聶常瑞 曹明讓

(①太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；②精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

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調(diào)節(jié)橫向走刀速度的電火花銑削加工策略*

聶常瑞①曹明讓②

(①太原理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，山西 太原 030024；②精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西 太原 030024)

在定長補(bǔ)償法和電極軸向補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，提出了一種基于橫向走刀速度調(diào)節(jié)的電火花銑削加工策略。在使用內(nèi)沖液管狀電極和電極損耗自動(dòng)補(bǔ)償?shù)臈l件下，針對(duì)給定的電參數(shù)、工具電極以及工件，通過調(diào)節(jié)工件橫向走刀速度進(jìn)行電火花銑削加工。建立了數(shù)學(xué)模型，依據(jù)材料蝕除速率、電極損耗比、電極補(bǔ)償精度、軸向吃刀深度、放電間隙等參數(shù)計(jì)算出最理想的工件橫向走刀速度，所建立數(shù)學(xué)模型計(jì)入了圓柱電極因底面尖端放電而產(chǎn)生殘切角的影響。最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該策略和數(shù)學(xué)模型的可行性。

電火花銑削;內(nèi)沖液;走刀速度調(diào)節(jié);數(shù)學(xué)模型

隨著現(xiàn)代工業(yè)的不斷發(fā)展，各種難加工材料如不銹鋼、耐熱鋼以及鈦合金等的應(yīng)用越來越廣，傳統(tǒng)加工很難甚至不能滿足這些材料的成形問題。上世紀(jì)九十年代提出的電火花銑削加工在應(yīng)對(duì)這些特殊材料的成型加工方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。

電火花銑削加工是電火花加工的一個(gè)重要分支，使用簡單電極模仿傳統(tǒng)機(jī)械銑削加工，通過工具電極和工件之間的火花放電，蝕除材料，對(duì)工件進(jìn)行創(chuàng)成加工[1]，可以將被加工工件加工成各種幾何形狀。電火花銑削加工既具有電火花加工不受工件硬度、強(qiáng)度、韌性等條件限制的優(yōu)點(diǎn)，又具有傳統(tǒng)機(jī)械銑削加工多軸聯(lián)動(dòng)的特點(diǎn)，對(duì)工件進(jìn)行電火花創(chuàng)成加工[1]。電火花銑削加工一方面可以解決傳統(tǒng)電火花成型加工難加工、甚至無法加工的難題，如復(fù)雜圓弧直線組成的長而深的窄槽或者復(fù)雜型腔等；另一方面由于電火花銑削加工中簡單形狀電極的廣泛使用，省去了復(fù)雜形狀的工具電極的制備這一環(huán)節(jié)，并且很大程度上簡化了電極的損耗補(bǔ)償策略。

電火花銑削加工屬于非接觸性加工,工具電極與被加工工件之間必須維持一定的放電間隙,并且在加工過程中存在較大的電極損耗，對(duì)加工精度產(chǎn)生較大的影響。電火花銑削加工過程中工具電極的補(bǔ)償精度,直接影響了電火花銑削的加工精度。多年來，國內(nèi)外學(xué)者在電火花銑削電極補(bǔ)償方面做了很多的研究,并取得了長足的進(jìn)展。如日本東京大學(xué)的余祖元在1998年提出了一種在加工復(fù)雜形狀工件時(shí)，通過分層加工來實(shí)現(xiàn)對(duì)電極均勻損耗補(bǔ)償?shù)姆椒╗2]；在余祖元研究的基礎(chǔ)上，Hui-Lan Yu又提出了將線性補(bǔ)償法與線性均勻損耗法相結(jié)合的加工策略[3]，并建立了理論模型，顯著提高了加工效率；比利時(shí)魯汶大學(xué)的Bleys P[4-5]等提出了一種將預(yù)測(cè)補(bǔ)償與實(shí)時(shí)補(bǔ)償相結(jié)合的加工策略，允許電火花銑削加工在不提供準(zhǔn)確的空白區(qū)域幾何模型的情況下進(jìn)行。一些國內(nèi)的研究單位也在電火花銑削電極補(bǔ)償領(lǐng)域取得了很多成果，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的劉光壯和楊曉東提出了一系列對(duì)電極損耗進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)的方法[6]，如光電圖像檢測(cè)法、對(duì)刀檢測(cè)等；遲關(guān)心等通過采用管狀電極進(jìn)行電火花銑削加工，同時(shí)提高了銑削效率和加工精度[7]；南京航空大學(xué)的周勇和劉正勛提出了通過工具電極的軸向進(jìn)給來實(shí)現(xiàn)損耗補(bǔ)償?shù)姆椒╗8]，并取得較好的效果；上海交通大學(xué)的裴景玉和何磊等提出了電極定長補(bǔ)償方法[9-10]，并對(duì)加工過程中電極底面輪廓進(jìn)行了深入研究。

