电火花线切割放电点位置分布均匀性评价

吴海会，王　彤，王俊棋，金兴龙

（哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江哈尔滨150080）



电火花线切割放电点位置分布均匀性评价

吴海会，王彤，王俊棋，金兴龙

（哈尔滨理工大学机械动力工程学院，黑龙江哈尔滨150080）

摘要：介绍了分路电流法放电点位置检测原理，构建了基于LabVIEW的放电点位置检测系统，获得了电火花线切割气中精加工的放电点位置分布图。通过对常规的放电点位置分布均方差评价法的改进，证明改进后的均方差法可反映局部放电点位置分布的疏密规律及放电点位置分布随时间的变化规律。

关键词：电火花线切割加工；放电点；位置分布；均匀性评价

实验研究表明，与水基工作液的电火花线切割加工相比，采用气体介质的电火花线切割精加工具有加工表面粗糙度值小、直线度精度高、放电间隙窄等特点[1-2]。在加工过程中，与加工稳定性相关的放电点位置分布的均匀程度对加工表面质量的影响较明显。因此，将放电点位置分布的均匀性评价作为一个新指标，与加工表面粗糙度和切割速度等工艺指标共同采用，对加工参数的优选具有一定的实用价值。

1　放电点位置检测原理

目前，对电火花加工的放电点位置进行检测的方法有：高速摄像检测法、声波信号检测法、电信号检测法和电磁信号检测法等[3]。考虑到电信号检测法使用的电信号便于获取，且检测精度较高、成本低，故本文选择电极分路电流法，其放电点位置检测原理见图1[4]。

图1　分路电流法放电点位置检测原理图

假设在P点放电，则加工电流i0从电源经2个进电点Q1、Q2接入至电极丝。Rw、Lw分别为导线的电阻、电感，Rc为导线和电极的接触电阻，可近似将两分支路上相应的Rw、Lw和Rc取为相同值。另外，Re1、Re2和Lel、Le2分别为进电点Q1与放电点P、进电点Q2与P之间的电阻和电感，且随着放电点位置的改变而发生相应的变化。

由等效电路图可得：

式中：R1=Re1+Rc+Rw；R2=Re2+Rc+Rw；L1=Le1+Lw；L2=Le2+ Lw；i0为阶跃函数，i0=a·u（t）=（a为常数）。

对式（1）、式（2）作拉普拉斯变换，然后在i0处于稳定状态后对i1和i2进行取值，即当i→∞时取值，可得：

式中：a、R均为常数，则（i2-i1）与（Re1- Re2)成比例关系。

由于Re1、Re2的大小直接受放电位置P的影响，所以只要利用电流传感器在线检测电流i1、i2，即可确定放电点位置P。

根据分路电流法的原理建立了放电点位置检测系统。其中，硬件系统主要有电流传感器、数据采集卡和器件工作电源等元件[5]，转换流程见图2；软件系统包括通讯模块、放电点显示模块和存储模块，使用LabVIEW编写的程序前面板见图3。利用该放电点位置检测系统，便可采集到放电点位置分布图，并实现放电点位置的数据存储。

图2　硬件系统的转换流程图

图3　检测系统前面板

2　实验获取放电点位置分布

在DK7740B型往复走丝电火花线切割机床上进行电火花线切割精加工实验，加工材料为Cr12MoV，工件厚度为40 mm。粗加工介质为乳化液，精加工介质为大气，其他加工参数见表1。采用自制的分路电流放电点位置检测系统，获得的精加工时的放电点位置分布见图4。可看出，放电点分布图的总体宽度约为40 mm，与工件厚度基本吻合；且在工件厚度方向的中部，放电点分布较均匀，而在上、下边缘较稀疏，呈明显的锯齿形。

