搖動(dòng)半徑與中心抬刀對(duì)電火花加工效果影響的試驗(yàn)研究

李殿新，劉建勇，張慧杰，楊曉宇

（北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617）

電 火 花 加 工（Electrical discharge machining,EDM）具有無切削力[1-2]、表面缺陷少[3]等優(yōu)點(diǎn)，適合加工超硬材料、脆性材料以及難加工材料[4-5]，尤其在加工形狀復(fù)雜的型腔、深窄槽、異型孔時(shí)有著不可或缺的作用[6]。隨著自適應(yīng)伺服控制的廣泛應(yīng)用，電火花加工能夠?qū)崿F(xiàn)更高的加工精度[7-8]，但加工復(fù)雜孔狀結(jié)構(gòu)時(shí)，存在排屑困難、加工不穩(wěn)定、加工效率低等缺點(diǎn)[9-10]。在加工中使用高速抬刀技術(shù)[11]是大幅提高電火花加工效率的常用方法， Fla?o 等[12]研究了抬刀時(shí)沖液對(duì)加工精度和加工效率的影響，提出了一種可以加工10 mm 深槽的電極，可以減少65%的加工時(shí)間，顯著提高了加工效率。李淋等[13]研究了電火花深小孔加工抬刀過程中底部工作液的置換模型，得到了最優(yōu)抬刀參數(shù)。加入搖動(dòng)控制技術(shù)[14]可以有效降低加工型腔的表面粗糙度，劉洋等[15]采用有限元仿真的方法，研究了電火花搖動(dòng)加工雙孔撓性薄壁的變形，設(shè)計(jì)了雙孔薄壁件電火花搖動(dòng)加工的工藝路線，改善了小孔的加工精度。Yu 等[16]以一臺(tái)臥式微細(xì)電火花機(jī)床加工304 不銹鋼為對(duì)象，提出電極搖動(dòng)的同時(shí)在工件上施加超聲振動(dòng)，加工出了高精度的微孔。高速抬刀和搖動(dòng)加工在理論方面已經(jīng)有了廣泛研究[17-18]，但由于要對(duì)原有數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行大的修改，仍然是亟待提高的薄弱環(huán)節(jié)。

基于開放式PC 平臺(tái)，開發(fā)出具備高速復(fù)雜抬刀功能、多軸聯(lián)動(dòng)搖動(dòng)加工功能的電火花成形加工數(shù)控系統(tǒng)，并進(jìn)行了一系列相關(guān)試驗(yàn)研究，驗(yàn)證了本系統(tǒng)的加工能力，也研究了搖動(dòng)功能和中心抬刀功能對(duì)加工結(jié)果的影響規(guī)律。

1 電火花成形加工試驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 電火花數(shù)控系統(tǒng)

本研究的機(jī)床使用某型精密數(shù)控電火花機(jī)床，如圖1a）所示。X、Y、Z軸的行程分別是300 mm、300 mm、200 mm。數(shù)控系統(tǒng)的硬件采用NC 控制卡與PC 機(jī)結(jié)合的方式，軟件為Visual Studio 編程工具，程序采用C 語言進(jìn)行編程。在PC 機(jī)的PCI 擴(kuò)展板上擴(kuò)展有NC 控制卡、IO 控制卡和電源控制卡，組成數(shù)控底層控制系統(tǒng)。NC 控制卡用來進(jìn)行運(yùn)動(dòng)軌跡控制，IO 控制卡進(jìn)行IO 信號(hào)控制，電源控制卡負(fù)責(zé)控制脈沖電源，控制系統(tǒng)如圖1b）所示。

圖1 電火花數(shù)控加工系統(tǒng)Fig.1 EDM CNC machining system

1.2 試驗(yàn)條件

根據(jù)電火花成形加工的發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)出的系統(tǒng)具備中心抬刀功能和搖動(dòng)功能。本試驗(yàn)工件材料為模具鋼，電極為直徑10 mm、長度60 mm 的紫銅棒，如圖2a）所示。

圖2 電極及工件效果Fig.2 Effects of electrode and workpiece

本文開展兩組對(duì)比試驗(yàn)。首先分析搖動(dòng)加工對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，在中心抬刀模式下，加入不同參數(shù)的搖動(dòng)模式，搖動(dòng)軌跡選取圓軌跡，搖動(dòng)半徑分別設(shè)定為30 μm、60 μm、90 μm，搖動(dòng)模式采用自由搖動(dòng)。然后分析中心抬刀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響，搖動(dòng)半徑設(shè)定為90 μm。其他加工參數(shù)如下：加工深度20 mm，抬刀高度2 mm，放電時(shí)間0.75 s，脈沖寬度100 μs，脈沖間隔100 μs，電流12 A。以中心抬刀和非中心抬刀對(duì)比為例，試驗(yàn)結(jié)果分別如圖2b）與圖2c）所示。

