不同步距下微細電火花輪廓銑削加工工具電極控形實驗研究

王元剛，賈婷婷，李曉鵬

大連大學(xué)機械工程學(xué)院

1 引言

電火花銑削是利用簡單電極形狀通過程序規(guī)劃加工復(fù)雜幾何形狀和難以切割的材料[1，2]，因其加工適用性強和非接觸加工的特點[3]，被廣泛應(yīng)用于航空航天、軍事、汽車、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備和微型機械制造領(lǐng)域[4]。

高效率、高精度是制造業(yè)始終追求的目標之一，雖然微細電火花銑削技術(shù)已進入實用階段，但是工具電極的損耗問題仍然制約著該技術(shù)的發(fā)展[5]。電極損耗類型可分為電極軸向尺寸的損耗和徑向形狀的變化。當分層厚度較小時，認為電極端部放電，近似認為電極形狀不變[6]；分層厚度的增加可提高加工效率，但會導(dǎo)致電極形狀發(fā)生改變。研究表明，電極形狀有錐形[7]、球頭[8]和凹坑[9]等類型，此類形狀損耗能夠控制且可以保持穩(wěn)定。在微細電火花銑削中，針對電極損耗補償提出了線性補償、均勻損耗法、組合線性均勻法、定長補償和實時補償?shù)妊a償策略[10]。上述策略大都針對電極軸向損耗進行補償，針對控制電極形狀的研究較少，有研究表明，通過減小電極銑削步距可以減小電極形狀變化造成的殘余高度[11]。

本文針對不同銑削加工步距在線性補償下進行了大分層厚度微細電火花銑削電極控形加工實驗研究，闡述了錐形電極的形成過程，探究了不同步距與電極定形長度、補償量之間的關(guān)系，并進行了三維型腔實例的加工。

2 實驗方案設(shè)計及方法

2.1 實驗條件

采用1mm紫銅圓柱電極在Sodick(AD30Ls)電火花成型加工機床對45鋼工件進行銑削加工，加工參數(shù)如表1所示。采用尼康SMZ745T體視顯微鏡和DSX1000數(shù)字顯微鏡對銑削后的工件進行測量。

表1 實驗加工參數(shù)

2.2 實驗方法

在線性補償下，將工具電極的銑削步距設(shè)置為不同工序余量，并在工件一側(cè)進行銑削加工。保證深度一致和電極形狀不變的情況下，按表1的加工參數(shù)研究了不同步距下微細電火花輪廓銑削加工工具電極控形的變化。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 錐形電極成過程分析

當電極步距為0.65mm，線性補償量為56μm/mm時，按照表1的加工參數(shù)銑削加工工件側(cè)面，見圖1。

圖1 銑削工件側(cè)面

可以看出，當電極步距為0.65mm時，隨著銑削加工長度的增加，銑削深度先變深再逐漸變淺[12]，最終穩(wěn)定在312μm左右。圖2為加工深度隨加工長度變化的曲線，經(jīng)測量發(fā)現(xiàn)，在銑削長度為5mm前，加工深度隨加工長度的增加而增加，初始階段電極是完整的圓柱形，隨著銑削的進行，電極端部逐漸變尖，線性補償量大于電極的軸向損耗量，銑削深度不斷增大；銑削長度達5mm后，電極變成錐形，由于電極的尖端效應(yīng)，電極軸向損耗增大，銑削深度不斷減小；銑削長度達7.5mm后，電極的損耗和線性補償量達到平衡，電極的形狀穩(wěn)定。

圖2 槽深度隨長度變化曲線

為了得到工具電極的側(cè)面角度，用電火花線切割等距切割圖1所示工件，銑削工件的截面如圖3所示?？梢钥闯?，當銑削長度為2.5mm時，電極仍處在端面損耗時期，此時工件底面較為平整，工具電極呈倒立的圓臺形狀；隨著銑削的進行，銑削長度為5mm時，工具電極的底端圓臺面積減小，斜邊變長，呈類似凸臺的形狀；當銑削長度到達7.5mm時，電極端部變?yōu)橛谢《惹曳€(wěn)定的錐形；在此之后，工具電極的形狀進入穩(wěn)定階段，側(cè)面角度變化波動不大。由圖4可得，隨銑削長度增加電極側(cè)面角度不斷減小，并最終穩(wěn)定在32°左右。

(a)2.5mm

結(jié)合圖3和圖4可以得出，初始階段電極的端面比較平整，銑削時電極端面放電，因為存在集膚效應(yīng)，電極側(cè)棱邊處的電流密度較大，導(dǎo)致電極邊緣損耗較大。電極外圍形狀為大弧度曲線，工件底面截面被銑削為平面，隨著銑削過程的進行，電極除了軸向的進給外還有橫向運動。在銑削的過程中，電極與工件最短距離在側(cè)面，由于電火花銑削加工是在最短距離產(chǎn)生火花放電，因此在銑削過程中，放電最早發(fā)生在側(cè)面，電極側(cè)面的損耗增大，使電極側(cè)面弧度減小，并逐漸變成傾斜端面。隨著電極的旋轉(zhuǎn)，電極最終被修形為圓錐形。

