朱 熙，白基成，李 強(qiáng)，曹 剡，李政凱

（哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱150001）

機(jī)械結(jié)構(gòu)零件的微小化及難加工材料微小零件需求的日益增多，使各種微細(xì)零件、微細(xì)結(jié)構(gòu)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域[1]，傳統(tǒng)加工方法已很難滿足其加工需求，而微細(xì)電火花銑削加工技術(shù)繼承了機(jī)械銑削和快速成形制造技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服了傳統(tǒng)加工時(shí)微刀具制作困難及電火花成形加工缺乏柔性、成形電極制作困難等問題[2]。該技術(shù)采用微細(xì)電極在數(shù)控系統(tǒng)控制下、按一定軌跡進(jìn)行微三維型腔加工，通過不同的軌跡加工不同特征的型腔。其加工軌跡規(guī)劃不同于傳統(tǒng)加工的原因是由于在電火花加工過程中，工具電極和工件之間存在一定的放電間隙，且工具電極存在軸向和徑向的損耗，導(dǎo)致傳統(tǒng)CAD/CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的軌跡不適于電火花銑削加工，需重新規(guī)劃電極軌跡。

Nguyen等[3]通過對極間加工間隙的研究，提出軌跡規(guī)劃時(shí)需進(jìn)行尺寸偏移，并提出了虛擬電極的概念。Yan等[4]對電極損耗進(jìn)行了研究，給出了軌跡重疊率的選擇依據(jù)，提出粗加工用大分層厚度，半精加工用小分層厚度，精加工用合適的軌跡修整規(guī)劃方法。本文通過分析加工軌跡規(guī)劃的影響因素，開展了試驗(yàn)研究，為型腔加工時(shí)進(jìn)行合理的軌跡規(guī)劃提供依據(jù)。

1 微細(xì)電火花銑削加工軌跡規(guī)劃的影響因素分析

在微細(xì)電火花型腔銑削過程中，針對特定型腔進(jìn)行軌跡規(guī)劃時(shí)，必須考慮在該加工狀態(tài)下的放電間隙、軌跡重疊率、分層厚度及電極掃描速度。這些參數(shù)的確定決定了加工軌跡，從而影響銑削加工精度及效率。

放電間隙是加工過程中控制尺寸精度的重要因素。如果按傳統(tǒng)的加工軌跡，由于存在放電間隙，會使加工型腔尺寸和目標(biāo)尺寸不同（圖1）。為了減小放電間隙給Z向帶來的誤差，采取的方法是在加工前尋找初始放電點(diǎn)，以此確定Z向的進(jìn)給量，但這將導(dǎo)致在粗加工后進(jìn)行精加工時(shí)，不得不中斷加工并再次尋找放電點(diǎn)，影響了加工效率和自動化的實(shí)現(xiàn)。因此，若能在加工前根據(jù)加工條件確定放電間隙，將大大提高加工效率。由于放電間隙的影響因素多，測量較困難，故需明確放電間隙的測量方法和影響因素。

圖1 X-Y平面放電間隙影響加工示意圖

由于微細(xì)電火花銑削加工存在電極圓角損耗，使銑削所得槽的側(cè)面存在圓弧過渡，若不進(jìn)行軌跡重疊規(guī)劃，會在工件底面產(chǎn)生殘切（圖2）；當(dāng)進(jìn)行軌跡重疊規(guī)劃后，理論上可明顯改善加工表面質(zhì)量，但軌跡重疊率越高，加工效率就越低。

圖2 殘切及軌跡重疊示意圖

分層厚度影響分層銑削加工的效率，分層厚度越大，則加工效率越高。但在分層銑削加工中，為了讓電極損耗集中在電極軸向，必須保證分層厚度小于放電間隙；且分層厚度越大，理論上曲面型腔加工時(shí)，每層加工產(chǎn)生的臺階越大。在分層銑削規(guī)劃Z向軌跡時(shí)，分層厚度的選取方法主要有兩種：一是均勻分層法，即根據(jù)加工效率、加工精度、電極損耗來制定每層的厚度；二是針對某種具體形狀的復(fù)雜曲面進(jìn)行劃分，分層厚度隨著曲面形狀而變化。