2 搖動(dòng)加工與非搖動(dòng)加工對(duì)比

2.1 搖動(dòng)加工對(duì)加工效率影響

加工深度與加工時(shí)間的關(guān)系如圖3 所示。由圖3 可知，加工20 mm 深的孔時(shí)，無搖動(dòng)加工和30 μm搖動(dòng)加工所用的時(shí)間基本相同（僅相差約3 min），曲線的變化趨勢(shì)也非常接近。這說明30 μm 搖動(dòng)加工的搖動(dòng)半徑太小，還不足以體現(xiàn)出搖動(dòng)加工的效果。由圖3 還可以看出，剛開始加工時(shí)曲線的斜率比較小，隨著加工的進(jìn)行，曲線的斜率逐漸變大，這說明隨著加工的進(jìn)行，排屑逐漸困難，加工穩(wěn)定性也隨之下降。隨著搖動(dòng)半徑的增加，60 μm 搖動(dòng)加工抬刀過程中回中心時(shí)間變長，導(dǎo)致加工總時(shí)間變長（約221 min）。但是60 μm 搖動(dòng)方式下加工曲線的斜率衰減更小，說明隨著搖動(dòng)半徑的增大排屑更容易，提高了加工穩(wěn)定性。90 μm 搖動(dòng)加工的總時(shí)間更長（約341 min），但加工深度與加工時(shí)間基本呈直線關(guān)系，曲線的斜率基本恒定。原因可能是兩點(diǎn)：一是搖動(dòng)半徑的增加導(dǎo)致抬刀時(shí)間變長，因此總的加工時(shí)間變長；二是搖動(dòng)半徑的增加使得電極與工件之間的側(cè)面間隙更大，排屑更容易，由于排屑不暢導(dǎo)致的加工不穩(wěn)定現(xiàn)象基本消失。

圖3 加工效率對(duì)比Fig.3 Comparison of machining efficiency

2.2 搖動(dòng)加工對(duì)加工蝕除率影響

加工蝕除率和加工深度之間的變化關(guān)系如圖4所示。由圖4 可知，隨著加工深度的增加，無搖動(dòng)加工的加工蝕除率逐漸減慢，從開始的0.096 g/min 減小至結(jié)束時(shí)的0.048 g/min。30 μm 搖動(dòng)加工的結(jié)果和無搖動(dòng)加工結(jié)果比較相似，加工蝕除率曲線和無搖動(dòng)加工的蝕除率曲線也相仿。相對(duì)于無搖動(dòng)加工，60 μm 搖動(dòng)加工的加工蝕除率曲線下降幅度較小，由于搖動(dòng)半徑較大，初始時(shí)刻加工蝕除率為0.082 g/min。但是隨著加工深度的變化，速度下降趨勢(shì)較小，加工完成時(shí)的加工蝕除率為0.062 g/min，這表明在加工深度為20 mm 處時(shí)，60 μm 搖動(dòng)加工的加工蝕除率超過無搖動(dòng)加工和20 μm 搖動(dòng)加工。90 μm 搖動(dòng)加工的加工蝕除率曲線基本恒定，起始加工速度為0.048 g/min，結(jié)束時(shí)為0.045 g/min，說明該條件下加工深度對(duì)加工蝕除率的影響已經(jīng)非常小。

圖4 加工蝕除率對(duì)比Fig.4 Comparison of processing and etching rates

2.3 搖動(dòng)加工對(duì)孔直徑影響

孔的直徑精度如圖5 所示。由于切割傾斜誤差的存在，導(dǎo)致切割后孔的斷面不是標(biāo)準(zhǔn)的直線，而是類似橢圓的曲線，所以表現(xiàn)為中間部分的直徑較大，而兩邊部分的直徑較小。因此，搖動(dòng)加工和非搖動(dòng)加工在孔直徑的變化趨勢(shì)上都是上大下小，即開口處的直徑較大，底端直徑較小，這也符合電火花加工的特點(diǎn)，即由于側(cè)面放電導(dǎo)致加工的型腔有一定的錐度。

