基于Pro/E的電火花微細(xì)異形零件加工工藝研究*

王 超，丁 浩，朱世根

(東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教育部紡織裝備工程研究中心，上海 201620)

0 引言

電火花加工過(guò)程不受材料強(qiáng)度、硬度限制，加工精度高且適應(yīng)性廣，特別是微細(xì)電火花加工技術(shù)的更得到廣泛應(yīng)用，如模具的制造、微細(xì)小孔噴絲板噴油嘴的加工、微細(xì)齒輪零件的加工等［1-3］。在對(duì)非常規(guī)形狀零件的加工，國(guó)內(nèi)外有不少學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了研究，通常選擇采用拷貝法加工成型電極或者利用簡(jiǎn)單形狀電極借鑒數(shù)控銑削的方法進(jìn)行加工，如帶冠彎扭渦輪葉盤(pán)，采用拷貝法先加工出與葉片型面完全吻合的電極型面，后利用成型電極加工葉盤(pán)［4］;也有學(xué)者研究利用棒料電極電火花銑削加工工藝的，如英國(guó)的 Duffil和土耳其的 Bayramoglu［5］。

針對(duì)微細(xì)異形零件加工，使用微小成型電極進(jìn)行微細(xì)三維輪廓的加工顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因?yàn)榧庸み^(guò)程中嚴(yán)重的電極損耗現(xiàn)象使成型電極的形狀很快改變而無(wú)法進(jìn)行高精度的三維曲面加工［6］。雖然有不少電極損耗補(bǔ)償?shù)睦碚摚和ㄟ^(guò)電極運(yùn)動(dòng)軌跡的合理規(guī)劃以分層電火花銑削方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電極等損耗［7-8］;根據(jù)電極損耗變化規(guī)律提出的適時(shí)補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ?-10］。但因?yàn)榉烹娺^(guò)程本身具有的復(fù)雜性、隨機(jī)性，使得電極補(bǔ)償方法保證不了微細(xì)異形零件的精度。利用微細(xì)成型電極的加工方法由于成型電極批量制作時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高、加工過(guò)程中有嚴(yán)重的電極損耗而無(wú)法推廣。本文作者結(jié)合某零件微細(xì)舌勺的成型加工，采用Pro/E軟件分析其成型原理，選用簡(jiǎn)單電極代替成型電極的方法，并探索加工工藝，省去成型電極的設(shè)計(jì)與制造過(guò)程，簡(jiǎn)化電火花加工的工藝流程。

1 成型分析

舌勺勺寬通常只有0.2～0.3mm，是針舌和針鉤的配合部位，勺形尺寸細(xì)小、形狀不規(guī)則。根據(jù)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)：鉤桿表面應(yīng)光滑，無(wú)毛刺、銹斑、磨痕等缺陷;針頭外徑誤差小于0.02mm，針鉤高度誤差小于0.08mm，且針舌與針鉤必須在同一中心線(xiàn)上［11］。舌勺設(shè)計(jì)在針鉤上，在工作過(guò)程中需要與針舌形狀配合，所以有較高的位置精度和形狀精度要求。因此，為了實(shí)現(xiàn)舌勺形狀的加工，必須首先完成針鉤部位的建模，分析舌勺形狀特征。

1.1 針鉤三維造型

電極參與加工的型面是由舌勺形狀確定的，所以電極的設(shè)計(jì)依據(jù)是針鉤的三維實(shí)體造型。

利用顯微測(cè)量的建模方法，通過(guò)數(shù)碼顯微放大配合相機(jī)景深功能對(duì)針鉤及舌勺形狀進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，調(diào)整優(yōu)化造型曲線(xiàn)后用典型的重構(gòu)方法進(jìn)行三維實(shí)體造型，造型結(jié)果如圖1所示。

圖1 針鉤實(shí)物及三維實(shí)體造型

1.2 電極的設(shè)計(jì)

