基于磁力驅(qū)動器的微細(xì)電火花加工實驗研究*

徐程程，陳 麗，孫 鳳，徐方超，金俊杰，張曉友,2

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院,遼寧 沈陽 110870；2.日本工業(yè)大學(xué) 機械工學(xué)科，日本 埼玉 345-8501)

0 引言

電火花加工是一種去除材料的非接觸特種加工工藝，基于工件和電極之間的脈沖火花放電，產(chǎn)生瞬時的高溫，對浸沒在工作介質(zhì)中金屬工件的局部金屬材料進(jìn)行電腐蝕[1]。電火花加工具有能夠加工所有導(dǎo)電材料、不受限于材料的強度和硬度、可加工復(fù)雜模具材料等優(yōu)點[2]。

相比于銑削加工，傳統(tǒng)電火花加工效率較低。為提高電火花加工效率，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究，主要包括改善機床結(jié)構(gòu)[3]、電極旋轉(zhuǎn)或震動式加工[4]、改變工作液[5]和提高伺服系統(tǒng)響應(yīng)[6]等方法。在傳統(tǒng)電火花加工機床中，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由多個傳統(tǒng)電機加單自由度滾珠絲杠構(gòu)成，存在中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)多、系統(tǒng)響應(yīng)速度較慢、加工精度低、對極間放電信號響應(yīng)不及時等一系列問題，導(dǎo)致極間放電不穩(wěn)定、極間碎屑產(chǎn)物不易排出。

為了提高電火花加工的速度和精度，本文提出了一種將PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制進(jìn)行放電加工的方法。在電火花加工過程中，利用磁力驅(qū)動器提高對極間放電信號的響應(yīng)速度，在軸向帶動工具電極及時定位，提高有效放電概率，進(jìn)而提高電火花加工效率。

1 Micro-EDM磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 Micro-EDM磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

磁力驅(qū)動器與電火花加工機床的主軸連接，磁力驅(qū)動裝置主要由線圈部分、動子部分、定位彈片及外殼部分組成，如圖1所示，其中，線圈部分由6個并聯(lián)的銅線線圈組成；動子由電極、導(dǎo)磁環(huán)和兩個相對放置的永磁鐵組成；動子與外殼部分由上、下兩個定位彈片進(jìn)行連接，約束動子徑向(X、Y方向)的平動和轉(zhuǎn)動，并抵消動子的重力。

圖1 磁力驅(qū)動器結(jié)構(gòu)

1.2 Micro-EDM磁力驅(qū)動器運動原理

圖2為磁力驅(qū)動器控制電極軸向(Z方向)運動原理圖。

當(dāng)放電加工開路時，則極間期望電壓Ur<極間反饋電壓Us，此時極間放電通道無法形成，放電加工無法進(jìn)行，因此需要磁力驅(qū)動器快速驅(qū)動電極向下微運動，促進(jìn)放電加工的進(jìn)行。當(dāng)放電加工處于短路時，則Ur>Us，此時放電加工處于異常放電狀態(tài)，且加工電蝕產(chǎn)物無法及時排出，因此需要磁力驅(qū)動器快速驅(qū)動電極向上微運動，促進(jìn)放電的進(jìn)行和電蝕產(chǎn)物的排出。

2 Micro-EDM磁力驅(qū)動器控制原理

圖3為磁力驅(qū)動器極間電壓PID控制系統(tǒng)原理圖。整個控制系統(tǒng)采用的是極間電圧閉環(huán)控制。

圖3 磁力驅(qū)動器極間電圧PID控制系統(tǒng)原理圖

3 實驗分析與驗證

為了檢驗有磁力驅(qū)動器的微細(xì)電火花加工實際效果，使用蘇州新火花機床有限公司生產(chǎn)的SPZ450微細(xì)電火花機床，對傳統(tǒng)電火花加工機床和常規(guī)PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制進(jìn)行加工實驗研究，并從加工效率和加工表面質(zhì)量方面對微細(xì)電火花加工磁力驅(qū)動器控制系統(tǒng)性能進(jìn)行驗證。

圖4為微細(xì)電火花加工控制實驗系統(tǒng)，其中，電極為直徑4 mm的黃銅圓柱電極，加工工件為45鋼，工作液為煤油，加工極性為正極性。

1-微細(xì)電火花機床；2-磁力驅(qū)動器；3-工具電極；4-加工工件；5-極間電壓檢測電路；6-開關(guān)直流電源；7-計算機；8-DSPACE1104；9-萬用表；10-功率放大器

微細(xì)電火花加工機床參數(shù)見表1。

表1 微細(xì)電火花加工機床參數(shù)

3.1 加工效率對比

在相同的加工條件下，傳統(tǒng)電火花加工機床和PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制分別在小孔量程為0 mm～1.5 mm的情況下進(jìn)行小孔加工實驗，每隔0.05 mm記錄一次小孔的加工時間，為排除受到較大的異常放電影響的小孔，進(jìn)行了一定數(shù)量的加工實驗，然后各取其時間平均值作為樣本數(shù)據(jù)。圖5為以上兩種加工情況下微細(xì)電火花加工深度與加工時間之間的關(guān)系。

圖5 加工深度與加工時間之間的關(guān)系

經(jīng)計算可得，傳統(tǒng)電火花加工機床的平均加工速度為3.371 μm/s,常規(guī)PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制的平均加工速度為4.038 μm/s，相比于傳統(tǒng)電火花加工機床，常規(guī)PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制的微細(xì)電火花加工效率提高了20%。

3.2 加工質(zhì)量對比

圖6為加工實物圖，其中左邊和右邊分別為傳統(tǒng)電火花加工機床、常規(guī)PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制加工的孔深為1 mm的小圓孔。

圖6 加工實物對比

由圖6可知，通過對比加工表面質(zhì)量，有磁力驅(qū)動器的加工效果更好，被加工工件的表面積碳顯著降低，工件表面質(zhì)量得到有效改善。

4 結(jié)論

針對微細(xì)電火花加工中的軸向定位不及時、極間碎屑產(chǎn)物不易排出等問題，采用常規(guī)PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制進(jìn)行加工，以驅(qū)動電極在軸向快速定位，可維持有效放電間隙、促進(jìn)極間碎屑的排出，從而提高電火花加工效率。通過微細(xì)電火花加工實驗，根據(jù)加工效率和加工表面質(zhì)量對微細(xì)電火花加工磁力驅(qū)動器控制系統(tǒng)的實際加工效果進(jìn)行了驗證。實驗結(jié)果表明：相比于傳統(tǒng)電火花加工機床，常規(guī)PID控制磁力驅(qū)動器與傳統(tǒng)電火花加工機床協(xié)同控制的微細(xì)電火花加工效率提高了20%，工件表面質(zhì)量也得到了改善。