微細(xì)電火花銑削加工軌跡優(yōu)化研究

朱 熙，白基成，李 強(qiáng)，曹 剡，李政凱

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

機(jī)械結(jié)構(gòu)零件的微小化及難加工材料微小零件需求的日益增多，使各種微細(xì)零件、微細(xì)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]，傳統(tǒng)加工方法已很難滿足其加工需求，而微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)繼承了機(jī)械銑削和快速成形制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)加工時(shí)微刀具制作困難及電火花成形加工缺乏柔性、成形電極制作困難等問(wèn)題[2]。該技術(shù)采用微細(xì)電極在數(shù)控系統(tǒng)控制下、按一定軌跡進(jìn)行微三維型腔加工，通過(guò)不同的軌跡加工不同特征的型腔。其加工軌跡規(guī)劃不同于傳統(tǒng)加工的原因是由于在電火花加工過(guò)程中，工具電極和工件之間存在一定的放電間隙，且工具電極存在軸向和徑向的損耗，導(dǎo)致傳統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的軌跡不適于電火花銑削加工，需重新規(guī)劃電極軌跡。

Nguyen等[3]通過(guò)對(duì)極間加工間隙的研究，提出軌跡規(guī)劃時(shí)需進(jìn)行尺寸偏移，并提出了虛擬電極的概念。Yan等[4]對(duì)電極損耗進(jìn)行了研究，給出了軌跡重疊率的選擇依據(jù)，提出粗加工用大分層厚度，半精加工用小分層厚度，精加工用合適的軌跡修整規(guī)劃方法。本文通過(guò)分析加工軌跡規(guī)劃的影響因素，開(kāi)展了試驗(yàn)研究，為型腔加工時(shí)進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃提供依據(jù)。

1 微細(xì)電火花銑削加工軌跡規(guī)劃的影響因素分析

在微細(xì)電火花型腔銑削過(guò)程中，針對(duì)特定型腔進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，必須考慮在該加工狀態(tài)下的放電間隙、軌跡重疊率、分層厚度及電極掃描速度。這些參數(shù)的確定決定了加工軌跡，從而影響銑削加工精度及效率。

放電間隙是加工過(guò)程中控制尺寸精度的重要因素。如果按傳統(tǒng)的加工軌跡，由于存在放電間隙，會(huì)使加工型腔尺寸和目標(biāo)尺寸不同（圖1）。為了減小放電間隙給Z向帶來(lái)的誤差，采取的方法是在加工前尋找初始放電點(diǎn)，以此確定Z向的進(jìn)給量，但這將導(dǎo)致在粗加工后進(jìn)行精加工時(shí)，不得不中斷加工并再次尋找放電點(diǎn)，影響了加工效率和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)。因此，若能在加工前根據(jù)加工條件確定放電間隙，將大大提高加工效率。由于放電間隙的影響因素多，測(cè)量較困難，故需明確放電間隙的測(cè)量方法和影響因素。

圖1 X-Y平面放電間隙影響加工示意圖

由于微細(xì)電火花銑削加工存在電極圓角損耗，使銑削所得槽的側(cè)面存在圓弧過(guò)渡，若不進(jìn)行軌跡重疊規(guī)劃，會(huì)在工件底面產(chǎn)生殘切（圖2）；當(dāng)進(jìn)行軌跡重疊規(guī)劃后，理論上可明顯改善加工表面質(zhì)量，但軌跡重疊率越高，加工效率就越低。

圖2 殘切及軌跡重疊示意圖

分層厚度影響分層銑削加工的效率，分層厚度越大，則加工效率越高。但在分層銑削加工中，為了讓電極損耗集中在電極軸向，必須保證分層厚度小于放電間隙；且分層厚度越大，理論上曲面型腔加工時(shí)，每層加工產(chǎn)生的臺(tái)階越大。在分層銑削規(guī)劃Z向軌跡時(shí)，分層厚度的選取方法主要有兩種：一是均勻分層法，即根據(jù)加工效率、加工精度、電極損耗來(lái)制定每層的厚度；二是針對(duì)某種具體形狀的復(fù)雜曲面進(jìn)行劃分，分層厚度隨著曲面形狀而變化。