表1　实验参数

图4　气中精加工放电点位置分布

3　对放电点位置分布均方差评价法的改进

目前，针对电火花加工放电点位置分布的均匀性评价，通常采用均方差法，其表达式为：

式中：σ为均方差；n为待求均方差的某一组放电点的个数；xi为第i个放电点距离工作台的高度；x¯为某一组所有放电点距离工作台高度的平均值。

在实际应用中，将采集的放电点位置按先后顺序分为若干组，求出每组的均方差及所有组的均方差的平均值。该方法简单直观，能定量描述所采集的放电点相对于均值的离散程度，但不能评价具体点的分布是否具有方向性的分布规律。如对图4所示的放电点位置分布进行评价，可得如图5所示的均方差分布。可见，每组的均方差数值都较大，所有组的均方差均值为4.6544，总体均方差值为4.5697；从数值上看，放电点分布较均匀，但看不出一般的分布规律，因此有必要对该方法进行改进。

图5　放电点均匀性评价的均方差分布图

运用MATLAB编程将采集的放电点位置分布图划分为16行16列，求出各行各列的放电点数，并分别显示出各行各列的放电点数分布图；运用均方差公式求出各行各列的均方差，并分别显示出各行各列的均方差分布图。以图4所示为例，运用改进后的均方差法对放电点位置分布进行评价，各行各列的放电点数分布见图6，各行各列的均方差分布见图7。可见，各列的均方差均值为4.6544，各行的均方差均值为3.1387，总体均方差值为4.5697。

图6　各行各列的放电点数分布图

图7　各行各列放电点数的均方差分布图

从图6a可看出，放电点分布图上、下两端的点数较少，中部的点数较多，相对较集中；从图6b可看出，各列的点数差距不大。

从图7a可看出，第一行的均方差较小，说明工件下端放电点分布在左右两侧的数量较少，这与图4所示放电点的分布情况相符；从图7b可看出，相邻列的标准差波动较大，且呈一大一小相间分布，符合气中采集的放电点呈锯齿形分布的特征。该评价方法能看出放电点各行各列分布的多少，还能看出总体及各行各列放电点分布的离散程度，因此更具适用性。

4　结论

根据分路电流法的原理，构建了放电点位置检测系统，获得了电火花线切割气中精加工的放电点位置分布图。对常规的均方差评价法进行了改进，将采集的放电点位置分布图划分为若干行和若干列，求出各行各列的放电点数，并分别显示出各行各列的放电点数分布图，再用均方差公式求出各行各列的均方差，并分别显示出各行各列的均方差分布图。通过对比表明，改进后的均方差法可反映局部放电点位置分布的疏密规律及其随时间的变化规律。

参考文献：

[1]王超群.干式介质中电火花线切割精加工实验研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2012.

[2] WANGTong，LUYumei，WANGSunfei，etal. Experimental study on dry finishing of low-speed WEDM [J]. Key Engineering Materials，2014，620：73-82.

[3]栗岩，赵万生，冯晓光，等.电火花加工放电点位置在线检测的研究进展[J].电加工，1996（6）：2-5.

[4] SHODA K，KANEKO Y，NISHIMURA H，et al. Adaptive control of WEDM with on -line detection of spark locations [C]//Proceeding of ISEM-X. Magdeburg，1992：410-416.

[5]温虓睿.基于分路电流法的电火花线切割放电点位置检测研究[D].哈尔滨：哈尔滨理工大学，2014.

Uniformity Evaluation for Location Distribution of Discharge Points in WEDM

Wu Haihui，Wang Tong，Wang Junqi，Jin Xinglong
（School of Mechanical and Power Engineering，Harbin University of Science and Technology，Harbin 150080，China）

Abstract：The detection principle of discharge point location detected by the branch current method was described. The detection system of discharge point location based on LabVIEW was set up. And the location distribution drawing of discharge points in the finishing process of WEDM in gas was obtained. Mean square deviation who was the conventional assessment method of discharge points distribution was improved，which can reflect the density laws of partial discharge points distribution and laws of distribution of discharge points changes over time.

Key words：WEDM；discharge points；location distribution；uniformity evaluation

第一作者简介：吴海会，女，1988年生，硕士研究生。

收稿日期：2015-10-30

中图分类号：TG661

文献标识码：A

文章编号：1009－279X（2016）01－0017-03