吉朋

（上海交通大學機械系統(tǒng)與振動國家重點實驗室，上海200240）

為了解決放電加工的低效率問題，研究人員通過有效的嘗試和改進，提出了大量的放電加工機理和方法。其中，利用可控的電弧放電替代火花放電以快速地去除材料已成為放電加工新的發(fā)展趨勢。研究表明，電弧等離子體內(nèi)部溫度可達10 000 K，最高功率密度可達1010 W/m2，而其能量密度接近于CO2激光的光致等離子體[1]。與火花放電等離子體相比，電弧放電等離子體擁有更高的能量密度，電熱轉換效率也相對更高[2]。因此，如果能有效地控制電弧，防止電弧放電持續(xù)駐留在某一點，則可在避免燒傷工件的同時極大地提高放電加工效率。

國內(nèi)外學者在電弧放電加工領域取得了許多研究成果，提出了電弧立體加工[3]、電熔爆加工[4]、短電弧加工[5]、高效放電銑削加工[6-8]及超高效電火花電弧復合加工[9-12]等方法及設備。為了避免工具電極和工件之間形成駐留的電弧放電，上述以電弧放電為手段的加工方法均采用了工具電極與工件之間的高速相對機械運動，從而將極間電弧沿切向移動、拉長甚至拉斷。這里將利用電極和工件間的相對切向運動來控制電弧的方式稱為 “機械運動斷弧”，其局限性在于無法實現(xiàn)類似于電火花加工型腔的“沉入式”加工方式，可加工的幾何特征受到一定限制。

趙萬生等發(fā)明了高速電弧放電加工（BEAM）方法[13]，采用“流體動力斷弧機制”來控制電弧等離子體，獲得的最高材料去除率可達14 000 mm3/min，最小工具電極相對損耗比低于1%（放電峰值電流為500 A時），并可實現(xiàn)復雜三維型腔的沉入式加工；還在集束電極高速電弧放電加工工具鋼Cr12時發(fā)現(xiàn)，極性對加工性能有明顯的影響，與工具負極性BEAM相比，正極性BEAM能獲得更好的工件表面粗糙度[14]，是一種潛在的有效提高電弧放電加工工件表面質(zhì)量的方法。結合極性BEAM的實驗，顧琳等完成了工具正極性BEAM加工鎳基高溫合金的性能實驗，結果進一步指出正負極性結合BEAM加工不僅能獲得較高的材料去除率，還能提高工件表面質(zhì)量，從而能有效地控制電弧放電加工時的工件輪廓精度[15]；還采用正負極性結合BEAM完成了對體積分數(shù)為20%的碳化硅顆粒增強鋁基復合材料（SiCp/Al）的大型薄壁工件加工[16]。

綜上所述，采用可控的電弧放電替代火花放電加工能高效地去除工件材料，表現(xiàn)出與電火花加工完全不同的加工機理和工藝特性。因此，電弧放電加工技術的控制模型和伺服系統(tǒng)與電火花加工相比也應有明顯不同。但上述研究并未系統(tǒng)闡述所采用的電弧放電伺服控制系統(tǒng)，且電火花加工采用控制間隙平均電壓以提高放電率的方法[17]，對大能量密度和高進給倍率的電弧加工技術并不完全適用。因此，建立合適的控制模型以進一步促進電弧放電高效地去除工件材料已成為必需條件。

1 BEAM的加工系統(tǒng)

基于流體動力斷弧的BEAM在加工時須有高速的極間沖液，同時，高能電弧的產(chǎn)生也需大能量密度的加工電源。而現(xiàn)有的放電加工系統(tǒng)都不能滿足BEAM的需求，必須設計新的實驗加工系統(tǒng)，以解決高速內(nèi)沖液和高能電源所帶來的一系列問題。經(jīng)重新設計，本文完成了用于BEAM的專用加工系統(tǒng)，主要包括數(shù)控機床、電源和沖液3個模塊，以及伺服控制和多孔電極制備2個子系統(tǒng)（圖1）。

用于BEAM專用系統(tǒng)的機床本體模塊采用五軸聯(lián)動加工中心。電源模塊的主要功能是設置電源參數(shù)、檢測極間電壓和放電電流。電源模塊需設置的參數(shù)主要包括放電峰值電流Ip、脈沖周期T、脈寬ton和脈間toff。為了產(chǎn)生大量的放電電弧，BEAM通常需要放電峰值電流和脈寬等參數(shù)較大的脈沖電源，而傳統(tǒng)電火花加工電源的放電峰值電流一般不超過200 A、脈寬不超過1000 μs，完全不能滿足BEAM的加工要求，故需重新設計BEAM電源。經(jīng)重新設計后的BEAM專用電源，其最大放電峰值電流可達500 A，脈寬和脈間的可調(diào)范圍為100～10 000 μs，開路電壓為 90 V。

