電極絲隨動放電切槽技術試驗研究

袁偉然，張勇斌，李建原，荊 奇，胡 波

（ 中國工程物理研究院機械制造工藝研究所，四川綿陽 621900 ）

微細電火花線切割加工 （micro wire electrical discharge maching，micro-WEDM） 采用移動線狀電極絲取代微細電火花加工中的仿形電極，利用兩極間脈沖火花放電產生密度極高的熱能，造成金屬局部受熱熔化、氣化拋出形成放電凹坑，達到蝕除材料、成形工件形狀的目的。WEDM 無宏觀切削力、單脈沖能量小、單次蝕除量小、熱影響區(qū)小，可實現(xiàn)脆硬性難加工材料的精密微細加工， 在模具加工、復雜零件加工等方面起著不可替代的作用[1]。

圖1 是電火花線切割加工示意圖，理論上兩導輪間電極絲的形狀為直線， 然而由于電極絲剛性低，受重力、放電力、電磁力、靜電力、流體沖刷與阻尼效應的影響，會產生撓曲變形和受迫振動，因此實際運動軌跡非常復雜。 電極絲作為微細電火花線切割加工的工具電極直接參與火花放電，電極絲在運動過程中的振動必然導致加工表面質量與加工精度下降。 對于WEDM 中電極絲的運動，許多學者根據(jù)經典弦振動理論建立了電極絲運動弦振動方程[2-6]，當加工工件厚度越大，電極絲自由振動頻率越小，越易受外界振源影響而發(fā)生共振，電極絲振動幅度也越大，其中電極絲最大撓曲變形量可達幾十到數(shù)百微米[3]。

圖1 WEDM 加工示意圖

陳志[4]在經典弦線振動方程的基礎上耦合溫度場和電磁場，建立連續(xù)脈沖放電電極絲振動多物理場耦合模型，并定量求得脈沖放電力與電極絲中點的橫向振幅。 從電極絲振動的方向來分析，不僅有沿電極絲軸向方向上的縱向振動，還有垂直于電極絲軸向平面上的橫向振動[5-6]。 圖2 是電極絲振動的示意，可見工件切縫寬度b 的影響因素主要包括電極絲直徑d、放電擊穿距離δ 和電極絲橫向振幅y[2]，即b=d+2δ+2y， 電極絲橫向振動的振幅直接影響線切割的加工精度[7]。 當切割工件的厚度越大，線切割絲跨度越大，振動效應越明顯，電極絲的振幅中間大、兩端小，因此加工效果呈現(xiàn)腰鼓形[8]，且加工特征長度越長，微槽寬度的尺寸偏差越大。 基于此，為了抑制WEDM 加工時電極絲的振動， 本文探索出一種新的微細電火花線切割加工方式——電極絲隨動放電切槽（wire servo discharge grooving，WSDG）技術。

圖2 振動影響示意圖

1 電極絲隨動放電切槽技術簡介

1.1 WSDG 技術原理與裝置

如圖3 所示，在傳統(tǒng)線切割設備兩導輪之間增加一個支撐（頂絲頭），頂絲頭有左中右三個支臂，左右兩個支臂的特定位置開有與電極絲直徑相匹配的導向孔，中間支臂的底部圓弧面有與電極絲直徑相匹配的導絲槽，使電極絲部分嵌入，然后調節(jié)阻尼輪使電極絲張緊，在張力的作用下，導向孔和導絲槽將對電極絲施加徑向約束， 從而抑制電極絲的橫向受迫振動。 加工時通過頂絲頭支撐電極絲，電極絲隨動放電蝕除工件進行成形加工， 電極絲運動彌補電極損耗，通過頂絲頭和工件的相對運動實現(xiàn)跨尺度的細長微槽精密加工。

圖3 電極絲隨動放電切槽技術原理示意圖

圖4 是WSDG 實際加工時的狀態(tài)， 電極絲得到了支撐，振動得到良好抑制。 商品化的電極絲種類多樣、尺寸精度高，因此該法可控制加工橫截面的形狀與精度，隨動切槽使槽寬不受槽長影響，槽寬一致性好、成形精度高，加工效率更高。

