基于非接觸給電的高主軸轉(zhuǎn)速微細電火花加工特性研究

馮光磊，楊曉冬

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

基于非接觸給電的高主軸轉(zhuǎn)速微細電火花加工特性研究

馮光磊，楊曉冬

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

在實現(xiàn)非接觸給電的微細電火花加工的基礎(chǔ)上，分別研究了圓柱電極和削邊電極的主軸轉(zhuǎn)速對材料去除率及電極損耗的影響。結(jié)果表明：無論是圓柱電極還是削邊電極，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，材料去除率增加，電極損耗率降低；且在削邊電極的情況下，主軸轉(zhuǎn)速的提高對于材料去除率和電極損耗率的改善更明顯。

微細電火花加工；非接觸給電；高主軸轉(zhuǎn)速；材料去除率；電極損耗

微細電火花加工具有電極制造簡單、非接觸、電極與工件間無宏觀作用力、與材料硬度及強度無關(guān)、可控性好等優(yōu)點，被認為是一種極有效的微細加工技術(shù)，特別適用于機械切削加工難以勝任的高硬度、高強度、高熔點、高韌性、高脆性金屬材料的加工。但微細電火花加工效率低，也在很大程度上制約了其應(yīng)用領(lǐng)域及實用化。近年來，隨著航空、國防、MEMS、通信、醫(yī)療等高科技的發(fā)展，人們對微細元件的需求越來越大，對微細電火花加工的需求也日益提高，因此，人們對于提高微細電火花加工效率的要求也日益迫切。

在微細電火花加工中，由于加工尺度的減小，導(dǎo)致放電面積非常小，放電點的分布范圍也十分有限，使放電點易在時間和空間上發(fā)生放電集中，增加了放電過程的不穩(wěn)定因素，降低了火花放電的蝕除率，這就是所謂的電火花加工的面積效應(yīng)。另外，由于放電能量小，爆炸力弱，且電極和工件間的放電間隙非常狹?。ㄒ话阈∮趲讉€微米），這導(dǎo)致工作液循環(huán)困難，放電屑和工作液熱分解產(chǎn)生的碳不易被排出，極易堆積在放電間隙中，從而導(dǎo)致短路現(xiàn)象非常頻繁。由此可見，在微細電火花加工中，提高加工效率的前提是必須保證穩(wěn)定的極間放電狀態(tài)。

電火花加工中的電蝕產(chǎn)物能否從極間有效排出是影響放電穩(wěn)定性的重要因素［1］。國外學(xué)者認為，理論上電火花加工的放電蝕除速度存在大幅提高的可能性，現(xiàn)實中電火花加工效率低的關(guān)鍵原因就在于放電屑在極間的堆積和放電集中，從而導(dǎo)致放電狀態(tài)的不穩(wěn)定［2］。目前在微細電火花加工中普遍采用電極旋轉(zhuǎn)方式來改善極間放電狀態(tài)。電極旋轉(zhuǎn)能促進排屑和極間的冷卻，可抑制短路、放電集中和異常拉弧放電的發(fā)生，進而可提高加工速度。由于目前電火花加工普遍采用電刷進行接觸式給電，所以采用的電極旋轉(zhuǎn)速度被限制在數(shù)百轉(zhuǎn)/分到數(shù)千轉(zhuǎn)/分，雖然相比電極不旋轉(zhuǎn)時的放電狀態(tài)得到了改善，但總的看來，該轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)的電極旋轉(zhuǎn)對微細電火花加工放電狀態(tài)的改善還是有限的［3］。這是因為在微小電極的情況下，數(shù)百轉(zhuǎn)/分到數(shù)千轉(zhuǎn)/分的電極轉(zhuǎn)速還不足以產(chǎn)生足夠大的電極與工件之間的相對圓周運動線速度，因此不能達到對放電狀態(tài)更明顯的改善效果。

