異形噴絲孔電火花加工編程原點與電極回轉(zhuǎn)中心的自動補償

葉秋琴，譚海林，倪敏敏，陸曉華

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇 蘇州 215011）

噴絲板是化纖生產(chǎn)過程中的關(guān)鍵部件，其上的噴絲孔的形狀、精度及表面粗糙度對化纖的性能和質(zhì)量起著決定作用。隨著民用與軍用對化纖紡織品的光澤度、保暖性、透氣性、堅固度、輕量化等需求不斷提升，三角截面纖維、中空異形纖維、五角形截面纖維、多葉形截面纖維、Y型截面纖維、雙十字截面纖維、扁平截面纖維等各種異形化纖絲相繼問世，生產(chǎn)這類新型異形化纖絲的噴絲板需具有尺寸微細、形狀特異、精度高且孔表面粗糙度值低的異形噴絲孔（圖1），這就對異形噴絲孔的制造質(zhì)量提出了新的要求。

圖1 各種異形噴絲孔

目前，數(shù)控精密電火花噴絲板加工機床是完成這類異形噴絲孔的主要加工設(shè)備。該設(shè)備既可采用整體電極一次放電加工成形，也可采用簡單電極，通過機床數(shù)控軸的位移、旋轉(zhuǎn)等運動進行分步放電加工來完成單個異型噴絲孔的加工。一次放電加工工藝的效率、精度及孔的一致性相對較高，但電極的精度要求高、制作難度大且周期長，且一種電極只適合加工一種孔型，電極成本極大；分步放電加工工藝對電極的要求大大降低，只需機床的精度及數(shù)控系統(tǒng)滿足要求，便可實現(xiàn)多規(guī)格、多品種的孔的批量加工。

20世紀80年代，蘇州電加工機床研究所就提出采用扁電極絲加工異型噴絲孔的工藝方法，并研制了相應(yīng)的設(shè)備，在我國化纖噴絲板制造行業(yè)得到了較好的應(yīng)用。近年來，又在自主研制的數(shù)控精密電火花微孔加工機床上，采用“一”字形精密扁電極絲進行高精度拼花異形噴絲孔的加工研究，解決了由于編程原點與電極回轉(zhuǎn)中心發(fā)生偏離而導(dǎo)致“散花”的關(guān)鍵技術(shù)問題，滿足了大多數(shù)異形噴絲孔的拼花精度需求。

1 “一”字形扁電極異形噴絲孔加工原理

采用“一”字形扁電極對化纖拼花異形噴絲孔進行電火花加工的關(guān)鍵部件包括“一”字形扁電極、精密導(dǎo)向器、旋轉(zhuǎn)分度軸（C）及數(shù)控軸（X、Y）。 如圖2所示，“一”字形扁電極安裝在自行研發(fā)的四矩形寶石錯位組合的微細電極精密導(dǎo)向器內(nèi)，為便于編程，將扁電極的一端定義為電極回轉(zhuǎn)中心O′，同時定義其與導(dǎo)向器中心O重合，該點即為編程原點?！耙弧弊中伪怆姌O由一對同步滾輪送入導(dǎo)向器，同步滾輪和導(dǎo)向器安裝在C軸的正下方，理想狀態(tài)下，O、O′均與 C 軸旋轉(zhuǎn)軸線重合（圖 3）。

圖2 電極安裝在導(dǎo)向器內(nèi)的截面示意圖

圖3 旋轉(zhuǎn)分度機構(gòu)（C軸）示意圖

任何一個復(fù)雜的異形噴絲孔都可視為由 “一”字形孔通過C軸旋轉(zhuǎn)分度及X、Y軸平移組合而成的圖形，該圖形可通過對“一”字孔形進行數(shù)控編程實現(xiàn)。以“Y”形孔為例，可由三個“一”字形孔組成，其交點為“Y”形孔的中心，實際加工時可將其定義為編程原點。

2 電極回轉(zhuǎn)中心偏離編程原點的問題分析

利用電火花噴絲板加工機床加工異形噴絲孔時，由于受到機械加工、裝配等因素的影響，O′往往會偏離編程原點。以“Y”形孔為例，加工過程中隨著扁電極的偏移，導(dǎo)致O′形成一個圓形的偏離軌跡（圖4），從而導(dǎo)致“散花”，致使化纖織品染色不均而變成次品。如果通過人工調(diào)整編程原點與O′的重合度，則精度差、隨機性大，且費時費力，工作效率低。