圖5 孔直徑對(duì)比Fig.5 Comparison of hole diameters

為了對(duì)比不同搖動(dòng)參數(shù)對(duì)孔直徑精度的影響，測(cè)量深度2 mm 和18 mm 處孔的直徑尺寸，兩者的差值如表1 所示，以觀察不同加工形式對(duì)孔錐度的影響。由表1 可知，當(dāng)搖動(dòng)半徑為30 μm 時(shí)，整體表現(xiàn)與無搖動(dòng)情況基本相同，說明此時(shí)難以起到搖動(dòng)應(yīng)有的效果。而隨著搖動(dòng)半徑的增大，孔的直徑誤差減小，說明采用搖動(dòng)方式能有效減少側(cè)面放電現(xiàn)象的發(fā)生。

表1 直徑偏差統(tǒng)計(jì)Tab.1 Statistics of diameter deviation

2.4 搖動(dòng)加工對(duì)底部圓角影響

由于電火花加工時(shí)工具電極會(huì)出現(xiàn)損耗，尤其在尖角處尤為嚴(yán)重，而且由于放電加工的特點(diǎn)，型腔拐角處有一定的弧度，所以型腔底部圓角的大小是衡量電火花加工質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。各加工方式下底部圓角的顯微圖對(duì)比如圖6 所示。由圖6 可知，隨著搖動(dòng)半徑的增大，圓角半徑逐漸減小。原因可能是搖動(dòng)半徑的增大有利于排屑，底面加工屑濃度降低，使得異常放電和側(cè)面放電現(xiàn)象減少，抑制了圓角的形成，因此底面圓角半徑減小。

圖6 底部圓角半徑尺寸Fig.6 Radius size of bottom fillet

2.5 搖動(dòng)加工對(duì)加工深度精度影響

影響電火花加工深度精度的原因主要有兩個(gè)，一是電極損耗，即由于工具電極在加工過程中發(fā)生損耗，所以實(shí)際的加工深度小于理想值；二是放電間隙，即由于工具電極和工件材料之間存在間隙，會(huì)導(dǎo)致實(shí)際的加工深度大于理想值。測(cè)量得到各項(xiàng)結(jié)果的深度精度對(duì)比如表2 所示。由表2 可知，無搖動(dòng)時(shí)的加工深度小于理想值約0.048 mm，30 μm 搖動(dòng)加工的深度非常接近目標(biāo)值，僅小于理想值約0.011 mm，而60 μm 和90 μm 搖動(dòng)加工的深度略大于目標(biāo)值。原因是無搖動(dòng)加工時(shí)，數(shù)控程序按照設(shè)定的20 mm深度進(jìn)行加工，加工完成后立即停止，導(dǎo)致電極損耗引起的誤差沒有得到補(bǔ)償，因此實(shí)際加工深度小于設(shè)定值。而由于搖動(dòng)加工自身的特點(diǎn)，在加工至20 mm后還要再搖動(dòng)一周后停止，會(huì)將工具電極損耗造成的影響抵消掉一部分，使得實(shí)際加工深度趨向于理想值。

表2 加工深度對(duì)比Tab.2 Comparison of processing depth

2.6 搖動(dòng)加工對(duì)表面粗糙度影響

不同加工方式下的表面粗糙度結(jié)果如表3 所示。由表3 可知，表面粗糙度結(jié)果基本相同，4 種工況下的表面粗糙度最大僅相差約0.098 μm，說明電火花加工的表面粗糙度基本只受脈沖電源參數(shù)的影響，當(dāng)采用同一脈沖電源參數(shù)時(shí)，表面粗糙度基本相同，不同搖動(dòng)參數(shù)對(duì)其影響較小。

表3 表面粗糙度對(duì)比Tab.3 Comparison of surface roughness

2.7 搖動(dòng)加工對(duì)電極損耗影響

不同加工方式下的電極損耗結(jié)果如表4 所示。3 種搖動(dòng)加工模式下的電極損耗率均低于無搖動(dòng)加工，并且隨著搖動(dòng)半徑的增大，電極損耗率逐漸下降。相比無搖動(dòng)加工，90 μm 搖動(dòng)加工的電極損耗率下降了約18.4%。但由試驗(yàn)結(jié)果可知，本數(shù)控平臺(tái)的電極損耗率比較小。

表4 電極損耗對(duì)比Tab.4 Comparison of electrode loss

3 中心抬刀加工與非中心抬刀加工對(duì)比

以上在中心抬刀模式下，對(duì)比了不同搖動(dòng)半徑對(duì)加工結(jié)果的影響，本節(jié)將對(duì)比中心抬刀與非中心抬刀對(duì)試驗(yàn)結(jié)果的影響。為了體現(xiàn)出搖動(dòng)加工的效果，兩種模式下的搖動(dòng)半徑均設(shè)定為90 μm。