電極掃描速度直接影響著加工效率，但并非速度越快越好，而是需考慮加工的可行性。電極掃描速度不能太快是因?yàn)殡娀鸹庸さ牟牧衔g除是通過(guò)放電實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)掃描速度過(guò)快時(shí)，火花量不夠甚至不能擊穿形成火花，會(huì)造成加工效率低甚至無(wú)法加工。

2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備采用微細(xì)電火花銑削加工機(jī)床 （圖3），由花崗巖床身、Z軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、主軸模塊、工作臺(tái)、去離子水制備系統(tǒng)、電源及控制柜組成。其中，工作臺(tái)包含塊電極、線電極磨削裝置和CCD測(cè)量系統(tǒng)，可在線進(jìn)行電極制作與測(cè)量。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 加工試驗(yàn)參數(shù)

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

3.1 放電間隙的測(cè)量及影響因素

微細(xì)電火花銑削加工時(shí)，放電間隙會(huì)因工件表面的不平整和工具電極的軸向損耗而不斷變化，但存在著可以發(fā)生放電的極限距離，即極限放電間隙。其直接影響工具電極的軸向進(jìn)給量和加工尺寸精度，對(duì)加工過(guò)程有著重要的意義。

3.1.1 極限放電間隙的測(cè)量方法

測(cè)量極限放電間隙的方法主要有兩種：一種是間接測(cè)量法（圖4），主要用于測(cè)量側(cè)面放電間隙，將測(cè)得的工具電極直徑與加工通孔孔徑相減所得的差值取絕對(duì)值即為放電間隙的兩倍；另一種是直接測(cè)量法（圖5），先利用機(jī)床感知功能記錄工件表面的坐標(biāo)，再尋找放電點(diǎn)的坐標(biāo)，兩坐標(biāo)的差值取絕對(duì)值即為放電間隙。

圖4 側(cè)面放電間隙測(cè)量方法

圖5 底部放電間隙測(cè)量方法

本試驗(yàn)采用直接測(cè)量法測(cè)量底面放電間隙，步驟如下：

第一步，利用機(jī)床在空氣中接觸感知，記錄Z向坐標(biāo)值，此時(shí)機(jī)床抬起10 μm；

第二步，沖液后進(jìn)入加工模式，Z軸不斷向下進(jìn)給，單次進(jìn)給量0.1 μm，并利用示波器觀察放電點(diǎn)；

第三步，當(dāng)觀測(cè)到示波器檢測(cè)出放電時(shí)，工具電極以一定的電極掃描速度向機(jī)床X軸或Y軸方向移動(dòng)大于電極直徑的距離，從而避開(kāi)上一次放電的影響區(qū)。如果移動(dòng)過(guò)程中有放電，則認(rèn)為此時(shí)的Z值為放電點(diǎn)；如果沒(méi)有放電，則返回起始點(diǎn)繼續(xù)向Z負(fù)方向進(jìn)給，重復(fù)操作直至找到放電點(diǎn)。

本試驗(yàn)為提高測(cè)量精度，工件表面通過(guò)微動(dòng)臺(tái)調(diào)平。該測(cè)量方法簡(jiǎn)單易用，可避免工件或工具電極尖端帶來(lái)的誤差。

3.1.2 放電間隙影響因素的分析

放電間隙的大小與加工電參數(shù)、工作液電阻率、工具電極材料等有關(guān)。由于微細(xì)電火花銑削加工的工作液電阻率變化不大，材料一般為選定材料，所以影響放電間隙的最直接因素是加工電源的參數(shù)。

本文采用晶體管可控電阻模式脈沖電源，影響放電間隙的因素有電源開(kāi)路電壓、回路中的電阻和脈沖電源的脈寬。對(duì)此，設(shè)計(jì)表2所示的正交試驗(yàn)，研究上述3種因素對(duì)放電間隙的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響放電間隙的主導(dǎo)因素是開(kāi)路電壓（表3），且開(kāi)路電壓越大，放電間隙越大。

表2 放電間隙影響因素試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2 軌跡重疊率的測(cè)量與分析

通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證軌跡重疊對(duì)加工的影響，試驗(yàn)步驟如下：

