機(jī)械基礎(chǔ)示范中心網(wǎng)站開放試驗(yàn)提供的參考內(nèi)容-西北工業(yè)大學(xué)機(jī)電學(xué)院

PAGEPAGE1實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱超聲電火花復(fù)合加工綜合實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)30指導(dǎo)教師張?jiān)迄i實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)2M-114實(shí)驗(yàn)對(duì)象機(jī)械制造及自動(dòng)化專業(yè)大4學(xué)生可選人數(shù)10《超聲電火花復(fù)合加工綜合實(shí)驗(yàn)》教學(xué)大綱一、課程基本信息1、課程代碼：05704702、課程名稱（中/英文）：超聲電火花復(fù)合加工綜合實(shí)驗(yàn)試驗(yàn)/SynthesisExperimentofUltrasonicVibrationAssistedEDM3、學(xué)時(shí)/學(xué)分：30/44、先修課程：現(xiàn)代制造工藝基礎(chǔ)、切削加工及刀具技術(shù)、測(cè)試技術(shù)、公差與技術(shù)測(cè)量、機(jī)械制造基礎(chǔ)、特種及復(fù)合加工技術(shù)，0530110/0530140/0520170/0520180/0520160/05402805、面向?qū)ο螅簷C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化專業(yè)本科生6、開課院（系）：機(jī)電學(xué)院機(jī)械工程及自動(dòng)化系7、教材、教學(xué)參考書：《特種加工》，趙萬生、劉晉春著，機(jī)械工業(yè)出版社，2002年《電火花加工工藝學(xué)》，\o"查看該作者的其它著作"盧存?zhèn)ブ?，?guó)防工業(yè)出版社，1988年《電火花加工技術(shù)》，郭永豐等著，哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2005年《機(jī)械精度設(shè)計(jì)與檢測(cè)技術(shù)》，王玉，國(guó)防工業(yè)出版社，2005年8月《超聲加工技術(shù)》，曹鳳國(guó)，化學(xué)工業(yè)出版社，2005年1月《復(fù)合加工技術(shù)》，張建華，化學(xué)工業(yè)出版社，2005年1月《超聲電火花復(fù)合加工綜合實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書》，張?jiān)迄i，2005年12月二、課程性質(zhì)和任務(wù)課程性質(zhì)：專業(yè)選修課（綜合試驗(yàn)）任務(wù)：本實(shí)驗(yàn)以機(jī)電工程專業(yè)本科教學(xué)計(jì)劃和人才培養(yǎng)目標(biāo)為依據(jù)，根據(jù)機(jī)電學(xué)院現(xiàn)有專業(yè)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀與發(fā)展需求，及本學(xué)科的研究發(fā)展方向，要求本學(xué)科的專業(yè)應(yīng)對(duì)非常規(guī)加工方法中最新的復(fù)合加工技術(shù)有所了解，拓寬學(xué)生的知識(shí)面。本創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)通過電火花和超聲的復(fù)合作用實(shí)現(xiàn)對(duì)高溫合金（GH188）難加工材料的精密加工，引導(dǎo)學(xué)生探索新型難加工材料的新工藝方法，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。