system: [SYSTEM]

user: 3. 实验验证 3.1. 案例一：智能自适应电火花加工钼钛锆(TZM)合金 加工特性分析 钼钛锆(TZM)合金是目前核工业应用最为广泛的一种高温合金，其主要成分如表1所示。该材料熔点高、硬度高、耐磨性好，导热导电性和耐蚀性能好，因而被广泛应用于机械、石油、航空航天、电子、核工业等诸多领域 [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] 。 Table 1 The composition of TZM alloy (mass fraction 成分 Ti Zr C Si Fe Ni N Mo 含量 0.4~0.6 0.07~0.12 0.01~0.04 <0.006 <0.01 <0.005 <0.003 余量 表1. TZM合金的成分(质量分数%) 如表1所示，一定量Ti和Zr的加入极大地增强了钼钛锆合金的强度和硬度，从而给传统切削加工带来极大困难，如切削力大且加工过程中容易发生崩裂和断裂现象、加工出来的零件表面质量差，而且刀具磨损严重，从而引发加工效率差和加工成本高等问题 [ 14 ] [ 15 ] 。而电火花加工技术以其非接触式加工的特性使其成为加工钼钛锆合金的一种不可或缺的加工手段。 近年来，朱颖谋等 [ 16 ] [ 17 ] [ 18 ] 人通过DOE的方法设计了参数配置实验去探究电火花加工参数对加工钼钛锆合金的影响。虽然他们取得了一些效果，但是在这些实验中钼钛锆合金的加工深度只有2mm，离实际应用还有很大的距离。而且在这些实验中，加工参数都是固定不变的，而实际上在电火花加工过程中，加工状态和加工环境随着加工的进行不断变化着，固定的加工参数无法适应快速变化的加工状态和加工环境，因此无法真正实现有效加工。为使电火花加工能够钼钛锆合金，在加工过程中加工参数必须根据加工状态和加工环境的变化而相应地调整。 在这些加工参数中，放电能量是电火花加工钼钛锆合金的重要参数。由于钼钛锆合金的熔点高，硬度大，所以必须增大电火花加工过程中的放电能量才能对其进行有效加工。然而，大能量加工也能恶化加工环境和加工状态，容易产生大量拉弧脉冲，造成加工过程不稳定甚至停止加工。为了稳定加工过程，放电能量应该随着放电状态的变化而实时调整；同时，为提高放电能量的利用率，须优化放电率，使单位时间内的放电能量得到充分利用，这可通过间隙距离的优化得以实现，通过实时调节间隙距离的大小，进而实现优化放电率。另外，由于电火花加工钼钛锆时，加工环境的温度变化较快，容易使消电离的不充分，引起拉弧变化幅度较大，加工效率差的问题，甚至有可能产生大量拉弧脉冲停止加工。因此，需要根据加工环境得到加工状态期望值的短期超前预测值，平衡稳定、快速的加工过程。智能自适应控制系统刚好满足这一要求。 为验证智能自适应控制系统加工钼钛锆合金的加工能力，我们用直径16 mm的紫铜做电极，钼钛锆合金材料的长度96 mm，实验加工盲孔，加工深度设定为93 mm，加工条件如表2所示。 Table 2 Machining parameter 开路电压(V) 峰值电流(A) 脉宽(μs) 脉间(μs) 抬刀高度(机床参数) 230 30 800 300 12 表2. 加工参数 智能自适应控制系统控制抬刀周期和伺服电压根据加工环境和加工状态的变化自适应地调整。本文分别选取有利于加工的加工环境和不利于加工的加工环境下的加工阶段来分析智能自适应加工过程。在每张图中，纵坐标从上到下分别表示拉弧率期望值、拉弧率、抬刀周期、放电率和伺服电压，横坐标表示电极抬刀次数。其中拉弧率和放电率均在在0~1内变化，抬刀周期在1~37之间按整数变化，值越大放电时间越长；伺服电压在2~37之间按整数变化，值越大，间隙距离越大，放电率越小以及排屑能力越强。 从图4(a)中可以看出，在有利于加工的加工环境下的加工阶段，排屑状况良好，加工环境变化不大，此时加工状态稳定，因此拉弧率期望值基本都在0.08左右。在期望值影响下，拉弧率也比较低，说明放电状态很稳定，此时大部分的抬刀周期也达到了30左右，放电时间长；同时，伺服电压基本维持在8左右，增大了放电率，此时的放电能量的利用率也比较高。