圖1 BEAM的加工系統(tǒng)

為有效分析高速電弧放電加工的過程，采用CWT150B高精度羅氏線圈并配合DSO-2902示波器，實時采集間隙電壓和放電電流 （V-A）波形。DSO-2902是一種多功能高頻存儲示波器，其雙通道采樣速率可達250 MSa/s，能自動記錄幅值500 V以下的電壓信號。通過對電流、電壓信號的采樣分析，可進一步改進控制放電狀態(tài)的伺服控制系統(tǒng)。

2 BEAM的放電波形特征

BEAM放電加工處于不同的工具極性時，所表現(xiàn)出的加工特征有很大的差異。因此，通過采樣分析不同極性BEAM的電流、電壓信號，能有目的地選擇構建不同的伺服控制模型。

2.1 高效加工時BEAM的V-A特征

當放電峰值電流Ip=500 A時，示波器采集到的放電電流與間隙電壓波形見圖2?？煽闯?，在BEAM高效加工時，單個脈寬時間內(nèi)的間隙電壓先快速下降，然后維持在30 V上下波動，放電電流則從0 A快速上升到500 A，并能在500 A左右維持較長時間。說明在單個脈寬時間內(nèi)，電弧等離子體會被高度電離，從而產(chǎn)生較高的放電熱量，其自身的熱焓會增加到較高水平。同時，DSO-2902示波器采集到的全部V-A波形數(shù)據(jù)表明，圖2所示的放電電流與間隙電壓波形在整個BEAM加工過程中會持續(xù)存在。這說明BEAM的有效放電次數(shù)非常高，放電率可維持在較高的水平。此外，當Ip=500 A時，加工實驗所得的材料去除率可達14 000 mm3/min，單位能量材料去除率可達28 mm3/(A·min)。

圖2 高效加工時的間隙放電電壓、電流波形（Ip=500 A、ton=8000 μs、toff=500 μs）

2.2 工具電極正負極性時BEAM的V-A特征

V-A波形特性在不同的工具電極極性BEAM加工時也表現(xiàn)出明顯的不同。當負極性加工時，在單個脈寬時間內(nèi)，電弧放電一次性完成，電弧等離子體弧柱的快速切斷一般發(fā)生在脈寬結束瞬間；間隙電壓在電弧放電時有明顯下降，最終在30 V左右劇烈波動；同時，放電電流能維持在300 A左右，且很少發(fā)生電弧切斷（圖3a）。當正極性加工時，在單個脈寬時間內(nèi)，電弧出現(xiàn)多次快速切斷和重新放電；間隙電壓在電弧放電時下降不明顯；電流隨極間沖液能力的強弱而表現(xiàn)不同（圖3b）。極間沖液能力強時，電流維持在180 A左右；極間沖液能力弱時，電流維持在240 A左右。

圖3 不同極性BEAM的V-A特性（Ip=300 A、ton=8000 μs、toff=500 μs）

總的來說，從不同V-A波形的表現(xiàn)特性來看，正極性BEAM加工的電弧等離子體更易受外界作用力的干擾而發(fā)生形態(tài)的改變。由于電弧放電時有強化的極間高速沖液動力作用，故可認為流體動力是影響極性BEAM不同表現(xiàn)的最主要因素。

3 BEAM的模糊伺服控制

3.1 負極性BEAM時的模糊伺服控制

BEAM加工系統(tǒng)的機床本體為五軸聯(lián)動加工中心，原加工過程中，加工代碼設定的進給速度值F在每行代碼的執(zhí)行過程中是保持恒定的。但對電弧放電加工來說，恒定的F值并不能達到最好的放電狀態(tài)。當檢測到超高的放電率時，必須適當?shù)亟档瓦M給速率F，以防止電弧過度燒蝕工件和電極表面；當檢測到較低的放電率時，必須適當?shù)靥岣哌M給速率F，以提高加工效率；當檢測到加工短路時，則需停止運動進給，設置進給速率F為零，且執(zhí)行快速短路回退運動。因此，恒定的進給速率F并不適用于BEAM加工過程，于是BEAM控制系統(tǒng)引入了電火花加工的伺服控制方式，實時地改變進給速率F，以提高BEAM放電率和加工效率。