電極掃描速度直接影響著加工效率，但并非速度越快越好，而是需考慮加工的可行性。電極掃描速度不能太快是因?yàn)殡娀鸹庸さ牟牧衔g除是通過放電實(shí)現(xiàn)的，當(dāng)掃描速度過快時(shí)，火花量不夠甚至不能擊穿形成火花，會造成加工效率低甚至無法加工。

2 試驗(yàn)設(shè)備及參數(shù)

試驗(yàn)設(shè)備采用微細(xì)電火花銑削加工機(jī)床 （圖3），由花崗巖床身、Z軸運(yùn)動平臺、X-Y運(yùn)動平臺、主軸模塊、工作臺、去離子水制備系統(tǒng)、電源及控制柜組成。其中，工作臺包含塊電極、線電極磨削裝置和CCD測量系統(tǒng)，可在線進(jìn)行電極制作與測量。試驗(yàn)參數(shù)見表1。

表1 加工試驗(yàn)參數(shù)

圖3 試驗(yàn)設(shè)備

3 試驗(yàn)研究及結(jié)果分析

3.1 放電間隙的測量及影響因素

微細(xì)電火花銑削加工時(shí)，放電間隙會因工件表面的不平整和工具電極的軸向損耗而不斷變化，但存在著可以發(fā)生放電的極限距離，即極限放電間隙。其直接影響工具電極的軸向進(jìn)給量和加工尺寸精度，對加工過程有著重要的意義。

3.1.1 極限放電間隙的測量方法

測量極限放電間隙的方法主要有兩種：一種是間接測量法（圖4），主要用于測量側(cè)面放電間隙，將測得的工具電極直徑與加工通孔孔徑相減所得的差值取絕對值即為放電間隙的兩倍；另一種是直接測量法（圖5），先利用機(jī)床感知功能記錄工件表面的坐標(biāo)，再尋找放電點(diǎn)的坐標(biāo)，兩坐標(biāo)的差值取絕對值即為放電間隙。

圖4 側(cè)面放電間隙測量方法

圖5 底部放電間隙測量方法

本試驗(yàn)采用直接測量法測量底面放電間隙，步驟如下：

第一步，利用機(jī)床在空氣中接觸感知，記錄Z向坐標(biāo)值，此時(shí)機(jī)床抬起10 μm；

第二步，沖液后進(jìn)入加工模式，Z軸不斷向下進(jìn)給，單次進(jìn)給量0.1 μm，并利用示波器觀察放電點(diǎn)；

第三步，當(dāng)觀測到示波器檢測出放電時(shí)，工具電極以一定的電極掃描速度向機(jī)床X軸或Y軸方向移動大于電極直徑的距離，從而避開上一次放電的影響區(qū)。如果移動過程中有放電，則認(rèn)為此時(shí)的Z值為放電點(diǎn)；如果沒有放電，則返回起始點(diǎn)繼續(xù)向Z負(fù)方向進(jìn)給，重復(fù)操作直至找到放電點(diǎn)。

本試驗(yàn)為提高測量精度，工件表面通過微動臺調(diào)平。該測量方法簡單易用，可避免工件或工具電極尖端帶來的誤差。

3.1.2 放電間隙影響因素的分析

放電間隙的大小與加工電參數(shù)、工作液電阻率、工具電極材料等有關(guān)。由于微細(xì)電火花銑削加工的工作液電阻率變化不大，材料一般為選定材料，所以影響放電間隙的最直接因素是加工電源的參數(shù)。

本文采用晶體管可控電阻模式脈沖電源，影響放電間隙的因素有電源開路電壓、回路中的電阻和脈沖電源的脈寬。對此，設(shè)計(jì)表2所示的正交試驗(yàn)，研究上述3種因素對放電間隙的影響規(guī)律。試驗(yàn)結(jié)果表明，影響放電間隙的主導(dǎo)因素是開路電壓（表3），且開路電壓越大，放電間隙越大。