電極的設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)是電極毛坯與針鉤實(shí)體布爾減的過(guò)程，需根據(jù)舌勺形狀確定電極形狀。在利用數(shù)碼顯微測(cè)量過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)舌勺各截面輪廓為圓弧，測(cè)量得半徑r0，如圖2所示。由此可以說(shuō)明舌勺形狀是利用圓柱跟針鉤布爾減所產(chǎn)生的。通過(guò)調(diào)整電極與針鉤的位置，采用簡(jiǎn)單的圓柱電極完全貫穿針鉤的方式進(jìn)行加工。加工初期，電極損耗相對(duì)較大，但隨著加工過(guò)程的繼續(xù)，電極損耗速度將逐漸減小而趨于相對(duì)穩(wěn)定。通過(guò)實(shí)驗(yàn)可以得出圓柱銅電極加工穩(wěn)定后單邊放電間隙為0.01mm，所以選用直徑為r1=r0－0.02mm。利用圓柱電極切除針鉤的加工方式避免了其它帶圓柱面成型電極加工后的電極損耗帶來(lái)舌勺形狀誤差，也避免了采用更微小電極分層加工過(guò)程中電極補(bǔ)償誤差的影響。加工原理如圖3所示。

圖2 截面舌勺輪廓測(cè)量

圖3 舌勺加工原理圖

1.3 舌勺成型誤差分析

通過(guò)對(duì)舌勺成型過(guò)程分析，得知舌勺的形狀與圓柱電極直徑的大小、針鉤形狀以及圓柱電極和針鉤之間的相對(duì)位置有關(guān)。

參照普通織針制造工藝(如表1所示)，可知針鉤是通過(guò)模具對(duì)針頭進(jìn)行彎鉤得到的。針頭是采用旋轉(zhuǎn)冷鍛的方法，通過(guò)控制主軸的轉(zhuǎn)速和滾柱個(gè)數(shù)調(diào)節(jié)鍛擊次數(shù)、正確調(diào)試模具來(lái)保證高精度的打頭質(zhì)量［12］，于是圓柱電極直徑誤差、針鉤與電極之間的相對(duì)位置誤差對(duì)舌勺形狀的影響較大。本文利用Pro/E軟件對(duì)誤差進(jìn)行敏感度分析，找出各個(gè)誤差對(duì)最終舌勺形狀的影響大小，為舌勺加工工藝的制定提供科學(xué)的依據(jù)。過(guò)程如下：

表1 普通織針制造工藝

對(duì)打頭工序后的毛坯針進(jìn)行分析，利用Pro/E對(duì)毛坯針進(jìn)行參數(shù)化建模，選用影響對(duì)中性X值、對(duì)刀點(diǎn)距離Y值、角度θ及電極直徑為自變量參數(shù)，針鉤舌勺表面積為應(yīng)變量，分析參數(shù)對(duì)舌勺形狀的影響大小，如圖4所示。根據(jù)逆向建模結(jié)果確定自變量初始值，加工過(guò)程難易程度及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求選取變量范圍，設(shè)置過(guò)程如表2所示。

圖4 自變量參數(shù)

表2 自變量參數(shù)設(shè)置

利用Pro/E軟件敏感度分析模塊對(duì)加工參數(shù)進(jìn)行分析，得到自變量參數(shù)與應(yīng)變量針鉤舌勺形狀關(guān)系，如圖5a～d所示。

圖5 自變量與針鉤舌勺形狀的關(guān)系曲線(xiàn)

1.4 舌勺加工工藝

為保證舌勺形狀加工質(zhì)量，需盡量降低毛坯誤差及電極找正誤差對(duì)形狀的影響。根據(jù)上述分析結(jié)果，首先滿(mǎn)足Y值精度，再控制電極直徑制造精度和X值精度，最后保證角度精度。

Y值誤差的產(chǎn)生主要包括：針身打頭后的針頭形狀誤差、電極與針頭的位置誤差及針頭在針身上的位置誤差。其中，針頭形狀可以用旋頭模具保證，可滿(mǎn)足舌勺成型加工要求;采用紅寶石導(dǎo)向器安裝細(xì)小圓柱電極到電火花機(jī)床，保證了工具電極與工作臺(tái)面的垂直，加上機(jī)床本身的主軸傳動(dòng)精度可實(shí)現(xiàn)電極的精確定位;針頭在針身上的位置與多道工序有關(guān)，如毛坯下料、校直等，但最直接的是彎鉤工序，彎鉤質(zhì)量的好壞直接影響著舌勺的形狀。