3.1 中心抬刀對(duì)加工效率影響

加工深度與加工時(shí)間的關(guān)系如圖7 所示。由圖7 可知，非中心抬刀模式的加工速度更快，加工時(shí)間少大約60 min，原因是該模式在抬刀時(shí)沒有回中心操作，因此抬刀總時(shí)間更短。

圖7 加工效率對(duì)比Fig.7 Comparison of machining efficiency

3.2 中心抬刀對(duì)加工蝕除率影響

加工蝕除率和加工深度之間的變化關(guān)系如圖8所示。由圖8 可知，兩種模式下的加工蝕除率都比較穩(wěn)定，隨加工深度的增加變化不大，而且非中心抬刀的加工蝕除率整體偏大。說明中心抬刀模式在維護(hù)加工穩(wěn)定性方面效果并不明顯。

圖8 加工蝕除率對(duì)比Fig.8 Comparison of processing and etching rates

3.3 中心抬刀對(duì)孔直徑影響

孔的直徑精度如圖9 所示。由圖9 可知，中心抬刀加工的直徑尺寸整體上更小，而且中心抬刀加工的直徑錐度更小。原因是非中心抬刀加工時(shí)側(cè)面放電現(xiàn)象更頻繁，導(dǎo)致加工出的孔直徑偏大且錐度偏大。而中心抬刀加工時(shí)，由于抬刀過程中工具電極的側(cè)面和孔側(cè)壁距離較遠(yuǎn)，所以側(cè)面放電較少，因此加工的孔精度更高。

圖9 孔直徑對(duì)比Fig.9 Comparison of hole diameters

為了對(duì)比中心抬刀對(duì)孔直徑精度的影響，測(cè)量深度2 mm 和18 mm 處孔的直徑尺寸，中心抬刀模式下底部與頂部直徑偏差為0.055 μm，非中心抬刀模式下該參數(shù)為0.074 μm。中心抬刀加工出孔的上下直徑差值明顯小于非中心抬刀加工，說明中心抬刀加工可以有效較少側(cè)面放電現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高型腔的加工精度。

3.4 中心抬刀對(duì)底部圓角影響

兩種加工模式下底部圓角顯微測(cè)量結(jié)果如圖10所示，測(cè)量得到兩者的結(jié)果基本相同，說明隨著搖動(dòng)半徑的增大，排屑更容易，兩種加工模式下型腔內(nèi)的切屑都相對(duì)較少。

圖10 底部圓角半徑尺寸Fig.10 Radius size of bottom fillet

3.5 中心抬刀對(duì)加工深度精度影響

中心抬刀模式下實(shí)際加工深度為20.021 mm，非中心抬刀模式下實(shí)際加工深度為20.029 mm，兩者都略大于理想值。原因是自由搖動(dòng)模式下，兩種加工方式都是在加工至目標(biāo)深度后再搖動(dòng)加工一周，一方面為了補(bǔ)償電極損耗，另一方面為了修光底面。由于兩個(gè)結(jié)果比較接近，可以認(rèn)為中心抬刀模式對(duì)加工精度影響不明顯。

3.6 中心抬刀對(duì)表面粗糙度影響

中心抬刀和非中心抬刀模式下的表面粗糙度分別是3.014 μm 和3.115 μm，兩者比較接近。說明表面粗糙度與脈沖電源參數(shù)相關(guān)性更強(qiáng)，與加工方式的關(guān)系不大。

3.7 中心抬刀對(duì)電極損耗影響

兩種加工模式下的電極損耗結(jié)果如表5 所示。相比非中心抬刀模式，中心抬刀模式下的電極損耗率減小了約15.3%，說明中心抬刀模式下的電極損耗明顯減小。

4 結(jié)論

1）在中心抬刀模式下，搖動(dòng)半徑增加會(huì)降低加工效率、降低加工蝕除率、減小底部圓角直徑、減小電極損耗率、加大加工深度、增加孔直徑但減小孔的直徑誤差，對(duì)表面粗糙度的影響不大。

2）在90 μm 搖動(dòng)模式下，中心抬刀會(huì)降低加工效率、降低加工蝕除率、減小孔直徑并降低孔的直徑誤差、減小電極損耗率，對(duì)底部圓角直徑、加工深度、表面粗糙度的影響不大。

3）后續(xù)將進(jìn)一步開展試驗(yàn)研究，探究理想的加工參數(shù)。本數(shù)控系統(tǒng)也需進(jìn)一步改進(jìn)，如脈沖電源前端直流部分需增加電壓可調(diào)電路，數(shù)控系統(tǒng)的加工參數(shù)庫仍需完善等。