微細(xì)電火花銑削電極運(yùn)動(dòng)軌跡加工工藝實(shí)驗(yàn)

榮天愛(ài)，朱 波，陳濟(jì)輪，張 昆，沈 巖，張萬(wàn)剛

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

微細(xì)電火花銑削電極運(yùn)動(dòng)軌跡加工工藝實(shí)驗(yàn)

榮天愛(ài)，朱 波，陳濟(jì)輪，張 昆，沈 巖，張萬(wàn)剛

（首都航天機(jī)械公司，北京 100076）

在微三維結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花銑削過(guò)程中，電極運(yùn)動(dòng)軌跡的規(guī)劃直接影響產(chǎn)品的加工效率和工具電極的損耗。針對(duì)鈦合金微三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行了不同銑削方式的加工工藝實(shí)驗(yàn)，選取了最佳電極運(yùn)動(dòng)軌跡，其加工時(shí)間和電極損耗均明顯低于其他銑削方式。

微三維結(jié)構(gòu)；微細(xì)電火花銑削；運(yùn)動(dòng)軌跡

傳統(tǒng)的電火花成形加工是利用成形工具電極對(duì)工件進(jìn)行“拷貝”加工，其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在復(fù)雜、不規(guī)則型腔及窄、微、薄結(jié)構(gòu)的加工上[1]。在微細(xì)電火花加工中，由于微細(xì)成形電極的形狀復(fù)雜而難以實(shí)現(xiàn)加工，同時(shí)電極損耗大，且產(chǎn)生的電極損耗難以實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償，而電火花銑削技術(shù)能很好地解決該難題。

電火花銑削加工是采用標(biāo)準(zhǔn)棒狀電極代替?zhèn)鹘y(tǒng)的金屬銑削刀具，工具電極按設(shè)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的電火花加工。即通過(guò)簡(jiǎn)單電極與工件之間不同相對(duì)位置的放電，借鑒數(shù)控銑削的方法進(jìn)行三維輪廓的電火花銑削加工[2]，很好地解決了成形加工中工具電極的損耗不均問(wèn)題，改善了加工間隙中工作液流場(chǎng)不穩(wěn)定的現(xiàn)象。相對(duì)于成形加工，其較小面積的加工狀態(tài)，可有效減小電容效應(yīng)，進(jìn)而獲得更好的加工質(zhì)量。

研究表明，實(shí)現(xiàn)分層電火花銑削必須遵從以下幾點(diǎn)：將放電過(guò)程局限在電極底面；合理的電極運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃；適當(dāng)?shù)碾姌O損耗軸向補(bǔ)償[2]。通過(guò)對(duì)橫截面上電極運(yùn)動(dòng)軌跡的合理規(guī)劃，使單加工層面獲得更好的加工精度和更快的加工效率。在以往的實(shí)驗(yàn)研究中，通常采用軌跡重疊、往復(fù)運(yùn)動(dòng)的簡(jiǎn)單軌跡運(yùn)動(dòng)方式。為此，本文開(kāi)展了不同銑削方式的加工工藝實(shí)驗(yàn)，分析電極運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)微細(xì)電火花銑削加工的影響規(guī)律，以選取最佳軌跡實(shí)現(xiàn)更好的加工效果。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及規(guī)劃

實(shí)驗(yàn)在MH30精密數(shù)控微細(xì)電火花加工機(jī)床上進(jìn)行，采用直徑0.2 mm的純鎢電極，工件為鈦合金材料，并加工成正六邊形結(jié)構(gòu)的窄槽試驗(yàn)樣件，試件模型及尺寸見(jiàn)圖1。加工深度為120 μm（考慮放電間隙1.5 μm），分為8層，每層加工深度設(shè)定為15 μm，程序執(zhí)行均為10次。

此外，實(shí)驗(yàn)采用相同的適配電參數(shù)條件，根據(jù)電極運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，進(jìn)行四種不同的銑削加工。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 銑削方式及NC軌跡生成

實(shí)驗(yàn)采用正向銑、反向銑、正反向銑、分層正反向交替銑等四種不同的銑削方式。

（1）正向銑

采用簡(jiǎn)單電極電火花正向銑方式，產(chǎn)品表面質(zhì)量較好，但銑削坡度及誤差較明顯。正向銑的軌跡規(guī)劃見(jiàn)圖2a，箭頭為切削方向。

（2）反向銑

采用簡(jiǎn)單電極電火花反向銑方式，產(chǎn)品表面質(zhì)量一般，且銑削坡度及誤差較明顯。反向銑的軌跡規(guī)劃見(jiàn)圖2b，箭頭為切削方向。

（3）正反向銑

將產(chǎn)品每一層切削軌跡按正反向銑結(jié)合的方式進(jìn)行電火花銑削，即上一圈正向、下一圈反向交替銑削，將上一圈正向銑的損耗用下一圈的反向銑進(jìn)行補(bǔ)償。通過(guò)正反向銑削方式進(jìn)行了樣件的加工試驗(yàn)，雖在一定程度上降低了電極損耗的影響，使產(chǎn)品表面蝕除量加大，但加工效果還有待提高。正反向銑的軌跡規(guī)劃見(jiàn)圖2c，箭頭為切削方向。