表2 放電間隙影響因素試驗(yàn)結(jié)果

表3 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

3.2 軌跡重疊率的測量與分析

通過試驗(yàn)驗(yàn)證軌跡重疊對加工的影響，試驗(yàn)步驟如下：

第1步：進(jìn)行銑削單槽試驗(yàn)，觀察槽的截面是否存在圓弧過渡；

第2步：以軌跡重疊率為0的軌跡加工平面；

第3步：測量槽底面非圓弧區(qū)域的尺寸，以此確定對比試驗(yàn)的軌跡重疊率；

第4步：利用確定的軌跡重疊率進(jìn)行軌跡規(guī)劃，重新加工平面進(jìn)行對比。

用超景深測量儀對銑削的單道槽進(jìn)行截面測量發(fā)現(xiàn)，槽底面兩側(cè)圓弧明顯。將測得的單道槽截面的底部非圓弧區(qū)域尺寸記為L，實(shí)際槽寬D為工具電極直徑加上2倍的側(cè)面放電間隙，故軌跡的重疊率為：(D-L)/D。加工槽的底面形貌見圖6。

圖6 槽的非重疊區(qū)域測量示意圖

圖6 所示的測量趨勢線上的兩圓點(diǎn)間距作為軌跡非重疊區(qū)域，測量結(jié)果見表4?？梢?，該電極進(jìn)行銑削時(shí)，需用0.424以上的軌跡重疊率才能較好地消除電極損耗帶來的殘切。

表4 軌跡非重疊尺寸表

考慮測量誤差等因素，選擇軌跡重疊率為0.5再次進(jìn)行銑削試驗(yàn)，通過CCD測量對比的結(jié)果見圖7?？煽闯觯瑳]有軌跡重疊時(shí)，兩電極中心軌跡的間距就是電極直徑，加工表面有明顯的殘切凸起；有軌跡重疊時(shí)，加工表面無明顯的加工殘切。由此可見，通過規(guī)劃重疊軌跡，能減小因電極圓角損耗引起的底面殘切。

圖7 有軌跡重疊和無軌跡重疊對比

3.3 分層厚度的規(guī)劃與分析

3.3.1 變分層厚度對加工效率和精度的影響

在規(guī)劃曲面型腔軌跡時(shí)，為減小因分層產(chǎn)生的微小臺階型誤差，最直接的方法是減小分層厚度，但這會導(dǎo)致加工效率降低。所以很多學(xué)者根據(jù)型腔的曲率變化提出了變分層厚度的加工方法，為了兼顧加工效率和精度，在粗、精加工中也可采用不同的分層厚度。

本文在表1所示參數(shù)下對6 μm深的單槽進(jìn)行加工試驗(yàn)，研究變分層厚度對銑削加工效率和精度的影響，試驗(yàn)結(jié)果見表5?？梢姡謱訉訑?shù)越多，加工時(shí)間越長，加工效率就越低；且層數(shù)為6層、分層厚度均為1 μm時(shí)，不僅加工效率最低，加工精度也最差。因此，減小分層厚度并不能提高型腔加工的尺寸精度。

表5 變分層厚度對比試驗(yàn)

此外，每種分層情況的實(shí)際加工深度都大于目標(biāo)深度6 μm，加工尺寸誤差最小為0.986 μm，最大為2.499 μm，尺寸誤差與目標(biāo)尺寸之比分別為16.43%和41.65%。由于每層的實(shí)際蝕除深度都不明確，故需進(jìn)行單層分層厚度試驗(yàn)研究。

3.3.2 單層分層厚度與蝕除深度的關(guān)系

本文通過銑削單槽試驗(yàn)，研究在相同電極掃描速度下，蝕除深度和分層厚度的關(guān)系，并對比不同電極掃描速度下的情況。加工參數(shù)同表1，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

圖8 蝕除深度和分層厚度的關(guān)系

由圖8可看出，在同一電極掃描速度下，分層厚度越大，蝕除深度越大；且電極掃描速度越大，蝕除深度整體偏小?？梢姡趩螌鱼娤骷庸r(shí)，銑削深度和分層厚度也不相同。當(dāng)電極掃描速度較低時(shí)，出現(xiàn)了蝕除深度大于分層厚度的情況，分析認(rèn)為在低速掃描時(shí)，工具電極停留在一段長度上的時(shí)間較長，排屑不好時(shí)極易發(fā)生二次放電，造成蝕除深度大于進(jìn)給量的情況；而當(dāng)電極掃描速度較高時(shí)，放電停留時(shí)間短，材料尚未被完全蝕除，電極已經(jīng)移開。因此，提高加工精度需將分層厚度和電極掃描速度結(jié)合起來。