相關(guān)技術(shù)包括超聲發(fā)生器的原理及在電火花加工中的作用，超聲能量與電火花能量的匹配等，超聲能量應(yīng)用于電火花的加工中屬于本學(xué)科的研究前沿課題，通過實(shí)驗(yàn)的開展使學(xué)生對(duì)非常規(guī)加工有更深入的了解，并對(duì)本學(xué)科的前沿課題有所了解和熟悉。試驗(yàn)研究不同參數(shù)下，超聲電火花復(fù)合加工的機(jī)理，研究電參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響規(guī)律，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比單純電火花加工與超聲電火花復(fù)合加工后零件的表面粗糙度和加工效率等指標(biāo)。學(xué)生從實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備的連接調(diào)試、實(shí)驗(yàn)過程操作、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及討論等方面進(jìn)行參與，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)研究的能力和動(dòng)手能力。本實(shí)驗(yàn)注重先進(jìn)性和科研性，以形成適應(yīng)學(xué)科特點(diǎn)及自身系統(tǒng)性和科學(xué)性的完整的實(shí)驗(yàn)課程體系，全面培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)作風(fēng)、實(shí)驗(yàn)技能以及綜合分析、發(fā)現(xiàn)和解決問題的能力，從而達(dá)到提高學(xué)生綜合素質(zhì)、實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)目標(biāo)。提高機(jī)械制造專業(yè)本科畢業(yè)生的業(yè)務(wù)水平，同時(shí)提高我院的本科教學(xué)能力，滿足國(guó)防和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)對(duì)先進(jìn)制造技術(shù)人才提出的迫切要求。三、實(shí)驗(yàn)（上機(jī)）內(nèi)容和基本要求實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容及供參考的學(xué)時(shí)：1.電火花復(fù)合加工原理實(shí)驗(yàn)講課；4學(xué)時(shí)2.超聲電火花復(fù)合加工系統(tǒng)的連接、調(diào)試。4學(xué)時(shí)4.超聲電火花復(fù)合加工參數(shù)實(shí)驗(yàn)16學(xué)時(shí)a.脈寬的取值為4個(gè)值；b.脈沖峰值電流取值為4個(gè)；c.固定脈沖間歇為一具體值，分別通過實(shí)驗(yàn)研究不同電流、脈寬對(duì)加工表面質(zhì)量的影響；e.記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。5.表面粗糙度的測(cè)量2學(xué)時(shí)空、航天、船舶、武器裝備、民用工業(yè)等領(lǐng)域。其中，電火花加工工藝方法已經(jīng)由穿孔、成型加工發(fā)展到目前常見的電火花內(nèi)圓磨削、電火花外圓磨削、電火花平面磨削、電火花刃磨、回轉(zhuǎn)齒輪電火花加工、金屬表面的電火花強(qiáng)化、電火花銑削溝槽、回轉(zhuǎn)螺紋加工等。電火花是一種自激放電。火花放電不同于輝光放電、弧光放電等其他形式的自激放電。電火花加工是基于脈沖放電的蝕除原理，故也稱放電加工或電蝕加工。在電火花加工過程中，由于各種原因，經(jīng)常產(chǎn)生短路、斷路或電弧脈沖，使得有效的火花放電減少，從而降低了電火花加工效率。此外，表面張力、內(nèi)聚力和固液材料之間的粘接力等作用，使得放電過程中已經(jīng)被熔化的材料不能完全拋出。因此，放電加工的實(shí)際加工效率遠(yuǎn)低于理論加工效率。為了提高放電加工效率，經(jīng)常采用人工排氣法、強(qiáng)迫沖液或抽液法、加速工作液循環(huán)、提高脈沖電壓、加大放電間隙等方法。