基于靜電感應(yīng)原理的脈沖電源采用了與當前電火花加工完全不同的給電方式［4-6］，它在脈沖電源與工具電極之間增加了一個給電電極，通過電容耦合以非接觸的方式給工具電極供電，由于在主軸上沒有接觸點和作用力，因此很容易地實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)主軸的供電。研究表明，在微細孔加工實驗中，當主軸轉(zhuǎn)速達到50 000 r/min時，加工速度明顯提高，表面粗糙度和電極損耗也得到有效改善［7］。為進一步明確主軸轉(zhuǎn)速對微細電火花加工特性的影響，本文分別在圓柱電極和削邊電極的情況下，通過實驗研究了主軸轉(zhuǎn)速對材料去除率及電極損耗的影響。

1　非接觸給電微細電火花加工原理及放電狀態(tài)的非接觸檢測原理

基于非接觸給電的微細電火花加工原理及放電狀態(tài)的非接觸檢測原理見圖1a。脈沖電源與給電電極、工具電極、工件進行串聯(lián)，給電電極和非接觸測量電極采用與電極保持器相對套接的金屬圓筒，通過電容耦合實現(xiàn)對工具電極的非接觸給電及對極間電壓信號的非接觸測量，其中工具電極由電極保持器、陶瓷導(dǎo)向器及電極組成。放電能量由給電電極與電極保持器之間形成的給電電容C1和電極與工件之間形成的極間電容C2決定，且C2可通過調(diào)整給電電極金屬圓筒的軸向長度而改變，進而可調(diào)節(jié)放電能量；C3為測量電極與工具電極保持器之間形成的電容；CM為測量電極與工件之間形成的測量電容。

圖1b是非接觸給電微細電火花加工的等效放電回路。在一個脈沖周期內(nèi)，極間C2開路電壓為交替出現(xiàn)正脈沖和負脈沖，所以該加工方法為雙極性加工。

圖1c是非接觸測量等效回路。V1為給電電極與電極保持器之間的電壓；V2為電極與工件之間的極間電壓；V3為測量電極與電極保持器之間的電壓；VM為測量電極與工件之間的電壓。根據(jù)電容分壓原理，VM與V2成線性關(guān)系，且VM能反映出V2的變化規(guī)律。

圖1　非接觸給電微細電火花加工原理與放電狀態(tài)檢測原理及其等效回路

圖2是在主軸不旋轉(zhuǎn)及不同極間開路電壓情況下測量的電壓波形。其中，通道1為利用通常的接觸測量方式測量的極間開路電壓波形，通道2為利用非接觸測量方式測得的極間開路電壓波形。當V2為±80 V時，VM為±10 V；當V2降為±45 V時，VM降為±6 V。因此，通過非接觸測量測得的極間電壓VM能反映出真實的極間電壓V2的變化規(guī)律，利用該非接觸測量方法可實現(xiàn)對非接觸給電的微細電火花加工的伺服控制。

2　主軸轉(zhuǎn)速對微細電火花加工特性的影響

2.1圓柱電極

2.1.1主軸轉(zhuǎn)速對材料去除率的影響

為了研究電火花加工中主軸轉(zhuǎn)速對材料去除率的影響，進行了微細孔加工的實驗研究。首先通過塊電極磨削加工得到直徑78 μm的圓柱電極，然后在90 μm厚的不銹鋼塞尺上進行伺服控制條件下的孔加工實驗。實驗條件見表1。其中，給電電容C可通過式（1）估算得到：

式中：L為給電電極長度；D1為給電電極內(nèi)徑；D2為電極保持器外徑；ε為空氣介電常數(shù)。

圖2　接觸式測量極間開路電壓與非接觸式測量極間開路電壓的波形圖

表1　實驗條件

為了確保實驗數(shù)據(jù)的可靠性，每組實驗都進行5次取平均值。電極在加工孔之后，其端部會因損耗而形成一定的錐度，故在每次孔加工之前需先將錐度部分用放電方法去除。圖3是不同主軸轉(zhuǎn)速下的伺服進給速度與材料去除率的關(guān)系?？煽闯?，在任一轉(zhuǎn)速下，隨著伺服進給速度的提高，材料去除率均逐漸增大到最大值，然后又逐漸減小。這是由于當伺服進給速度較慢時，電極的進給速度低于材料的蝕除速度，處于欠進給加工狀態(tài)，所以材料去除率呈增大趨勢；當伺服進給速度提高到一定程度后，電極的進給速度高于材料的蝕除速度，處于過進給加工狀態(tài)，這時由于出現(xiàn)過多的短路回退等現(xiàn)象而使材料去除率降低。從圖3可發(fā)現(xiàn)，當主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min時，伺服進給速度提高到4.5 μm/s后，材料去除率就開始降低；而在另外幾檔主軸轉(zhuǎn)速條件下，最大材料去除率所對應(yīng)的伺服進給速度均為6 μm/s。