圖4 電極回轉(zhuǎn)中心偏離編程原點示意圖

經(jīng)過分析可知，通過三角函數(shù)運算并由計算機控制坐標工作臺平移和電極（C軸）旋轉(zhuǎn)，可彌補O′與編程原點偏離的實際偏差。在所需加工的孔位中心建立X-Y直角坐標系，以“Y”形槽為例，理想的加工情況見圖5，即加工任意時刻O′均處于X-Y直角坐標系的原點（O）。由圖4所示的非理想加工情況可知，如果能計算出加工過程中任意時刻的O′在X-Y直角坐標系中的位置，并通過計算機控制工作臺將O點分別平移至每個扁槽孔中心的下方，然后放電加工各個扁槽孔，就能補償O′與編程原點偏離的實際偏差，進而加工出理想的孔形。

圖5 電極回轉(zhuǎn)中心與編程原點重合示意圖

3 電極回轉(zhuǎn)中心偏離編程原點的問題求解

由圖6可知，當“一”字形扁電極的橫截面與X軸平行時，其夾角分別為0°和180°，在這兩個位置分別加工兩個槽孔。假設(shè)，夾角為0°和180°時的電極回轉(zhuǎn)中心分別為A和B，連接A、B兩點，則線段AB的中點就是所要建立的直角坐標系原點（O）。設(shè)A 點坐標為（xA，yA），B點坐標為（xB，yB），隨著加工的進行，電極回轉(zhuǎn)中心的軌跡就是以O(shè)點為圓心、AB為直徑的圓，用顯微鏡可測得Δx和Δy。

當“一”字形扁電極橫截面與X軸正向平行（夾角為0°）時，將工作臺沿X、Y軸方向分別移動Δx/2和Δy/2（可視為坐標系的移動），電極回轉(zhuǎn)中心即可與坐標系原點重合，此時能加工出一個扁槽；同理，當“一”字形扁電極橫截面與X軸反向平行（夾角為180°）時，將工作臺沿X、Y軸方向分別移動-Δx/2和-Δy/2，電極回轉(zhuǎn)中心又可與坐標系原點重合，此時能加工出另一個扁槽。上述兩個扁槽可組合成為一條平行于X軸且關(guān)于Y軸對稱的、尺寸二倍于扁電極長度的扁槽。

圖6 “一”字形扁電極橫截面與X軸平行時加工的槽孔位置

將上述理論推廣到扁電極處于任意角度時，建立相同的直角坐標系。如圖7所示，當“一”字形扁電極橫截面與X軸正向平行（夾角為0°）時，電極回轉(zhuǎn)中心為A，設(shè)∠AOX為α，電極回轉(zhuǎn)中心圍繞坐標系原點發(fā)生偏移的軌跡圓半徑為R，即線段AO、BO，當扁電極沿著軌跡圓偏移θ角度后，電極回轉(zhuǎn)中心變?yōu)锽，此時與X軸的夾角為β。

圖7 “一”字形扁電極在任意角度時加工的槽孔位置

因此，電極偏移任意θ角度后的工作臺平移距離dx、dy的求解過程為：

另一種求解過程為：

即：

綜上，只需將初值Δx和Δy輸入計算機系統(tǒng)，并根據(jù)上述求解公式計算及控制工作臺（X、Y）的移動，使電極回轉(zhuǎn)中心與編程原點重合，從而達到應(yīng)有的加工精度。

4 實際加工效果

采用自行研制的數(shù)控精密電火花噴絲板加工機床，其數(shù)控系統(tǒng)采取了上述自動補償算法，有效解決了電極回轉(zhuǎn)中心與編程原點的重合度問題，實現(xiàn)了噴絲板異形噴絲孔的精密加工（圖8）。

圖8 異形噴絲孔的噴絲板加工零件圖

針對高檔噴絲板的高精度異形噴絲孔加工特點，主機X、Y、C軸均采用全閉環(huán)控制，同時進行激光測量誤差補償，滿足了異形噴絲孔加工時在XY平面極高的定位精度和C軸的高定位精度與重復(fù)定位精度，異形噴絲孔的拼花精度可達0.006 mm，且實際使用效果良好。

5 結(jié)束語

電火花噴絲板加工機床的電極實際回轉(zhuǎn)中心會偏離編程原點，通過顯微鏡很容易測得其偏離值。通過采用簡單的“一”字形扁電極加工異形噴絲孔及電極回轉(zhuǎn)中心與編程原點的自動補償算法，可滿足異形噴絲孔精密加工的需求。