圖4 電極絲隨動放電切槽技術實際加工圖

如圖5 所示，設計了一套裝置以便在機床上使用電極絲隨動放電切槽技術， 該裝置主要由儲絲輪、阻尼輪、調節(jié)輪、頂絲頭、導向輪及收絲輪等組成。 整個裝置可由頂部的軸直接裝夾在雙主軸三工位微細組合電加工機床上，通過機床按預設程序運動，該機床裝備有高頻窄脈寬微能脈沖電源，可滿足微細電火花線切割加工使用，運動平臺定位精度為±1.0 μm，主軸最大轉速為150 000 r/min，直線軸最小步距為0.1 μm，回轉精度<1 μm，工件加工范圍為 200 mm×200 mm×100 mm。

圖5 電極絲隨動放電切槽技術裝置

1.2 WSDG 技術誤差分析

由于電參數(shù)不變時放電間隙固定且小到可忽略，成形槽的特征可以通過槽寬與槽深來衡量。 顯然，槽寬大小與電極絲直徑、工作段長度及電極絲與機床X 軸的夾角有關，而等效電極絲直徑與切深有關。 圖 6 是電極絲與機床X 軸不平行時的示意，假設電極絲直徑為d，等效電極絲直徑為d′，工作段在機床XOY 面的投影長度為l，其與機床X 軸的夾角為α，切深為h，槽寬為k，則槽寬誤差為Δ=k-d。根據(jù)幾何關系可知：

圖6 電極絲與機床X 軸不平行示意圖

假設選用直徑100 μm 的電極絲， 投影長度等于頂絲頭底部加工導絲槽的長度，約為360 μm，計算得 Δ=373.63×sin（15.524+α）-100。 圖 7 是上式 Δ的正弦曲線，當 Δ=5 μm 時，α=0.8°，即為了滿足電子注通道的尺寸精度5 μm，工作段電極絲與機床X軸的夾角不能超過0.8°。

（2）當 h＜d/2 時，由圖 8 的幾何關系可得知 d′=則：

圖7 夾角導致的槽寬誤差

圖8 切深與等效電極絲直徑的關系

假設 α=0°，l=360 μm 時，則：

通過以上兩種情況的推導與作圖，可得到切深和電極絲直徑對槽寬的影響，見圖9。

圖9 槽寬與切深、電極絲直徑的關系

2 試驗與結果分析

2.1 WEDM 切槽試驗設計

使用ALN 400 型精密單向走絲電火花線切割機床，電極絲為直徑100μm 的黃銅絲，分別經過兩刀粗修和兩刀精修在槽長10、40、70 mm 的紫銅工件表面上切割四道通槽，切深為50 μm，所切通槽見圖10。 然后在槽的左、中、右分別選取1 個測量段，每個測量段測量3 個槽寬數(shù)據(jù)，共9 個數(shù)據(jù)取均值，測量結果見表 1。

表1 槽寬測量值

圖10 WEDM 加工的通槽

總體而言，WEDM 加工的槽寬均遠大于電極絲直徑， 這表明在加工過程中電極絲振動區(qū)域較大；槽長40 mm 時槽寬超差分布在72.50~78.17 μm，略大于槽長10 mm 的槽寬超差分布， 但遠小于槽長70 mm 的槽寬超差分布， 這表明在一定加工長度內，WEDM 機床電極絲振動區(qū)域基本相同， 但超過一定長度，槽寬將隨著槽長的增加而增大。 將同一槽長下的四道槽在左中右三段匯總計算平均值，得到的結果見表2， 可見中間段的槽寬均值大于左右兩段，槽寬一致性差，整體呈現(xiàn)兩頭窄、中間寬的腰鼓形。

表2 不同槽長下不同位置的槽寬均值

2.2 WSDG 試驗與結果

圖11 是選用直徑1 mm 的純鎢圓柱形棒料，利用塊電極反拷法制作的工具電極，經光學顯微鏡測量可知，電極直徑分布在80.63~82.57 μm，長度約為1500 μm，然后將工具電極在頂絲頭的底部圓弧面加工導絲槽，程序設定槽深30 μm，測得槽長約360 μm，對裝上直徑100 μm 鉬絲的頂絲頭進行觀測， 發(fā)現(xiàn)電極絲凸出頂絲頭的長度約為65 μm，槽長和槽深見圖12。 通過走絲試驗發(fā)現(xiàn)，導絲槽對電極絲有良好的約束效果，可明顯抑制電極絲振動。

圖11 塊電極反拷法制作的工具電極

圖12 頂絲頭的微型通槽

然后安裝走絲隨動放電切槽裝置和工件，采用打表法調整工件的裝夾精度。 如圖13 所示，通過背面E、F 兩點打表調整工件與機床X 軸的平行度，通過頂面A、B、C、D 四點打表調整工件上表面與機床XOY 面的平行度，使讀數(shù)誤差小于2 μm。