前三種方法常因?yàn)槭芗庸l件或加工要求的限制而無法實(shí)現(xiàn)，提高脈沖電壓、加大放電間隙又會(huì)導(dǎo)致加工精度和加工表面質(zhì)量的下降。利用超聲振動(dòng)來改善放電加工過程中的排屑條件，可以取得明顯的效果，因而產(chǎn)生了超聲電火花放電復(fù)合加工技術(shù)。本實(shí)驗(yàn)中采用超聲與電火花兩種能量的復(fù)合實(shí)現(xiàn)對(duì)鈦合金的加工，工作液中混入磨料，在超聲的作用下磨料對(duì)工件表面進(jìn)行拋磨，同時(shí)工件與電極之間還存在著放電加工，實(shí)現(xiàn)兩種能量的復(fù)合加工。另外本實(shí)驗(yàn)研究突破了常規(guī)電火花只能“打孔”的局限性，采用類似于銑削的方式進(jìn)行數(shù)控加工，加工出比較光滑復(fù)雜型面。由于學(xué)時(shí)有限，本實(shí)驗(yàn)只進(jìn)行基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)研究。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康牧私獬曤娀鸹庸さ脑砗瓦^程；了解超聲超聲電火花銑削加工的設(shè)備組成；了解超聲發(fā)生的原理及超聲電源的操作；觀察超聲電火花復(fù)合加工放電波形與電火花加工放電波形的區(qū)別；分析在超聲磨料的作用下電參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響；培養(yǎng)學(xué)生綜合分析問題及獨(dú)立解決問題的能力。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及條件DM7551電火花成型機(jī)床一臺(tái)；磨料混合液槽一個(gè)；數(shù)字存儲(chǔ)示波器一臺(tái)；超聲旋轉(zhuǎn)加工裝置一臺(tái)；超聲電源發(fā)生器一臺(tái)；游標(biāo)卡尺一把；天平一臺(tái)，砝碼一盒；秒表一個(gè)；泰勒輪廓儀一臺(tái)；工件材料：高溫合金；電極：紫銅；工作液：煤油；磨料：炭化硼。四、超聲電火花放電復(fù)合加工的原理與應(yīng)用超聲電火花放電復(fù)合加工實(shí)質(zhì)上就是在普通電火花加工的基礎(chǔ)上，在工具電極或工件電極上疊加一個(gè)超聲振動(dòng)，以改善放電加工條件。在超聲電火花放電復(fù)合加工中，主要是利用超聲的泵吸作用。由于加工間隙小于工具電極振動(dòng)的波長(zhǎng)，所以工具電極的周期性往復(fù)運(yùn)動(dòng)就像活塞的往復(fù)運(yùn)動(dòng)一樣。當(dāng)工具電極靠近工件時(shí)，加工間隙的容積減小，迫使部分加工間隙中的液體排出；相反當(dāng)工具電極遠(yuǎn)離工件時(shí)，加工間隙的容積增大，使加工間隙外的新鮮液體進(jìn)入加工間隙，改善了加工間隙的沖液條件，提高放電點(diǎn)的空間分散性和有效火花放電率（即降低了斷路脈沖和電弧脈沖的比率），有助于提高加工表面質(zhì)量和加工效率。加工原理見下圖。圖1超聲電火花復(fù)合加工原理圖圖2超聲電火花復(fù)合加工材料去除機(jī)理為了充分利用超聲振動(dòng)的泵吸作用，并且不降低正?；鸹ǚ烹娂庸さ碾娢g作用，必須保證超聲振動(dòng)與火花脈沖放電的同步，即工具電極靠近工件時(shí)，正好是脈沖的持續(xù)時(shí)間，而當(dāng)工具電極遠(yuǎn)離工件時(shí)，正好是脈沖的間隔時(shí)間。因此，為了保證超聲振動(dòng)與火花放電的同步進(jìn)行，必須在超聲波發(fā)生器與脈沖電源之間安裝一個(gè)同步觸發(fā)器，使工具電極的超聲振動(dòng)與火花放電同步進(jìn)行。由于電火花放電復(fù)合加工與普通電火花放電加工相比，其設(shè)備增加了超聲振動(dòng)系統(tǒng)，設(shè)備價(jià)格增加，操作及調(diào)整也變的復(fù)雜，限制了該技術(shù)的推廣和應(yīng)用。目前主要應(yīng)用在以下兩大方面。