磨料水射流微細(xì)雕刻技術(shù)的研究

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1、文章編號:16732159X(2006)0320092204磨料水射流微細(xì)雕刻技術(shù)的研究楊桂林,雷玉勇,賈強(qiáng),邱剛,馬超,宋清俊(西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院特種加工研究所,四川成都610039)摘要:根據(jù)磨料水射流加工的特點(diǎn),建立了磨料水射流加工的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。用訓(xùn)練好的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來預(yù)測給定加工條件下的進(jìn)給速度,并根據(jù)加工路徑和機(jī)床的特性對進(jìn)給速度進(jìn)行修正,并編寫數(shù)控代碼。通過控制水射流的進(jìn)給速度來間接控制其刻蝕深度,同時(shí)獲得加工軌跡的圓滑過渡,從而實(shí)現(xiàn)磨料水射流的雕刻工藝。本文以不銹鋼為原材料,以

2、JJ2I數(shù)控水射流機(jī)床為實(shí)驗(yàn)平臺,根據(jù)機(jī)床的特性手工編程,成功雕刻出微型摩托車圖形。關(guān)鍵詞:磨料水射流;雕刻;微細(xì)加工;切割速度;人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中圖分類號:TH16文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A同時(shí)要根據(jù)刻蝕工件材料的性質(zhì)、圖案形狀、刻蝕深度、磨料水射流工藝參數(shù)以及加工的質(zhì)量要求等對噴頭的運(yùn)動參數(shù)———速度和加速度進(jìn)行精確控制。本文作者首先建立磨料水射流切割的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,并應(yīng)用所建立的模型來預(yù)測噴頭移動速度。通過對噴頭運(yùn)動速度的控制來間接控制磨料射流的刻蝕深度。通過手工編程,在JJ-I型萬能數(shù)控水射流切割機(jī)床上成功

3、完成微型摩托車圖案的雕刻。0引言磨料水射流是通過高速水射流束來加速固體磨料粒子(Abrasives),從而形成超高速固液兩相介質(zhì)射流(AWJ)。磨料水射流具有對高強(qiáng)度、高硬度、脆性和難加工材料,如不銹鋼、鈦合金材料、陶瓷、玻璃材料等的切割加工能力,在制造業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。磨料水射流利用高能固體粒子對材料進(jìn)行蝕除,而高能水束(液體質(zhì)點(diǎn))以其力和熱效應(yīng)以及摩擦、壓擠、拋光和熨燙等作用輔助固體粒子完成材料的蝕除。磨料水射流切割屬于高能束加工范疇,與激光、等離子體、電子束加工工藝相比,具有顯著特點(diǎn)。磨料水

4、射流介質(zhì)成本低、清潔,切割過程中無塵、無毒、無火花、噪音小,環(huán)境友好,因此屬于綠色環(huán)保工藝;水射流切割屬于無機(jī)械接觸“冷切割”,絕無機(jī)械應(yīng)力、熱變形、無受熱影響區(qū)域(HAZ)產(chǎn)生,不會改變被切割物質(zhì)的物理和化學(xué)特性,因而成為對熱敏感物質(zhì)的最佳切割工具;水射流切割適應(yīng)性好、切割品質(zhì)優(yōu)良、切縫窄、材料損耗少;水射流切割可以方便地與計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)合起來,使它成為一種全新的先進(jìn)數(shù)控加工工具。雖然磨料水射流切割工藝已成為世界上成長最快的加工工藝之一,但是應(yīng)用磨料水射流進(jìn)行雕刻工藝的研究在國內(nèi)還未見到。其原因是磨

5、料水射流這種工具具有“柔性”特征,因此對其進(jìn)行精確控制相對復(fù)雜。在雕刻過程中,不僅要控制噴頭的位置,1關(guān)鍵技術(shù)由于目前國內(nèi)還沒有專用的磨料水射流加工數(shù)控系統(tǒng),因此磨料水射流切割機(jī)床大都借用通用數(shù)控系統(tǒng)。一般需要手工編程數(shù)控代碼或者通過CAD/CAM系統(tǒng)設(shè)計(jì)(或輸入)零件幾何圖形,由自動編程系統(tǒng)產(chǎn)生零件加工數(shù)控代碼,然后指令信號發(fā)送給機(jī)床控制系統(tǒng)完成零件加工,加工流程如圖1所示。圖1數(shù)控水射流加工流程和簡單的切割加工不同,要實(shí)現(xiàn)微細(xì)雕刻工藝,必須首先解決兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):1)切割深度控制;2)加工路徑上直線-

6、弧線-直線段間的加減速控制。由于水射流切割深度與射流系統(tǒng)、材料工程性質(zhì)和機(jī)床運(yùn)動參數(shù)等有關(guān)。一般來講,水射流系統(tǒng)功率越收稿日期:2005211210基金項(xiàng)目:四川省人事廳學(xué)術(shù)帶頭人培養(yǎng)資金(0422006);四川省科技廳項(xiàng)目資助(05202073)作者簡介:楊桂林(19782),男,黑龍江省齊齊哈爾市人,西華大學(xué)機(jī)械工程與自動化學(xué)院2003級碩士研究生,主要研究方向:機(jī)電一體化技術(shù)。E2mail:yuyong2lei@mail.xhu.edu.cn93第3期楊桂林等:磨料水射流微細(xì)雕刻技術(shù)的研究大,切割

7、深度越深;材料強(qiáng)度越高,切割深度越小;噴頭移動速度越慢,切割深度越深。為了簡化問題和方便控制,本文作者采用控制磨料噴嘴沿路徑的移動速度來間接控制切割深度。一般來說,在雕刻工藝過程中,圖案除了直線段以外,往往還有弧線段。由于磨料水射流本身的特點(diǎn),在直線段與弧線段或者弧線段與直線段的過渡處,刻蝕圖案往往會產(chǎn)生鋸齒狀的瑕疵,有時(shí)甚至破環(huán)整個(gè)圖形的美觀造型。解決這個(gè)問題的辦法是控制這些過渡處的加(減)速度,使運(yùn)動平穩(wěn)過渡。關(guān)。本文結(jié)點(diǎn)數(shù)的選取主要在Matlab上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),得出合適的結(jié)點(diǎn)數(shù)。213ANN模型的算法

8、及訓(xùn)練這種映射實(shí)質(zhì)上是把一組樣本的輸入輸出問題轉(zhuǎn)化為非線性優(yōu)化問題,用已知樣本作為教師,對網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值(閥值含與權(quán)矢量)和誤差反復(fù)修正學(xué)習(xí),經(jīng)過訓(xùn)練的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能對類似樣本的輸入信息自行處理,從而輸出誤差最小的經(jīng)過非線性轉(zhuǎn)換的信息。本文作者利用MATLAB的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱,編程訓(xùn)練所構(gòu)造的AWJ加工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。MATLAB神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)工具箱提供了統(tǒng)一的權(quán)值初始化函數(shù)、學(xué)2神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為了獲得在特定工藝條件下刻蝕圖形的加工速5習(xí)規(guī)則函數(shù)以及訓(xùn)練函數(shù)