圖4 工件側(cè)面角度隨長度變化曲線

3.2 不同步距下銑削過渡長度分析

在保證銑削深度為310μm的情況下進行工具電極不同步距的銑削實驗。按照表1的加工參數(shù)，將電極的銑削步距分別設(shè)為0.55mm，0.65mm，0.75mm，0.85mm和0.95mm。

銑削結(jié)果如圖5所示，可以看出，保證銑削深度不變時，工件輪廓存在一定的過渡長度，這段過渡長度也是錐形電極形成前的定形階段。經(jīng)過測量后得到電極步距和過渡長度變化的對應(yīng)關(guān)系(見圖6)，根據(jù)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨電極銑削步距增加，電極參與銑削的面積增大，由于在初始階段電極是完整的圓柱電極，存在集膚效應(yīng)，當電極參與銑削面積增大時，電極較快地定形為圓錐形。

(a)0.55mm

通過圖6的測量數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，電極定形長度與電極銑削步距呈線性關(guān)系，經(jīng)過擬合得到工具電極定形長度和步距公式為

圖6 電極定形長度和電極步距的關(guān)系

L定形長度=12.03-8.096a

(1)

式中，a為電極的銑削步距，且a的取值范圍大于電極直徑的一半。

3.3 不同步距電極相對損耗率和補償量分析

電極步距和電極相對損耗率的變化曲線如圖7所示，隨著工具電極銑削步距的增加，電極相對損耗率由17.1%增加到37.8%。從圖5可觀察到，當電極步距較小時，工件側(cè)面的殘余高度較小，電蝕產(chǎn)物可從側(cè)面排出。因為電極最終被修形成圓錐形，所以隨著步距增大，工件側(cè)面的殘余高度增大，電蝕產(chǎn)物的排出難度變大，導(dǎo)致電極相對損耗率增大，因此減少電極步距有利于電蝕產(chǎn)物的排出，并且減少了電極的損耗。

圖7 電極相對損耗率和電極步距的關(guān)系

通過實驗得到如圖8所示的不同電極步距和線性補償量關(guān)系曲線?？梢钥闯?，銑削深度為310μm時，隨著電極步距由0.55mm增加到0.95mm，線性補償量由39μm/mm增加到87μm/mm。通過實驗數(shù)據(jù)可得，隨著電極銑削步距的增加，電極加快損耗，使電極較快地被修形成圓錐形。為使銑削深度一致，需要加大電極的線性補償量。

圖8 線性補償量和電極步距的關(guān)系

電極的相對損耗率公式為

式中，Ve為電極損耗體積；Vw為工件被加工掉的體積。

電極相對損耗率在L銑削長度區(qū)間內(nèi)，電極損耗體積可以用L銑削長度與工件銑削橫截面積Aw的乘積表示；工具電極的蝕除體積可以看成電極的總補償量le損耗×L銑削長度與橫截面積Ae的乘積。因此電極補償量和電極損耗率之間的關(guān)系為

=η

(2)

(3)

式中，K為的值。

在保證銑削深度和電極形狀穩(wěn)定的前提下，將實驗得到的電極相對損耗率以及電極線性補償量的數(shù)值進行擬合，得到K值約為4.359，從而得到電極補償量和電極相對損耗率之間的關(guān)系為

(4)

3.4 部分電極參與銑削的加工應(yīng)用

上述結(jié)果表明，在大分層厚度的銑削中，減少銑削的電極步距有利于減少電極形狀變成錐形而造成的殘余高度。因此，將電極步距設(shè)為0.35mm，按照交替變向的加工路徑進行銑削。為了減少因蝕除體積不同而造成的誤差，預(yù)先加工出外圍輪廓，再銑削加工型腔。

經(jīng)過單層多道槽加工后，其單層型腔三維輪廓如圖9a所示，加工尺寸為5.15mm×3.94mm，型腔深度為236μm；其橫截面如圖9b所示，測得底面的波浪殘余高度較小，說明在大分層厚度的銑削中，減小電極步距可使加工底面平整性較好。

(a)三維輪廓

4 結(jié)語

在保證銑削深度和電極形狀不變的情況下，通過改變電極步距進行了微細電火花輪廓銑削實驗，得出了以下結(jié)論。

(1)在銑削過程中，電極形狀先變成倒立的圓臺形，然后圓臺小圓端面直徑逐漸變小，最后變成穩(wěn)定的錐形，且電極側(cè)面角度逐漸減小。

(2)在保證銑削深度為310μm，電極錐角角度為116°的情況下，電極的相對損耗率和電極補償量存在線性關(guān)系，η=4.359l補償量。電極定形長度與電極步距呈反比關(guān)系，L定形長度=12.03-8.096a。

(3)在大分層厚度三維型腔的銑削中，減少電極銑削時的步距可使加工底面平整性較好。