第1步：進(jìn)行銑削單槽試驗(yàn)，觀察槽的截面是否存在圓弧過(guò)渡；

第2步：以軌跡重疊率為0的軌跡加工平面；

第3步：測(cè)量槽底面非圓弧區(qū)域的尺寸，以此確定對(duì)比試驗(yàn)的軌跡重疊率；

第4步：利用確定的軌跡重疊率進(jìn)行軌跡規(guī)劃，重新加工平面進(jìn)行對(duì)比。

用超景深測(cè)量?jī)x對(duì)銑削的單道槽進(jìn)行截面測(cè)量發(fā)現(xiàn)，槽底面兩側(cè)圓弧明顯。將測(cè)得的單道槽截面的底部非圓弧區(qū)域尺寸記為L(zhǎng)，實(shí)際槽寬D為工具電極直徑加上2倍的側(cè)面放電間隙，故軌跡的重疊率為：(D-L)/D。加工槽的底面形貌見(jiàn)圖6。

圖6 槽的非重疊區(qū)域測(cè)量示意圖

圖6 所示的測(cè)量趨勢(shì)線上的兩圓點(diǎn)間距作為軌跡非重疊區(qū)域，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表4。可見(jiàn)，該電極進(jìn)行銑削時(shí)，需用0.424以上的軌跡重疊率才能較好地消除電極損耗帶來(lái)的殘切。

表4 軌跡非重疊尺寸表

考慮測(cè)量誤差等因素，選擇軌跡重疊率為0.5再次進(jìn)行銑削試驗(yàn)，通過(guò)CCD測(cè)量對(duì)比的結(jié)果見(jiàn)圖7。可看出，沒(méi)有軌跡重疊時(shí)，兩電極中心軌跡的間距就是電極直徑，加工表面有明顯的殘切凸起；有軌跡重疊時(shí)，加工表面無(wú)明顯的加工殘切。由此可見(jiàn)，通過(guò)規(guī)劃重疊軌跡，能減小因電極圓角損耗引起的底面殘切。

圖7 有軌跡重疊和無(wú)軌跡重疊對(duì)比

3.3 分層厚度的規(guī)劃與分析

3.3.1 變分層厚度對(duì)加工效率和精度的影響

在規(guī)劃曲面型腔軌跡時(shí)，為減小因分層產(chǎn)生的微小臺(tái)階型誤差，最直接的方法是減小分層厚度，但這會(huì)導(dǎo)致加工效率降低。所以很多學(xué)者根據(jù)型腔的曲率變化提出了變分層厚度的加工方法，為了兼顧加工效率和精度，在粗、精加工中也可采用不同的分層厚度。

本文在表1所示參數(shù)下對(duì)6 μm深的單槽進(jìn)行加工試驗(yàn)，研究變分層厚度對(duì)銑削加工效率和精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5?？梢?jiàn)，分層層數(shù)越多，加工時(shí)間越長(zhǎng)，加工效率就越低；且層數(shù)為6層、分層厚度均為1 μm時(shí)，不僅加工效率最低，加工精度也最差。因此，減小分層厚度并不能提高型腔加工的尺寸精度。

表5 變分層厚度對(duì)比試驗(yàn)

此外，每種分層情況的實(shí)際加工深度都大于目標(biāo)深度6 μm，加工尺寸誤差最小為0.986 μm，最大為2.499 μm，尺寸誤差與目標(biāo)尺寸之比分別為16.43%和41.65%。由于每層的實(shí)際蝕除深度都不明確，故需進(jìn)行單層分層厚度試驗(yàn)研究。

3.3.2 單層分層厚度與蝕除深度的關(guān)系

本文通過(guò)銑削單槽試驗(yàn)，研究在相同電極掃描速度下，蝕除深度和分層厚度的關(guān)系，并對(duì)比不同電極掃描速度下的情況。加工參數(shù)同表1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8。

圖8 蝕除深度和分層厚度的關(guān)系

由圖8可看出，在同一電極掃描速度下，分層厚度越大，蝕除深度越大；且電極掃描速度越大，蝕除深度整體偏小。可見(jiàn)，在單層銑削加工時(shí)，銑削深度和分層厚度也不相同。當(dāng)電極掃描速度較低時(shí)，出現(xiàn)了蝕除深度大于分層厚度的情況，分析認(rèn)為在低速掃描時(shí)，工具電極停留在一段長(zhǎng)度上的時(shí)間較長(zhǎng)，排屑不好時(shí)極易發(fā)生二次放電，造成蝕除深度大于進(jìn)給量的情況；而當(dāng)電極掃描速度較高時(shí)，放電停留時(shí)間短，材料尚未被完全蝕除，電極已經(jīng)移開(kāi)。因此，提高加工精度需將分層厚度和電極掃描速度結(jié)合起來(lái)。