圖3　伺服進給速度與材料去除率的關(guān)系

選取不同主軸轉(zhuǎn)速條件下所得的最大材料去除率，建立主軸轉(zhuǎn)速與材料去除率之間的關(guān)系曲線。由圖4可看出，隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高，最大材料去除率逐漸增大；當主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的最大材料去除率是轉(zhuǎn)速為1000 r/min時的4倍。這可認為是主軸高速旋轉(zhuǎn)能改善工作液流動狀態(tài)，促進排屑和極間的冷卻，從而可抑制短路、放電集中和異常拉弧放電現(xiàn)象，提高電火花加工的穩(wěn)定性。

圖4　主軸轉(zhuǎn)速與最大材料去除率的關(guān)系

2.1.2主軸轉(zhuǎn)速對電極損耗的影響

通過塊電極磨削加工得到直徑207 μm的圓柱電極，并在90 μm厚的不銹鋼塞尺上進行伺服控制條件下的孔加工實驗，伺服進給速度選取3 μm/s，其他實驗條件同表1。

主軸轉(zhuǎn)速對電極損耗的影響實驗分別研究了1000、60 000 r/min兩種主軸轉(zhuǎn)速下的電極相對損耗情況，每組實驗進行4次，通過求取平均值計算電極相對損耗率。圖5是電極端部損耗的CCD照片。可看出，主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的電極端部圓角損耗相對轉(zhuǎn)速為1000 r/min時有所改善。

圖5　加工后的電極端部形貌

圖6是計算得到的兩種主軸轉(zhuǎn)速下的電極相對損耗率（電極損耗體積與工件蝕除體積之比）。可見，主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的電極相對損耗率比轉(zhuǎn)速為1000 r/min時低8%左右。這可認為是由于電極的高轉(zhuǎn)速使電極表面的放電點更分散，從而抑制了電極表面溫升，有利于降低電極損耗。

圖6　不同轉(zhuǎn)速下的電極相對損耗率

2.2削邊電極

在微細電火花加工中使用削邊電極，由于削邊給加工屑的排出和工作液流動提供了空間，不僅有利于加工產(chǎn)物的排出，而且利于工作液進入加工區(qū)域，對冷卻放電區(qū)也十分有利。在主軸高轉(zhuǎn)速情況下，相對于圓柱電極，削邊電極對工作液帶來的擾動作用更明顯，更有利于放電屑的排出。為此，本文對削邊電極情況下主軸轉(zhuǎn)速對微細電火花加工的材料去除率和電極損耗的影響進行了實驗研究。

2.2.1主軸轉(zhuǎn)速對材料去除率的影響

利用電加工方法得到的微細削邊電極形貌見圖7a。削邊電極直徑為162 μm，對稱削邊后的電極橫截面寬度為124 μm（圖7c）。通過對削邊電極在主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時測得的CCD照片可看出，電極高速旋轉(zhuǎn)時的削邊部分輪廓線與未削邊圓柱部分輪廓線基本重合（圖7b），說明削邊電極在主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時未發(fā)生偏擺。圖7d是削邊電極在主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時加工的孔，孔徑為167 μm，僅比電極直徑大5 μm，進一步說明該裝置在主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時未發(fā)生偏擺。