與電火花加工一樣，BEAM采用間隙平均電壓U0作為伺服控制進給速率F的控制量。不同的是，BEAM的進給速率F遠大于電火花加工，最高可達25 mm/min。因此，過頻繁地改變進給速率F值反而會造成沖液間隙值變化過大，極間沖液流場分布不均衡，最終造成BEAM加工狀態(tài)不穩(wěn)定。與電火花加工相比，BEAM的控制模型無需特別復雜，伺服響應也無需特別快速，而是能通過設定時間延遲以增大BEAM伺服控制周期。BEAM原有五軸機床加工系統(tǒng)的設定伺服周期為1.326 ms，計算間隙電壓平均值的采集樣本次數(shù)為10，則BEAM控制模型的伺服周期可再延遲10倍，其值選擇為132.6 ms。

BEAM系統(tǒng)可選擇模糊控制模型來描述間隙平均電壓U0和進給速率F之間的函數(shù)關系，其數(shù)學公式為：

式中：We為放電能量；ue(t)為放電時的間隙電壓；ie(t)為放電時的放電電流；U0為放電平均間隙電壓。

但是，五軸聯(lián)動加工中心的數(shù)控系統(tǒng)是封閉的，改動時會受到諸多限制。受數(shù)控系統(tǒng)G代碼解釋器的限制，不易通過改變F值來控制BEAM放電過程，因而只能通過改變進給倍率O來控制進給速率F，進而實現(xiàn)模糊控制。受加工條件的限制，進給倍率O的調(diào)節(jié)范圍為20%～200%，其工作流程見圖4。該控制模型包含了加工暫停、短路回退、正常加工時的伺服控制等內(nèi)容。

圖4 BEAM伺服控制流程圖

3.2 正極性BEAM時的模糊伺服控制

在負極性BEAM加工時，為使整個加工過程穩(wěn)定并獲得更好的放電率，通常需采集放電加工時的間隙平均電壓U0作為控制變量實現(xiàn)伺服控制，其控制方程見式（1）。但根據(jù)V-A波形特征的不同表現(xiàn)，在不同極性BEAM加工時，所選擇的控制變量應該是不同的。在正極性BEAM加工時，當以間隙平均電壓U0作為控制量以提高放電率時，不僅沒有提高材料去除率MRR，反而會使電極損耗TWR急劇增加。因此，正極性BEAM加工需選用另一波形特性“平均放電電流I0”作為控制變量，以獲得較低的Ra值和TWR。其控制方程為：

式中：We為放電能量；ue(t)為放電時的間隙電壓；ie(t)為放電時的放電電流；I0為放電平均電流。

3.3 模糊控制模型的加工驗證

為了驗證控制模型的可靠性和有效性，BEAM選擇恒速進給和伺服控制進給兩種模式進行對比加工試驗。恒速進給模式的進給速率F是通過G代碼給定的，其值根據(jù)加工經(jīng)驗人為設定；而伺服控制的進給速率F由式（1）確定的模糊控制模型實時改變。對比試驗采用沉入式進給方式，加工深度為5 mm，初始設定F值同為20 mm/min，F(xiàn)值的采樣周期為1 s，采樣長度為10 s，對比采樣結果見圖5。可看出，隨著加工深度的增加，極間沖液能力變差，恒速進給模式為了保證不發(fā)生加工短路，代碼設定的F1值是有目的地減少的。但隨著加工深度的增加，模糊伺服控制下的F2值高于F1值，在最優(yōu)放電加工狀態(tài)時，其會在理想值附近波動。因此，模糊伺服控制可有效保證BEAM的放電率，從而確保電弧高效地去除工件材料。最后，通過測定材料去除率能更直觀地對比兩種控制模式的加工效率。BEAM采用沉入式加工時，該伺服控制模型的加工材料去除率比恒速進給加工提高了30%；采用放電銑削加工時，更是提高了50%以上。

圖5 進給速度F的對比測定

4 結語

通過對間隙電壓和放電電流的波形采集分析可知，BEAM表現(xiàn)出與電火花加工明顯不同的放電特征。加工驗證結果表明，依據(jù)這些放電波形特征設計的模糊伺服控制模型能有效地提高BEAM的放電率，進而有效地提升了BEAM的加工效率。該控制模型對其他電弧加工方式也有借鑒作用。

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