應(yīng)用于小孔、窄縫及異型孔加工超聲振動(dòng)系統(tǒng)部件固定在電火花機(jī)床主軸頭的下部，電火花加工脈沖電源直接加到工具電極和工件上（一般工件接正極），加工時(shí)主軸作伺服進(jìn)給，工具電極端面超聲振動(dòng)。當(dāng)不施加超聲振動(dòng)時(shí)，電火花精密加工的放電脈沖利用率一般不超過8%，但電火花超聲復(fù)合加工可使放電脈沖利用率提高到50%以上，顯著提高了放電脈沖的利用率和加工效率。（2）超聲電火花復(fù)合拋光超聲電火花復(fù)合拋光完全不同于傳統(tǒng)的機(jī)械拋光，是利用超聲拋磨和火花放電的綜合效應(yīng)來達(dá)到拋光工件表面的目的。拋光時(shí)，工件接電源正極，工具頭接電源負(fù)極；在工件和工具之間通以乳化液。在拋光過程中，工具對(duì)工件表面的拋磨和放電腐蝕連續(xù)而交錯(cuò)地進(jìn)行。由于超聲的空化效應(yīng)，使工件表面軟化并加速分離剝落，同時(shí)，促使電火花放電點(diǎn)的分散，使拋光效率和工件加工表面質(zhì)量顯著提高。通常超聲電火花復(fù)合拋光比單純的超聲機(jī)械拋光效率可以提高3倍以上，工件加工表面粗糙度可低于Ra0.08～0.16μm。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容測(cè)量并記錄超聲電火花復(fù)合加工中電火花脈沖電源的開路、放電及短路波形；測(cè)量并記錄超聲發(fā)生電源的波形；用紫銅電極加工高溫合金試驗(yàn)件，測(cè)量試件的表面粗糙度，分析超聲作用下電參數(shù)對(duì)表面粗糙度的影響。六、實(shí)驗(yàn)步驟及方法：了解超聲電火花復(fù)合加工機(jī)床、裝置、工作液供給、脈沖電源工作原理和操作要求；檢查、清點(diǎn)和熟悉實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備、儀器、工件、工具、電極、磨料等，并將工件編號(hào)，繪制工件上實(shí)驗(yàn)號(hào)的分布圖。擬訂實(shí)驗(yàn)方案。對(duì)每一加工樣件，在選定紫銅電極和煤油、磨料復(fù)合工作液的條件下，通過調(diào)整超聲電源的功率旋扭，使超聲系統(tǒng)產(chǎn)生共振，為了保證一定的工藝要求，主要通過選擇脈沖寬度ti(μs)、脈沖峰值電流Ie(A)和脈沖間歇to(μs)來實(shí)現(xiàn)。實(shí)驗(yàn)時(shí)主要選擇脈沖寬度ti(μs)和脈沖峰值電流Ie(A)，其選擇變化參數(shù)為：脈寬ti(μs)：10、20、30、40脈沖峰值電流Ie(A)：6、9、12、15脈沖間歇to：10按照上面所選參數(shù)固定電流Ie(A)、間歇to(μs)，改變不同脈寬ti(μs)進(jìn)行試驗(yàn)加工，測(cè)量工件的表面粗糙度值Ra。再固定脈寬ti(μs)、間歇to(μs)、改變不同電流Ie(A)進(jìn)行試驗(yàn)加工，測(cè)量工件的表面粗糙度值Ra。4．分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找出各參數(shù)對(duì)加工表面粗糙度的影響規(guī)律。5.進(jìn)行小結(jié)，完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。七、實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)及要求：1、實(shí)驗(yàn)前預(yù)習(xí)好實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書及復(fù)合加工參考資料等有關(guān)知識(shí)。熟悉實(shí)驗(yàn)設(shè)備簡(jiǎn)單原理及操作方法。在開動(dòng)設(shè)備或使用儀器前必須征得指導(dǎo)老師同意方可進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)要嚴(yán)肅認(rèn)真做好記錄，及時(shí)整理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，認(rèn)真完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告和實(shí)驗(yàn)小結(jié)。