圖7　削邊電極及其加工的孔

在表1所示條件下，分別采用直徑162 μm的圓柱電極和削邊電極進行孔加工實驗，伺服進給速度為3 μm/s。圖8是不同主軸轉(zhuǎn)速下的材料去除率對比結(jié)果?？煽闯?，在相同的主軸轉(zhuǎn)速條件下，削邊電極的材料去除率比圓柱電極更高，且2種電極的材料去除率都隨著主軸轉(zhuǎn)速的提高而增大。同時，提高主軸轉(zhuǎn)速對削邊電極材料去除率的增加作用更明顯。當主軸轉(zhuǎn)速同為1000 r/min時，削邊電極的材料去除率比圓柱電極增加了約1900 μm3/s；而當主軸轉(zhuǎn)速同為60 000 r/min時，削邊電極的材料去除率比圓柱電極增加了近4700 μm3/s。這是由于采用削邊電極時，主軸轉(zhuǎn)速的提高更利于通過促進工作液流動來促進排屑和極間的冷卻，從而能在更大程度上抑制短路、放電集中和異常拉弧放電現(xiàn)象，提高電火花加工的穩(wěn)定性。

圖8　圓柱電極與削邊電極在不同主軸轉(zhuǎn)速下的材料去除率對比

2.2.2主軸轉(zhuǎn)速對電極損耗的影響

為了研究削邊電極情況下主軸轉(zhuǎn)速對電極損耗的影響，采用如圖7a所示的削邊電極在表1所示條件下進行微細孔加工實驗，并與直徑162 μm的圓柱電極進行對比實驗，對比研究了兩種電極分別在1000、60 000 r/min兩種主軸轉(zhuǎn)速下的電極相對損耗情況，伺服進給速度均為3 μm/s。

從圖9可看出，在同一主軸轉(zhuǎn)速下，削邊電極的電極相對損耗小于圓柱電極；且在采用削邊電極的情況下，提高主軸轉(zhuǎn)速對于降低電極損耗的效果更明顯。當主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min時，削邊電極的相對損耗率相比于圓柱電極降低了6%；而當主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時，削邊電極的相對損耗率比圓柱電極降低了9%；采用削邊電極且主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的電極相對損耗率約為采用圓柱電極且主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min時的一半。該結(jié)果說明采用高轉(zhuǎn)速的削邊電極能進一步降低電極相對損耗率。這是因為高轉(zhuǎn)速加上電極進行削邊處理后，能進一步提高極間間隙工作液的流動性，因此能更有效地降低電極表面溫升，從而降低電極損耗。

圖9　圓柱電極與削邊電極在不同主軸轉(zhuǎn)速下的電極相對損耗對比

3　結(jié)論

（1）在微細孔加工中，無論是采用圓柱電極還是削邊電極，主軸轉(zhuǎn)速的提高都能使材料去除率增大，同時降低電極損耗；與圓柱電極相比，采用削邊電極并提高主軸轉(zhuǎn)速，對于增大材料去除率和減小電極損耗的效果更明顯。

（2）采用圓柱電極時，主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的最大材料去除率是主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min時的4倍；采用削邊電極、主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的材料去除率是采用圓柱電極、轉(zhuǎn)速為1000 r/min時的5倍。

（3）采用削邊電極且主軸轉(zhuǎn)速為60 000 r/min時的電極相對損耗比采用圓柱電極且主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min時降低了近一半。

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Study on the Machining Characteristics of Micro EDM Based on High Spindle Speed with Non-Contact Electric Feeding Method

Feng Guanglei，Yang Xiaodong
（School of Mechatronics Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150001，China）

The influence of spindle speed on the material removal rate and the tool wear under the condition of the cylindrical electrode and the cutting edge electrode was investigated，which is based on the realization of non-contact electrical micro EDM.Regardless of cylindrical electrode and the cutting edge electrode，under the same machining conditions，the experimental results showed that material removal rate can be improved，and that tool wear rate can be lowered with the increase of the spindle speed.Moreover the material removal rate and tool wear rate are improved more obvious with the increase of the spindle speed in the case of the cutting edge electrode.

micro EDM；non-contact electric feeding；high spindle speed；material removal rate；tool wear

TG661

A

1009－279X（2016）04－0007-05

2016-01-11

國家自然科學(xué)基金資助項目（51175121）；黑龍江省自然科學(xué)基金重點資助項目（ZD2015009）

馮光磊，男，1986年生，博士研究生。