3.4 電極掃描速度的確定與分析

在微細(xì)電火花銑削過(guò)程中，工件的蝕除發(fā)生在每次放電的離散單元上，和傳統(tǒng)的接觸加工不同，電火花加工的蝕除量和發(fā)生火花放電的總量有關(guān)，火花放電的總量又和放電時(shí)間有關(guān)，即和電極掃描速度有關(guān)。因此，蝕除深度不僅和工具電極軸向進(jìn)給量有關(guān)，還和電極掃描速度有關(guān)。在采用相同的電參數(shù)和進(jìn)給量加工時(shí)，電極掃描速度太大會(huì)出現(xiàn)蝕除不完全，即蝕除深度小于進(jìn)給量；電極掃描速度太小，又會(huì)受排屑和二次放電的影響導(dǎo)致蝕除深度大于進(jìn)給量。因此，本文通過(guò)微細(xì)電火花銑削加工單槽試驗(yàn)，獲得合適的電極掃描速度來(lái)兼顧加工精度和效率。試驗(yàn)參數(shù)同表1，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖9（蝕除深度偏差的負(fù)值表示加工深度小于目標(biāo)尺寸）。

圖9 蝕除深度偏差和電極掃描速度的關(guān)系

分析可知，通過(guò)選擇合適的電極掃描速度，能使蝕除深度等于分層厚度，此時(shí)的速度定義為理想電極掃描速度ve。如圖9所示，曲線與X軸的交點(diǎn)處的速度即為ve?？梢?jiàn)，不同的分層厚度所對(duì)應(yīng)的ve并不相同；且分層厚度較大時(shí)，ve有變小的趨勢(shì)，這是因?yàn)榉謱雍穸却?，待蝕除的材料多，需要更多的放電時(shí)間，所以電極掃描速度需相應(yīng)減小。

利用表1所示參數(shù)加工目標(biāo)槽深為8 μm的單道槽，并進(jìn)行軌跡規(guī)劃。測(cè)得該工況下的放電間隙為 4.3 μm，分層厚度選擇 1.5、1.0 μm 進(jìn)行組合，對(duì)應(yīng)的電極掃描速度分別為8.5、10 μm/s。Z-Y平面內(nèi)的加工軌跡見(jiàn)圖10，共分6層加工，前4層分層厚度為1.5 μm，后2層分層厚度為1.0 μm。經(jīng)測(cè)量，加工出的槽深最大值為 8.473 μm（圖 11），加工尺寸誤差為0.473 μm，尺寸誤差與目標(biāo)尺寸之比為5.91%。由此可見(jiàn)，合理地根據(jù)分層厚度選取電極掃描速度后的銑削加工尺寸精度比未進(jìn)行軌跡規(guī)劃前有了很大的提升。

圖10 Z-Y平面內(nèi)的加工軌跡示意圖

圖11 槽深測(cè)量圖

4 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)得出放電間隙、軌跡重疊率、分層厚度、電極掃描速度對(duì)銑削加工精度和效率有著重要影響，并給出了放電間隙和軌跡重疊率的確定方法，得到以下結(jié)論：

（1）影響放電間隙大小的主要因素是間隙開(kāi)路電壓。

（2）軌跡重疊能較好地改善加工表面質(zhì)量，減小因電極圓角損耗引起的殘切凸起。

（3）減小分層厚度并不能提高型腔加工的尺寸精度，反而會(huì)降低加工效率。

（4）每層的蝕除深度不一定等于分層厚度；在相同條件下，電極掃描速度越大，蝕除深度越小。

（5）存在著理想電極掃描速度，能使每層的蝕除深度等于分層厚度，且理想電極掃描速度隨著分層厚度的增大而減小。

（6）通過(guò)合理的軌跡規(guī)劃，加工槽的尺寸誤差與目標(biāo)尺寸之比從16.43%降低至5.91%，驗(yàn)證了軌跡規(guī)劃的有效性。

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