微細(xì)電極制作的傳統(tǒng)方法主要有兩種：一是把通過(guò)冷拔得到的細(xì)金屬絲矯直;另一種方法是用切削、磨削等方法制作［13］。簡(jiǎn)單圓柱形狀的電極制作已經(jīng)很成熟，制作精度約10μm。加工初期，電極損耗相對(duì)較大，而隨著加工過(guò)程的繼續(xù)，電極損耗速度將逐漸減小而趨于相對(duì)穩(wěn)定。因此，采用電極完全貫穿針鉤的方法彌補(bǔ)了加工前期電極損耗的影響，可滿(mǎn)足舌勺加工需求。

X值誤差的產(chǎn)生主要包括：機(jī)床對(duì)刀精度，針頭在針身上的位置。分析結(jié)果跟Y值參數(shù)形同。角度誤差在三者之間影響最小，可通過(guò)角度夾具調(diào)整電極與針頭之間的位置來(lái)保證。

通過(guò)分析誤差產(chǎn)生的原因，在保證電極制造精度、安裝精度及機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度的前提下，針鉤的位置精度是決定舌勺形狀成型的關(guān)鍵。為減少加工過(guò)程中多道工序產(chǎn)生的累計(jì)誤差，提出一種對(duì)針頭直接定位，在現(xiàn)有工藝的基礎(chǔ)上采用彎鉤前加工舌勺形狀的方法。為了驗(yàn)證成型分析結(jié)果及工藝提出的可行性，分別對(duì)彎鉤前與彎鉤后的針頭進(jìn)行加工對(duì)比。根據(jù)三維模型確定電極與針頭的位置，對(duì)彎鉤后的織針：先利用角度夾具調(diào)整電極與針頭夾角75°，后利用機(jī)床調(diào)整電極與針頭X方向0.14mm，Y方向0.22mm。彎鉤前的織針：角度16°，X方向0.14mm，Y方向0.02mm。電極定位方式如下圖6和上圖4中所示。

圖6 彎鉤后電極定位

2 實(shí)驗(yàn)與研究

2.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與電極材料

實(shí)驗(yàn)采用蘇州電加工機(jī)床研究所生產(chǎn)的電火花加工設(shè)備和直徑為0.26mm的圓柱銅電極，并利用去離子水作為工作液，工件材料為SK5鋼。測(cè)量設(shè)備為KEYENCE VHX-1000E三維數(shù)字測(cè)量?jī)x。銅電極具有優(yōu)良的導(dǎo)電性在電火花加工中廣泛應(yīng)用;去離子水做工作液加工不會(huì)產(chǎn)生積碳現(xiàn)象可提高加工效率。

2.2 加工結(jié)果及分析

選擇合理的電火花設(shè)置參數(shù)，利用舌勺成型和加工工藝分析結(jié)果，采用0.26mm的圓柱銅電極分別對(duì)彎鉤前和彎鉤后的針頭進(jìn)行加工，結(jié)果如圖7～12所示。

圖7 彎鉤前毛坯針

圖8 彎鉤后毛坯針

圖9 彎鉤前Pro/E模擬結(jié)果和加工結(jié)果

圖10 彎鉤后舌勺加工結(jié)果

圖11 電火花加工表面

圖12 舌勺截面輪廓

從上圖可以看出：彎鉤工序使得針頭位置和形狀發(fā)生了變化。選擇電火花舌勺彎鉤后加工時(shí)，舌勺形狀加工效果不理想，彎鉤工序增加了針頭位置誤差導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)可重復(fù)性差;彎鉤前加工時(shí)，測(cè)量舌勺截面輪廓圓弧直徑約等于0.28mm，電火花實(shí)際加工結(jié)果與Pro/E模擬結(jié)果非常相似，且加工后表面凹坑較小、表面質(zhì)量較高，可以滿(mǎn)足實(shí)際工作需求。加工結(jié)果說(shuō)明用簡(jiǎn)單圓柱電極可實(shí)現(xiàn)異形舌勺的加工，但彎鉤工序增加的針頭位置誤差導(dǎo)致舌勺不能順利成型，只有改進(jìn)現(xiàn)有工藝，選擇對(duì)舌勺先成型后彎鉤的加工方法，才能實(shí)現(xiàn)舌勺部位的順利加工。