在軸向補(bǔ)償和定長補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，提出一種能夠得到較高加工精度的加工方法?；诠ぞ唠姌O軸向自動(dòng)補(bǔ)償，通過調(diào)節(jié)工具電極的橫向走刀速度，實(shí)現(xiàn)不間斷的連續(xù)加工。并建立了數(shù)學(xué)模型，結(jié)合材料蝕除速率、電極損耗比、電極補(bǔ)償精度、軸向吃刀深度、放電間隙等參數(shù)，計(jì)算出最理想的橫向走刀速度。

1 數(shù)學(xué)模型的建立與分析

上海交通大學(xué)的裴景玉提出的一種針對(duì)電火花銑削加工的定長補(bǔ)償法，基于分層加工原理，預(yù)先將計(jì)算得來的電極補(bǔ)償量寫入數(shù)控程序，加工過程中，當(dāng)電極橫向進(jìn)給一定的距離后，進(jìn)行電極軸向進(jìn)給(補(bǔ)償)，重復(fù)上述的運(yùn)動(dòng)，以獲得連續(xù)不間斷的加工，已經(jīng)可以得到較高的尺寸精度和形狀精度。

南京航空航天大學(xué)的周勇提出的一種在線工具損耗補(bǔ)償策略，對(duì)于使用圓柱旋轉(zhuǎn)電極的電火花銑削加工，避免了加工過程中的形狀檢測(cè)，簡化了電極補(bǔ)償策略，極大地提高了生產(chǎn)效率和加工精度。

借鑒定長補(bǔ)償法和電極的軸向補(bǔ)償策略，本研究目的在于得到一種在工具電極軸向自動(dòng)補(bǔ)償和進(jìn)給條件下的關(guān)于橫向走刀速度調(diào)節(jié)的數(shù)學(xué)模型，使得在不同的加工條件下，通過測(cè)量材料蝕除速率、電極損耗比、電極補(bǔ)償精度、軸向吃刀深度、放電間隙等參數(shù)來計(jì)算出最理想的橫向走刀速度，以計(jì)算出的橫向走刀速度進(jìn)行電火花銑削加工，可得到具有水平底面的窄槽，并可推廣到復(fù)雜型腔的加工中。

由于電極的自動(dòng)補(bǔ)償和軸向進(jìn)給，當(dāng)實(shí)際橫向走刀速度低于或者高于最理想的速度時(shí)，加工效果如圖1所示。

在無電極自動(dòng)補(bǔ)償和進(jìn)給的條件下，設(shè)工件底面被加工表面輪廓函數(shù)為z(x)，z(x)與走刀距離x關(guān)系表達(dá)式[11]：

(1)式中：α=Ve/Vw為電極損耗比；Ve為電極被蝕除體積；Vw為工件被蝕除體積(二者均為實(shí)驗(yàn)測(cè)得)；d為電極直徑(選取3 mm銅電極)；σ為放電間隙(無法準(zhǔn)確測(cè)得，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式，選為0.25 mm)；ΔZ為軸向吃刀深度。

當(dāng)x=0時(shí)，z=-ΔZ(實(shí)際上，電極已有損耗)

當(dāng)x=L時(shí)，z=-ΔZ+H(電極損耗為H)

變形得

以e為底求對(duì)數(shù)得

(2)

基于機(jī)床(D703F高速電火花小孔機(jī)床)的加工條件：Z軸自動(dòng)進(jìn)給，伺服回退，維持固定的放電間隙。每一個(gè)進(jìn)給距離(橫向走刀L，軸向進(jìn)給H)對(duì)應(yīng)的補(bǔ)償時(shí)間(同時(shí)也是進(jìn)給時(shí)間)Δt=H/M,則橫向走刀速度為：