八、思考題超聲電火花復(fù)合加工的效率與電火花加工的效率相比較哪個(gè)更高？為什么？采用什么措施可以提高超聲電火花加工的效率？為什么超聲電火花復(fù)合加工能改善零件的表面粗糙度？是否電火花加工電參數(shù)無論取多大超聲磨料都能起到降低零件表面粗糙度的作用？超聲電火花復(fù)合加工綜合實(shí)驗(yàn)報(bào)告一、實(shí)驗(yàn)條件：機(jī)床：脈沖電源：工件材料：磨料材料：電極材料：磨料混入比例：工作液：極性：所用測(cè)試儀器：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄：超聲電火花復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄參數(shù)實(shí)驗(yàn)號(hào)脈寬ti(μs)脈間to(μs)電流Ie檔/(A)高壓I伺服放電間隙抬刀上臺(tái)刀下測(cè)量指標(biāo)粗糙度（Ra）加工時(shí)間110106125212201061252133010612521440106125215101091252162010912521730109125218401091252191010121252110201012125211130101212521124010121252113101015125211420101512521實(shí)驗(yàn)者測(cè)量者記錄者

超聲電火花復(fù)合加工實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄參數(shù)實(shí)驗(yàn)號(hào)脈寬ti(μs)脈間to(μs)電流Ie檔/(A)高壓伺服放電間隙抬刀上臺(tái)刀下測(cè)量指標(biāo)粗糙度（Ra）加工時(shí)間15301015125211640101512521實(shí)驗(yàn)者測(cè)量者記錄者三、總結(jié)分析繪制粗糙度與脈沖寬度的關(guān)系曲線（在不同的電流水平下），及粗糙度與電流強(qiáng)度的關(guān)系曲線（不同脈沖寬度水平下），通過曲線分析超聲電火花加工過程中各電參數(shù)對(duì)粗糙度的影響規(guī)律；利用二元線性回歸的方法，計(jì)算超聲電火花復(fù)合加工中試件的粗糙度與脈沖寬度和電流強(qiáng)度的經(jīng)驗(yàn)公式。參見附錄2中的方法。通過實(shí)驗(yàn)?zāi)阏J(rèn)為超聲電火花復(fù)合加工技術(shù)，在實(shí)踐中應(yīng)用還存在哪些要解決的問題？回答思考題。收獲與體會(huì)及建議。附錄1:超聲電火花復(fù)合加工裝置超聲加工頭是超聲波電火花機(jī)械復(fù)合加工實(shí)現(xiàn)加工的關(guān)鍵部件，所以它的性能優(yōu)良對(duì)加工影響極大，根據(jù)項(xiàng)目研究要求，和試驗(yàn)使用的有關(guān)設(shè)備，綜合設(shè)計(jì)該裝置。應(yīng)具有如下性能：（1）為了保證加工精度和加工表面質(zhì)量，對(duì)加工頭精度要有一定要求。（2）為了提高復(fù)合加工的穩(wěn)定性和加工效率，加工頭應(yīng)具有旋轉(zhuǎn)功能，轉(zhuǎn)速可連續(xù)可調(diào)。（3）為了實(shí)現(xiàn)超聲電火花機(jī)械復(fù)合加工中的放電作用，所以在超聲頭上設(shè)計(jì)安裝引電碳刷，通過碳刷接入脈沖電流，故在放電加工的參與下進(jìn)一步增加了超聲放電機(jī)械復(fù)合加工的效率。（4）超聲頭應(yīng)輕巧，采用壓電晶體式換能器，可以作為單獨(dú)的加工附件，能方便的和使用的電火花機(jī)床聯(lián)接安裝。（5）變幅桿聯(lián)接方便、牢固可靠。本主軸頭結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。