3.4 電極掃描速度的確定與分析

在微細(xì)電火花銑削過程中，工件的蝕除發(fā)生在每次放電的離散單元上，和傳統(tǒng)的接觸加工不同，電火花加工的蝕除量和發(fā)生火花放電的總量有關(guān)，火花放電的總量又和放電時(shí)間有關(guān)，即和電極掃描速度有關(guān)。因此，蝕除深度不僅和工具電極軸向進(jìn)給量有關(guān)，還和電極掃描速度有關(guān)。在采用相同的電參數(shù)和進(jìn)給量加工時(shí)，電極掃描速度太大會出現(xiàn)蝕除不完全，即蝕除深度小于進(jìn)給量；電極掃描速度太小，又會受排屑和二次放電的影響導(dǎo)致蝕除深度大于進(jìn)給量。因此，本文通過微細(xì)電火花銑削加工單槽試驗(yàn)，獲得合適的電極掃描速度來兼顧加工精度和效率。試驗(yàn)參數(shù)同表1，試驗(yàn)結(jié)果見圖9（蝕除深度偏差的負(fù)值表示加工深度小于目標(biāo)尺寸）。

圖9 蝕除深度偏差和電極掃描速度的關(guān)系

分析可知，通過選擇合適的電極掃描速度，能使蝕除深度等于分層厚度，此時(shí)的速度定義為理想電極掃描速度ve。如圖9所示，曲線與X軸的交點(diǎn)處的速度即為ve?？梢姡煌姆謱雍穸人鶎?yīng)的ve并不相同；且分層厚度較大時(shí)，ve有變小的趨勢，這是因?yàn)榉謱雍穸却?，待蝕除的材料多，需要更多的放電時(shí)間，所以電極掃描速度需相應(yīng)減小。

利用表1所示參數(shù)加工目標(biāo)槽深為8 μm的單道槽，并進(jìn)行軌跡規(guī)劃。測得該工況下的放電間隙為 4.3 μm，分層厚度選擇 1.5、1.0 μm 進(jìn)行組合，對應(yīng)的電極掃描速度分別為8.5、10 μm/s。Z-Y平面內(nèi)的加工軌跡見圖10，共分6層加工，前4層分層厚度為1.5 μm，后2層分層厚度為1.0 μm。經(jīng)測量，加工出的槽深最大值為 8.473 μm（圖 11），加工尺寸誤差為0.473 μm，尺寸誤差與目標(biāo)尺寸之比為5.91%。由此可見，合理地根據(jù)分層厚度選取電極掃描速度后的銑削加工尺寸精度比未進(jìn)行軌跡規(guī)劃前有了很大的提升。

圖10 Z-Y平面內(nèi)的加工軌跡示意圖

圖11 槽深測量圖

4 結(jié)論

本文通過試驗(yàn)得出放電間隙、軌跡重疊率、分層厚度、電極掃描速度對銑削加工精度和效率有著重要影響，并給出了放電間隙和軌跡重疊率的確定方法，得到以下結(jié)論：

（1）影響放電間隙大小的主要因素是間隙開路電壓。

（2）軌跡重疊能較好地改善加工表面質(zhì)量，減小因電極圓角損耗引起的殘切凸起。

（3）減小分層厚度并不能提高型腔加工的尺寸精度，反而會降低加工效率。

（4）每層的蝕除深度不一定等于分層厚度；在相同條件下，電極掃描速度越大，蝕除深度越小。

（5）存在著理想電極掃描速度，能使每層的蝕除深度等于分層厚度，且理想電極掃描速度隨著分層厚度的增大而減小。

（6）通過合理的軌跡規(guī)劃，加工槽的尺寸誤差與目標(biāo)尺寸之比從16.43%降低至5.91%，驗(yàn)證了軌跡規(guī)劃的有效性。

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