在这一阶段，加工速度最快，且加工过程也非常稳定。 图4. 智能自适应加工过程中有利于(a)；不利于(b)加工的加工环境下的加工阶段 在不利于加工的加工环境下的加工阶段如图4(b)所示，排屑条件变差，此时间隙内积屑增多，加工环境极度恶劣，加工状态容易变得不稳定，这时拉弧率期望值大部分也自适应地调整到0.04左右，在期望值的作用下，虽然加工条件变恶劣了，但是拉弧率还是保持在一个较低的值，稳定放电状态，此时抬刀周期也大幅度下降，限制由于加工环境恶化导致的拉弧率升高；同时，伺服电压也普遍上升到24左右，减小放电率，缩小放电能量，以此减缓加工环境的进一步恶劣，稳定加工过程。虽然此时的放电能量减小了，但是仍然保持着一定的加工速度，此种现象说明该智能系统有效地解决了由于加工环境恶化引起的加工过程不稳定的问题，同时还折中了加工速度和加工过程稳定性。 整个加工过程中，平均加工速度基本保持2 mm/h的速度，加工深度到93.3 mm时停止，此时加工速度仍保持不变。由于这种材料超硬，很难切开，只能给出测量图。图5是加工核工业特制钼钛锆合金的实物图。 图5. 加工的钼钛锆合金实物图 3.2. 案例二：智能自适应电火花加工加工Cr12模具钢 Cr12模具钢是高碳高铬型冷作模具钢，含有极高量(质量分数)的C2.00%~2.30%和Cr11.00%~13.00%，属于莱氏体钢，有很高的淬透性、淬硬性和耐磨性，同时也具备抗冲击韧度差，导热性和高温塑性差的特点。 我们用直径16 mm的紫铜做电极，Cr12材料的长度130 mm，实验加工盲孔，加工深度设定为125 mm。为减少电极损耗，加工条件如表3所示。 Table 3 Machining parameter 开路电压(V) 峰值电流(A) 脉宽(μs) 脉间(μs) 抬刀高度(机床参数) 230 30 800 300 12 表3. 加工参数 图6(a)是智能自适应电火花加工Cr12模具钢加工过程的一部分状态图，从该图中可以看出在智能自适应控制策略的作用下，实时调节抬刀周期，使得拉弧率实时跟踪并不超过拉弧率期望值；同时，在放电率指标的影响下，伺服电压也在实时地调节，两者相互配合，互不干扰，实现了一个稳定、快速的加工过程。 图6(b)是两种加工方法的实物对比图。开环加工该材料只能加工到34 mm便拉弧了，即无法继续加工，而该系统控制下的电火花加工能加工到125 mm且加工状态良好，能继续加工，电极损耗0.1 mm.在相同加工深度下该系统控制加工过程的加工速度是开环加工的2倍。 图6. (a)智能自适应加工Cr12模具钢加工过程的一部分状态图；(b) 开环和智能自适应加工Cr12对比图 3.3. 案例三：智能自适应电火花加工加工镍基718合金 此外，我们还用该系统加工超难加工材料镍基718合金并与开环加工作比较。Inconel 718是一种高强度耐热镍基合金，具有优良的高温强度、高温硬度和耐蚀性，在高温条件下能长期工作。我们用直径6 mm的紫铜做电极，实验加工盲孔，加工条件如表4所示。 Table 4 Machining parameter 开路电压(V) 峰值电流(A) 脉宽(μs) 脉间(μs) 抬刀高度(机床参数) 230 7 150 40 11 表4. 加工参数 由于电火花加工Inconel 718加工过程中，加工环境变化复杂，加工状态变化剧烈，因此我们选择加工环境作为抬刀周期的控制指标，选择拉弧率作为伺服电压的控制指标，这样可以实时并且准确地控制加工环境和加工状态的变化，避免由加工环境恶劣引起的加工状态恶化，从而消除拉弧脉冲，稳定加工过程。 图7(a)是智能自适应电火花加工Inconel 718加工过程的一部分状态图。开环加工该材料只能加工到15 mm便拉弧了，加工速度为0.1504 mm/min。受材料尺寸限制，该系统控制下的电火花加工设置加工到60 mm，加工深度为开环的4倍，且加工速度比开环加工要快，为0.1917 mm/min。图7(b)是两种加工方法的实物对比图。 图7. (a)智能自适应加工镍基718合金加工过程的一部分状态图；(b) 开环和智能自适应加工镍基718合金对比图