关键词：
小孔高速电火花加工
观测实验
流固耦合仿真
穿透检测
贯穿判定
分段自适应控制
摘要：
小孔高速电火花加工是电火花加工工艺的一种,在航空发动机和燃气轮机涡轮叶片气膜冷却孔群孔加工中被广泛使用。整个通孔加工过程可分为接触、中间和贯穿三个不同阶段。目前小孔高速电火花加工,特别是斜孔加工,存在着两个问题。一是各加工阶段的特性具有显著差异,而现有控制器却采用固定控制策略,阻碍了加工效率和稳定性的提升;二是由于电极损耗严重,难以确定加工完成时间。特别是在加工以涡轮叶片气膜冷却孔为代表的一类小孔时,由于工件内部存在流道或空腔,需要确定加工完成时间,以有效地防止背伤产生。为了提升整体加工效率,需要在线区分不同的加工阶段,并提出分段自适应控制策略。而为了确定加工完成时间,需要在区分加工阶段的基础上,采用一定的判断依据,判定小孔贯穿。但是,目前对于不同加工阶段的特性及其成因仍缺乏研究,而这是提出优化控制策略的依据。而且由于加工过程中的电极损耗较大,且工艺过程具有较强的随机性,因此,用于区分中间阶段和贯穿阶段的穿透信息以及标志加工完成的贯穿信息,无法通过坐标增量和加工时间等信息简单获得。也需要根据加工过程的特征,提出相应的在线检测方法。而目前已有判定方法的可靠性较差。为此,本文对小孔高速电火花加工过程展开了系统性的研究,以提出解决上述问题的有效方法。本文的主要研究工作如下:(1)针对各加工阶段的现象与特性尚不明确的问题,设计了观测实验装置,使用摄像机在不同时间尺度上直接观察了各加工阶段的极间物理现象并展开分析,以加深对加工过程的理解,进而指导后续研究。在观测接触阶段时,发现了电极的受迫振动现象。分析表明,该现象是导致此阶段加工过程不稳定的根本原因。在中间阶段,观测到了电极振动、侧壁放电等现象。该阶段排屑效率高,加工总体稳定。进入贯穿阶段后,虽然间隙中的冲液仍可维持一定时间,但侧壁放电显著增多,加工状态急剧恶化;小孔贯穿后,大量加工屑累积,放电和短路依然频繁。(2)针对上述观察到的极间物理现象建立了数学与有限元模型,通过仿真,分析现象背后的规律,为分段控制策略的提出提供依据。针对接触阶段的电极受迫振动现象,基于流固耦合理论建立了电极振动方程,分析表明电极自由长度是减小振幅的关键因素。针对中间和贯穿阶段的电极振动现象,建立了流固耦合的有限元模型,仿真结果显示,间隙中的工作液压力对振幅的影响很小。针对穿透发生前后的排屑现象,建立了一系列流体与粒子交互的两相流有限元模型。仿真结果表明,穿透发生后加工稳定性立即急剧下降的原因是放电集中和流场压强变化导致的大量侧壁放电和短路。这使得这一阶段的加工条件十分恶劣。(3)针对目前缺少可靠的穿透检测与贯穿判定方法的问题,结合观测实验及建模仿真的研究结果,分析了极间放电信号的变化规律,提出了穿透检测方法与贯穿判定方法。首先提出了用于穿透检测的加工状态图分类法。该方法选取多种特征信号,处理得到由信号变化趋势曲线组合而成的加工状态图。采用机器学习算法将加工状态图在线分类为穿透前和穿透后两类,即可检测到穿透。相比于现有的判定方法,该方法可以更有效地避免信号波动或干扰所导致的误判。其次,考察了小孔贯穿前后、电极未回退时的放电信号特征,提出了基于条件放电信号变化特征的贯穿判定方法。验证实验证明了所提出方法的正确性和及时性,即可以在1秒或1毫米内检测到穿透,并在电极穿出出口2 mm内判定贯穿。(4)为了提升各加工阶段的稳定性和效率,基于前文研究结果,提出了分段自适应控制策略,实现了高效稳定的加工。首先,在接触阶段,为了减少电极振动带来的不利影响,提出了动态调节进给率增益因子的策略。加工实验表明,该策略可使接触阶段的加工时间缩短50%以上,小孔入口附近的放电影响区也可减少最多达49.8%。其次,针对加工大深径比小孔时中间阶段的稳定性随着小孔深度加深而逐渐下降的问题,设计了基于自校正调节控制的二输入二输出自适应控制器。根据放电加工的状态动态调节伺服控制器参数,提高了加工效率。实验中,使用自适应控制器可令加工时间缩短10.3%。最后,考虑到贯穿阶段的间隙放电条件十分复杂且恶劣,采用了加工参数选优的策略。设计了全因子实验,研究了伺服参考电压和增益因子对加工效率的影响,并据此优化加工控制参数。实验表明,采用优化的加工参数后,该阶段的加工时间可缩短多达56.2%。最后,结合穿透检测方法、贯穿判定方法,实现了自动化的分段自适应加工控制。