（4）分層正反向交替銑

分層正反向交替銑是指上一層正向銑、下一層反向銑，也是通過(guò)正反向交替的方式，但與上述正反向銑所不同的是，該方式以層為單位進(jìn)行垂直面上的軌跡規(guī)劃，而正反向銑是在同一水平面上進(jìn)行的正反向銑結(jié)合的軌跡規(guī)劃。

（5）NC軌跡生成

實(shí)驗(yàn)采用四種銑削方式，并通過(guò)UG CAM系統(tǒng)后置處理，生成了四種加工軌跡。為檢測(cè)加工過(guò)程中可能出現(xiàn)的問(wèn)題，對(duì)加工軌跡和三維實(shí)體進(jìn)行了模擬仿真，從模擬效果來(lái)看都可滿足實(shí)驗(yàn)要求。四種銑削方式的加工軌跡和三維實(shí)體模擬圖見(jiàn)圖3。

2.2 不同銑削方式對(duì)加工時(shí)間和電極損耗的影響

根據(jù)上述四種不同的銑削方式，進(jìn)行了六方形窄槽加工工藝實(shí)驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表1。

從圖4所示的影響規(guī)律中可看出，在電火花銑削加工過(guò)程中，加工時(shí)間和電極損耗都隨著加工的進(jìn)行先迅速減小，其中正反向銑的電極損耗持續(xù)減小，使層面上的電極運(yùn)動(dòng)軌跡內(nèi)外結(jié)合。此時(shí)，電極在上一層加工輪廓邊緣時(shí)的變鈍現(xiàn)象，可在層面下一層中心部位加工時(shí)予以消除，充分發(fā)揮了電極等損耗的作用，可獲得高精度的加工表面。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)采用微細(xì)電火花加工機(jī)床自帶的CCD檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)試件尺寸進(jìn)行測(cè)量，通過(guò)控制系統(tǒng)連接來(lái)控制工件的移動(dòng)，探測(cè)探頭光標(biāo)會(huì)記錄工件X、Y向的距離，以此達(dá)到尺寸測(cè)量的目的。不同銑削方式的CCD檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖5。

根據(jù)上述尺寸測(cè)量結(jié)果進(jìn)行電極損耗補(bǔ)償，尺寸數(shù)據(jù)對(duì)比見(jiàn)表2。

3 結(jié)論

在微三維結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花銑削加工過(guò)程中，通過(guò)橫截面上的電極運(yùn)動(dòng)軌跡規(guī)劃，選取不同的銑削方式，在其他加工條件相同的前提下，對(duì)加工時(shí)間、電極損耗及產(chǎn)品尺寸精度的影響規(guī)律進(jìn)行了加工工藝實(shí)驗(yàn)，得出如下結(jié)論：

（1）正反向銑的總體加工時(shí)間最短（75 min），電極損耗最少（889 mm）。

（2）不同銑削方式的試件尺寸精度都可滿足設(shè)計(jì)性能指標(biāo)要求，且正反向銑的尺寸誤差最小，為X方向0.3 μm、Y方向0.8 μm。

微三維結(jié)構(gòu)微細(xì)電火花銑削加工的影響因素很多，雖然采用電參數(shù)適配等常用技術(shù)手段能獲得一定的加工效果，但也可通過(guò)合理的電極軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)劃等新方法，為微細(xì)電火花銑削技術(shù)的發(fā)展提供新的方向。本文通過(guò)加工實(shí)例驗(yàn)證了微三維結(jié)構(gòu)電火花銑削技術(shù)中電極軌跡運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的重要性，為后續(xù)開(kāi)展其他航天產(chǎn)品（如微小渦輪等）的多軸聯(lián)動(dòng)微細(xì)電火花銑削技術(shù)提供了有力的技術(shù)保障。

[1] 郭潔民.電火花加工技術(shù)及問(wèn)答[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

[2] 王至堯.中國(guó)材料工程大典 [M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2006.

Processing Technology Experimental of Electrode Trajectory in Micro EDM Milling

RONG Tianai，ZHU Bo，CHEN Jilun，ZHANG Kun，SHEN Yan，ZHANG Wangang
（Capital Aerospace Machinery Company，Beijing 100076，China）

The planning of electrode trajectory directly affects the machining efficiency and the tool electrode wear during the micro EDM milling of micro 3D structure.Based on different milling technology experimental of titanium alloy micro 3D structure，the best electrode trajectory was selected，its machining efficiency and tool electrode wear were significantly lower than the other milling method.

micro 3D structure；micro EDM milling；trajectory

TG661

A

1009－279X（2017）01－0023-03

2016-10-10

榮天愛(ài)，女，1979年生，高級(jí)工程師。