(3)

將式(2)代入式(3)中，得

(4)

式中：M為材料蝕除速率(mm/min)，由電參數(shù)、材料的物理性能等共同決定。

電火花銑削加工過程中，工具電極會(huì)因同時(shí)存在側(cè)面放電加工和端面放電加工而產(chǎn)生兩種截然不同的磨損效果，隨著工具電極橫向走刀，電極端面會(huì)呈現(xiàn)出圓錐形(如圖2所示)，并且直接反映在被加工工件上，極大地影響了加工精度。

在數(shù)學(xué)模型中考慮殘切角β的影響，設(shè)窄槽底面曲線為Z，Z0為起始位置。電極損耗比α為

當(dāng)x=0時(shí)，Z=Z0=-ΔZ,

由此可得C=1/ΔZ。

當(dāng)進(jìn)給量x=L時(shí)，電極損耗為H。

此時(shí)，Z=-ΔZ+H,

(6)

將式(6)代入式(3)，得

(7)

2 工藝試驗(yàn)

首先選定工具電極與被加工工件，并設(shè)定電參數(shù)。然后對(duì)數(shù)學(xué)模型中所要用到的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行測(cè)定，再通過數(shù)學(xué)模型計(jì)算出所需的橫向走刀速度，最后以不同的橫向走刀速度進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行評(píng)定。

2.1 試驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖3所示。加工過程中，采用正極性加工，水基工作液經(jīng)過泵加壓后通入中空的管狀電極，在電極的工作端噴出，充當(dāng)放電介質(zhì)，并將火花放電產(chǎn)生的電蝕物沖走。由于旋轉(zhuǎn)頭的存在，工具電極做勻速回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，一方面可使工具電極端面較均勻地?fù)p耗，且由于導(dǎo)向器的存在，使工具電極加工端不會(huì)發(fā)生偏斜；另一方面，高壓流動(dòng)的工作液從電極內(nèi)部噴出，使電極加工端面達(dá)到類似于“懸浮”的效果，不會(huì)發(fā)生短路。

伺服系統(tǒng)采用電壓自反饋的單輸入單輸出的設(shè)計(jì)，可自動(dòng)維持一定的放電間隙并調(diào)節(jié)軸向進(jìn)給量。該伺服系統(tǒng)的自動(dòng)進(jìn)給功能是本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的測(cè)定

公式(4)和公式(7)中所需參數(shù)包括電極直徑d，放電間隙σ，軸向吃刀深度ΔZ，材料去除速率M，電極補(bǔ)償精度H，電極損耗比α等。選用直徑為3 mm的圓柱銅管電極，被加工工件選用材料為Q235鋼的10 mm厚鋼板。

先選擇相同的脈寬35 μs，在不同的峰值電流下分別加工n個(gè)盲孔，加工時(shí)間均為3 min，測(cè)量盲孔深度(即電火花銑削的軸向吃刀深度ΔZ)與電極的損耗長度(即為電極的補(bǔ)償精度H)。

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式[12]：

并結(jié)合機(jī)床加工過程中產(chǎn)生的放電凹坑的幾何尺寸，參考上海交通大學(xué)的薛銳對(duì)于放電間隙的研究[13]，估算出放電間隙為0.25 mm。式中Ku為常數(shù)，取決于工作液介電強(qiáng)度；KR為常數(shù)，取決于加工材料；ui為開路電壓，V；WM為單個(gè)脈沖能量，J；Sm為考慮熱膨脹、收縮、振動(dòng)等影響的機(jī)械間隙，約為3 μm。

表1為脈寬為35 μs時(shí)，在不同的峰值電流I下的各個(gè)參數(shù)值。

表1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

峰值電流I/A軸向吃刀深度ΔZ/mm材料去除速率M/(mm/min)電極補(bǔ)償精度H/mm電極損耗比α/(%)121.620.540.2112.92152.580.860.3212.36193.451.151.0530.43224.801.600.8217.05244.451.481.7539.35

2.3 最理想橫向走刀速度Vx的計(jì)算

通過推導(dǎo)出的公式(4)來計(jì)算最理想的橫向走刀速度Vx(暫時(shí)不計(jì)入殘切角β的影響)。

當(dāng)脈寬為35 μs時(shí)，不同的峰值電流對(duì)應(yīng)的最佳橫向走刀速度Vx如表2所示。

2.4 加工效果對(duì)比試驗(yàn)