3 結(jié)論

根據(jù)微細(xì)舌勺形狀的成型理論分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可得到如下結(jié)論：

(1)舌勺形狀與電極尺寸、電極和針頭相對(duì)位置及毛坯制造精度有關(guān)。基于Pro/E的分析方法，分析各相關(guān)因素對(duì)舌勺形狀的影響大小及各個(gè)誤差產(chǎn)生的原因，得出針頭在針身上的位置影響＞電極和針頭的相對(duì)位置誤差影響＞電極形狀誤差影響。

(2)分析現(xiàn)有制針工藝，并在此基礎(chǔ)上對(duì)彎鉤后的針頭進(jìn)行舌勺加工，結(jié)果表明彎鉤工序造成的針頭位置誤差無(wú)法滿(mǎn)足舌勺形狀成型要求。

(3)改進(jìn)工藝后采用彎鉤前加工舌勺，并利用針頭直接定位的定位方式，保證了形狀誤差的同時(shí)也減少了針頭位置誤差的影響。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了改進(jìn)工藝后舌勺形狀成型的可行性。

(4)通過(guò)異形舌勺部位的順利加工，說(shuō)明利用簡(jiǎn)單形狀電極，根據(jù)零件的成型原理，調(diào)整電極與工件的相對(duì)位置，可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的加工。

［1］劉晉春，趙家齊，趙萬(wàn)生.特種加工(第4版)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

［2］余祖元，郭東明，賈振元.微細(xì)電火花加工技術(shù)［J］.中國(guó)科技論文線(xiàn)，2007，2(3)：214 －220.

［3］Ehrfeld W，Lehr H，Michel F，et al.Micro Electro Discharge Machining as Technology in Micro-machineing［A］.Proceedings of SPIE［C］.1996，2879：332 －337.

［4］吳湘，趙萬(wàn)生，王振龍，等.帶冠彎扭渦輪葉盤(pán)電火花加工電極的設(shè)計(jì)與制造［J］.航天制造技術(shù)，2003(6)：4－7.

［5］Systematic investigation on the use of cylindrical tools for the production of 3D complex shapes on CNC EDM machines［J］.Int.J.Mach.Tools Manu fact，1994，34(3)：327－329.

［6］尹占民.微細(xì)電火花加工技術(shù)及其應(yīng)用［J］.模具制造，2003(3)：47－48.

［7］王振龍，趙萬(wàn)生，遲關(guān)心，等.微三維結(jié)構(gòu)型腔的微細(xì)電火花加工［J］.微細(xì)加工技術(shù)，2000(1)：71－74.

［8］Zhao Wansheng，Yang Yang，Wang Zhenlong，et al.A CAD/CAM system for micro－ED－milling of small 3D freeform cavity［J］.Journal of Materials Processing Technology，2004，149：573 －578.

［9］鄧容，吳品，裴景玉，等.微細(xì)電火花加工損耗補(bǔ)償?shù)难芯浚跩］.電加工與模具，2007(4)：20－23.

［10］Li Yong，Tong Hao，Cui Jing，et al.Servo scanning EDM for 3D micro structures［C］.Proceedings of International Conference on Integration and Commercialization of Micro and Nano Systems.Sanya，china，2007：1369 －1374.

［11］FZ/T 97006-1991，中華人民共和國(guó)紡織行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)針織用鉤針［S］.

［12］陸永海.針織用針打頭工藝及模具探討［J］.紡織器材，2007，34(1)：24 －28.

［13］趙萬(wàn)生，李文卓，王振龍.高精度微細(xì)電火花加工系統(tǒng)的研制［J］.電加工與模具，2004(1)：6－8.