圖13 工件裝夾精度調整示意圖

為了盡量消除電極絲與機床X 軸的夾角對加工的影響，在工件調整好以后，利用機床的放電感知功能進行調整。 如圖14 所示，通過頂絲頭左右兩端的電極絲分別測量工件正面的左上角和右上角，根據(jù)坐標值計算出左右兩段電極絲之間的夾角，然后使主軸轉動相應角度補償電極絲的傾斜，直至兩坐標值偏差小于2 μm。

圖14 放電感知示意

在正式加工之前，就切深、有無電容對成形槽特征的影響進行了單因素試驗，試驗條件為：加工電壓 87 V、 脈沖寬度 300 ns、 脈沖間隔 1000 ns、X向進給速度0.1 mm/s，Z 向進給速度0.01 mm/s，使用直徑100 μm 的鉬絲切槽， 驗證不同切深情況的槽寬，結果見表3。 可見，WEDM 加工的特征較為明顯，左中右三段槽寬較為接近，尺寸一致性好，表明此方法能較好地抑制電極絲振動。

表3 不同切深的槽寬

然后分別針對無電容、有電容兩種情況，對重鑄產物、成形槽寬及表面粗糙度的影響進行了試驗分析，在加工電壓87 V、脈沖寬度300 ns、脈沖間隔1000 ns、切深50 μm、工件正極性的電參數(shù)下，使用直徑100 μm 的鉬絲分別加工兩道槽， 得到的結果見圖15?？梢?，相較于有電容加工，無電容加工時由于放電能量更低， 其加工的電蝕產物數(shù)量更少、顆粒更小，槽寬與電極絲直徑更為接近，表面粗糙度更好，故后續(xù)加工可考慮去掉電容。

圖15 有無電容的WSDG 加工結果

確定正式加工參數(shù)為：加工電壓87 V、脈沖寬度 300 ns、脈沖間隔 1000 ns、切深 48 μm、X 向進給速度 0.1 mm/s、Z 向進給速度 0.01 mm/s、 工件正極性、無電容、鉬絲直徑 100 μm（實測 101.33 μm）、絲速14 mm/s、頂絲頭切削方向與走絲方向相反，在長度70 mm 的紫銅塊上加工4 道通槽，并用光學顯微鏡對左中右三段分別觀測，得到的結果見圖16。 如圖 16a、c、e 所示，在最小倍率 100 時，工件整體存在鋒利邊緣，未見明顯缺陷；如圖 16b、d、f 所示，在倍率300 時，工件重鑄產物數(shù)量少、顆粒小，左段槽寬分布在 99.13~99.52 μm、尺寸極限公差為0.39 μm，中段槽寬分布在99.39~99.92 μm、尺寸極限公差為0.53 μm，右段分布在 98.58~100.83 μm、尺寸極限公差為 2.25 μm；如圖 16g、h 所示，用三點擬合圓的方法測量圓度， 可見左右端面呈標準的半圓形，具有較高的圓度，形狀精度測得左端面直徑為99.98~100.57 μm、右端面直徑為 99.08~100.83 μm。 整體上，左中右三段槽寬較為均勻，整體尺寸極限公差為2.25 μm， 表明該方法成形槽寬尺寸不受槽長影響，具有解決跨尺度加工難題的潛力。 然后使用白光干涉儀對槽底的表面粗糙度進行測量，三段槽的表 面 粗 糙 度 依 次 為 Ra0.031 μm、Ra0.039 μm、Ra0.056 μm。

圖16 通槽加工結果

3 結束語

本文針對精密微細電火花線切割的振動問題，通過試驗驗證了加工長槽時呈現(xiàn)兩頭小、中間大的腰鼓變形的原因。 為了抑制電極絲的振動，提出了一種全新的電極絲隨動放電切槽技術，搭建試驗平臺制備了四道長度70 mm、 直徑100 μm 的半圓截面長通道，尺寸極限公差小于3 μm，表面粗糙度優(yōu)于Ra100 nm。相比WEDM 加工而言，WSDG 加工時電極絲的振動得到了良好抑制，具有更好的動態(tài)穩(wěn)定性，這將減少短路、提高加工效率，使成形槽寬更接近于電極絲直徑， 且成形槽寬不受特征長度影響，具有解決類似跨尺度特征加工難的潛力，為特征尺寸小、尺寸精度高、定位精度高、一致性要求高的電子注通道、微流道等工件的跨尺度加工提供了一種可行方案。