整體主軸頭體外徑為Φ90，總長(zhǎng)為320mm，在軸內(nèi)部上下二端安裝有精密軸承，使內(nèi)軸能進(jìn)行精密旋轉(zhuǎn)。換能器壓電晶體為50W兩片相對(duì)裝入主軸前端部膛體內(nèi)，兩邊為負(fù)極和主軸體相聯(lián)，正極在兩片中間引出線與主軸體絕緣，接電可靠。換能器的冷卻，通過在旋轉(zhuǎn)的軸套（上面開的斜槽）在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的冷氣流實(shí)現(xiàn)。主軸先安裝在接板上再與機(jī)床聯(lián)接。主軸頭前端設(shè)計(jì)成內(nèi)錐體定位基準(zhǔn)孔保證變幅桿牢固精密聯(lián)接，采用螺紋緊密相聯(lián)。變幅桿能擴(kuò)大振幅又稱擴(kuò)大棒，其長(zhǎng)度等于超聲振動(dòng)波的半波長(zhǎng)或其整數(shù)倍，截面越小，能量密度就越大，振動(dòng)振幅也越大，因此一般變幅桿設(shè)計(jì)制成錐體，指數(shù)形和階梯形三種形式，前端截面積很小，綜合考慮將為了便于制造我們?cè)O(shè)計(jì)成錐體。變幅桿長(zhǎng)度按下式計(jì)算：式中：L——變幅桿長(zhǎng)度；λ——超聲波的波長(zhǎng)（在鋼鐵中傳播的波長(zhǎng)λ=0.31~0.2mc——超聲波在物質(zhì)中的傳播的速度（在鋼中c=505m/sf——超聲波頻率，在加工時(shí)f可在16KHz~25KHz內(nèi)調(diào)節(jié)。由上式可知，鋼的變幅桿的長(zhǎng)度一般在半波長(zhǎng)100mm至160mm之間，根據(jù)加工實(shí)際情況，設(shè)計(jì)成100mm~120mm的錐體。超聲頭的旋轉(zhuǎn)由直流伺服電機(jī)通過皮帶傳動(dòng)，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速為0~3000r.p.m。轉(zhuǎn)速調(diào)整通過改變直流電機(jī)輸入電壓實(shí)現(xiàn)。附錄2:電火花加工二元回歸方程的建立與切削加工一樣，電火花加工表面粗糙度通常用微觀不平度的平均偏差Ra來表示，但在歐洲及日本等其他國(guó)家，大多數(shù)使用的是最大高度Rmax來表示。普通工作液電火花加工表面粗糙度公式:Rmax=KR·Ip0.4·te0.3（1）式中KR———常數(shù),一般取2、3Ip———極間放電峰值電流,Ate———放電時(shí)間,μｓ在本實(shí)驗(yàn)研究中評(píng)定粗糙度的參數(shù)是Ra，根據(jù)電火花加工的原理和公式（1），精密電火花加工的粗糙度公式可以表示為下式：Ra=K·tea·Ipb（2）與公式（1）不同的是常數(shù)K和系數(shù)a、b，因此根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算出這三個(gè)參數(shù)即可，兩邊取對(duì)數(shù)得到：lnRa=lnK+alnte+blnIp（3）設(shè)Z=lnRa，T=lnK，X=lnte，Y=lnIp則Z=T+aX+bY（4）因?yàn)閄與Y對(duì)Z的影響是線性的，所以求解放上述方程中Z與X、Y的關(guān)系就變成了一個(gè)二元線性回歸的問題。設(shè)因變量Z與兩個(gè)自變量X、Y的關(guān)系為線性相關(guān)，通過實(shí)驗(yàn)可測(cè)得N組觀測(cè)數(shù)據(jù)：（Zi，Xi，Yi）i=1，2……，N這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的表達(dá)式為Z1=β0+β1X1+β2Y1+ε1Z2=β0+β1X2+β2Y2+ε2………ZN=β0+β1XN+β2YN+εN（5）式中β0、β1、β2是待估計(jì)參數(shù)，X、Y是兩個(gè)可精確測(cè)量的參數(shù)（與Z相比誤差可忽略），ε1、ε2、…、εN是N個(gè)相互獨(dú)立且服從同一正態(tài)分布N(0，σ)的隨機(jī)變量。現(xiàn)用最小二乘法估計(jì)參數(shù)β0、