在脈寬為35 μs，峰值電流為24 A的條件下，分別以2.4 mm/min、3.68 mm/min、4.8 mm/min為橫向走刀速度，以直徑3 mm圓柱管電極加工出的盲孔直徑為槽寬，深度ΔZ為槽深，對(duì)工件進(jìn)行窄槽加工，加工結(jié)果如圖4所示。

表2 峰值電流與最佳橫向走刀速度

峰值電流I/A1215192224最佳橫向走刀速度Vx/(mm/min)6.006.262.844.663.68

由于每次加工的軸向吃刀非常薄，故對(duì)每個(gè)窄槽重復(fù)5次相同加工，使對(duì)比效果更明顯。并將加工后的工件通過電火花線切割切開，在三維體視顯微鏡下觀察其截面，對(duì)比窄槽底面的坡度，如圖5所示。

2.5 試驗(yàn)結(jié)果分析

如圖6所示，在本實(shí)驗(yàn)條件下，最佳橫向走刀速度與峰值電流的函數(shù)關(guān)系呈波浪狀變化。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，窄槽底面的坡度隨著橫向走刀速度的變化而變化，確實(shí)存在最佳的橫向走刀速度，使窄槽底面呈水平狀。通過對(duì)比，使用數(shù)學(xué)模型計(jì)算出的最理想橫向走刀速度的加工效果最佳。以該橫向走刀速度進(jìn)行加工，在工件上加工出的窄槽底面的水平度良好，即使是經(jīng)過5次的疊加，水平度也維持在可以接受的水平。

3 結(jié)語

本文提出了一種基于橫向走刀速度調(diào)節(jié)的內(nèi)沖液電火花銑削窄槽的電火花銑削加工策略，并建立了數(shù)學(xué)模型，用以計(jì)算對(duì)應(yīng)條件下的最佳橫向走刀速度。針對(duì)被加工工件、電參數(shù)等加工條件，通過測(cè)量幾項(xiàng)參數(shù)，如軸向吃刀深度、材料去除速率、電極補(bǔ)償精度、電極損耗比等，利用數(shù)學(xué)模型，計(jì)算出最佳橫向走刀速度來加工工件，以得到特定的加工效果。在微細(xì)電火花加工中，計(jì)入因電極底面同時(shí)存在兩種放電而產(chǎn)生的殘切角的影響，預(yù)先進(jìn)行修正，以得到較高的加工精度。并通過試驗(yàn)證明了該加工策略的可行性與數(shù)學(xué)模型的正確性。該加工策略同時(shí)適用于普通電火花銑削加工與微細(xì)電火花銑削加工，并可推廣至加工復(fù)雜形狀型腔。加工的精度主要取決于數(shù)學(xué)模型中所需參數(shù)的測(cè)量精度和所選加工設(shè)備的精度。

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Strategy of EDM milling based on infeed speed adjustment

NIE Changrui①, CAO Mingrang②

(①School of Mechanical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, CHN;②Shanxi Key Laboratory of Precision Machining, Taiyuan 030024, CHN)

On the basis of fixed length compensation method and the electrode axial compensation, this paper proposes processing strategy of EDM milling which is based on the adjustment of infeed speed.In the condition of using the inner filling tubular electrode and automatic compensation of electrode wear, for a given electrical parameters, the tool electrode and the workpiece, EDM milling perform by adjusting the speed of the workpiece infeed.This study builds a mathematical model, based on material erosion rate, electrode wear ratio, the electrode compensation accuracy, layer thickness, the discharge gap and other parameters to calculate the speed of the workpiece infeed.The mathematical model includes the effects of notching caused by point discharge of the bottom surface of the cylindrical electrode.Finally, through experimental verification verifies the feasibility of the strategy and the mathematical model.

EDM milling; inner filling; adjustment of infeed speed; mathematical model

* 山西省基礎(chǔ)研究項(xiàng)目( 2014011026 - 3)

TG661

A

10.19287/j.cnki.1005-2402.2016.11.020

聶常瑞，男，1992年，碩士研究生，主要研究方向特種加工。

(編輯 汪 藝)

2016-08-26)

161127