鄭 湘，吳 強，陸曉華，劉 斌

（蘇州電加工機床研究所有限公司，江蘇蘇州215011）

隨著技術發(fā)展，具有微細結構的零部件被廣泛應用。國內許多油泵、油嘴公司生產(chǎn)的高壓共軌噴油嘴孔片是典型的具有復雜微結構特點的微細產(chǎn)品。目前，國內大多數(shù)制造企業(yè)采用超高速旋轉主軸銑削的方法加工復雜微細結構產(chǎn)品，但設備投入成本高、工藝流程繁雜、加工部位有毛刺且表面質量較差，也達不到高同心度的要求，因此亟待尋找解決上述問題的方法。

數(shù)控電火花微孔加工機床采用高精度主機、微精脈沖電源及專用數(shù)控技術，可實現(xiàn)精細形狀孔槽的精密加工，與傳統(tǒng)加工方法相比具有生產(chǎn)成本低、精度高、操作簡單等優(yōu)點[1]。在此基礎上，研究開發(fā)了三頭數(shù)控電火花微細銑削加工機床，使油泵、油嘴復雜微結構的一體化高精度加工成為可能。

本文主要通過介紹電火花微細銑削加工試驗過程，著重分析了電極損耗補償、加工效率相關問題的解決方法，最后通過試驗驗證摸索出可保證電火花微細銑削加工質量及效率的工藝規(guī)律。

1 試驗設備及條件

產(chǎn)品試件的加工在自行研制的三頭數(shù)控微細電火花銑削加工機床上進行。該設備由機床主機、兩個電氣控制箱及工作液系統(tǒng)組成。電氣控制箱1控制 X1、Y1、W1、Z1四個軸， 電氣控制箱 2 控制 X2、Y2、W2、Z2、Z3五個軸，其中精密伺服加工軸 Z1與 Z2、Z1與Z3均可同時加工。

電氣控制箱主要由數(shù)控系統(tǒng)、專用微精高頻脈沖電源、檢測伺服控制單元等部分組成。微精脈沖電源最大加工電流為0.4 A，加工電流調節(jié)范圍為0.1～0.4 A，共10檔可調。數(shù)控系統(tǒng)具有電火花銑削功能，對微精脈沖電源參數(shù)、電極微量伺服進給進行智能適應控制，可實現(xiàn)電極在X、Y平面的軌跡運動及Z軸方向縱向與微振動的耦合運動。試驗采用數(shù)碼顯微系統(tǒng)進行相關數(shù)據(jù)測量。

2 油泵油嘴復雜微結構加工要求

油泵油嘴復雜微結構試件的加工尺寸見圖1。加工要求如下：加工錐形90°、寬度0.3 mm、深度0.15 mm的環(huán)槽；加工寬度0.4 mm、深度0.15 mm的十字槽；加工直徑0.4 mm、深度0.15 mm的沉槽，孔徑精度為±0.003 mm；直徑0.23 mm微孔的流量散差在±3%以內；試件表面粗糙度 Ra＜0.8 μm，同心度＜0.01 mm；銑削加工底面深度一致且無明顯對接痕跡；加工需實現(xiàn)效率最大化，單個工件的加工時間少于4 min20 s。

圖1 油泵油嘴復雜微結構加工尺寸圖

3 油泵油嘴復雜微結構的微細電火花銑削加工試驗

3.1 微細電火花銑削基礎工藝試驗

基礎工藝試驗采用工件材料為合金鋼，電極材料為硬鎢，加工目標為寬度0.3 mm、深度0.15 mm的環(huán)槽。基礎工藝試驗參數(shù)見表1。

表1 基礎工藝試驗參數(shù)

在試驗初期，銑削的環(huán)槽存在明顯的底部不平和起點、終點的底部交接痕等情況。如圖2a所示，由于存在電極損耗，在單層銑削加工一段時間后，電極與工件之間的間隙增大，加工作用逐漸減弱，加工效率和伺服進給速度波動，型腔底部出現(xiàn)明顯的高低差，加工形狀的幾何精度降低[2]。

為了提高加工精度，減少電極損耗對工件底面形貌的影響，試驗進一步改善電極縱向進給速度Vz（圖2b），以達到電極損耗補償?shù)男Ч鸞3]。具體方法是：適當加大電極的伺服進給比例，匹配降低靈敏度參數(shù)，根據(jù)間隙狀態(tài)檢測信號、加工效率等參數(shù)對電極損耗進行在線檢測和補償[4]；通過算法決策自適應微量調節(jié)匹配伺服進給比例和靈敏度，使加工放電間隙始終保持在正常范圍，電極沿數(shù)控軌跡作伺服運動，均勻地蝕除掉每一處的被加工材料[5]。

圖2 微細電火花銑削加工放電間隙的控制

采用數(shù)碼顯微系統(tǒng)對所加工的環(huán)槽進行3D圖像合成，如圖3所示，相比于伺服進給比例50%、靈敏度90%時的加工情況，當伺服進給比例為70%、靈敏度為10%時，電火花銑削環(huán)槽的底面趨于均勻，且解決了底部不平和起點、終點底部交接痕的問題，從而實現(xiàn)整個型腔要求的加工效果[6]。

圖3 不同伺服比例和靈敏度下電火花銑削效果圖

試驗表明，隨著伺服進給比例和靈敏度的不斷匹配完善，伺服軸的進給穩(wěn)定，電極損耗得到補償，電極形狀也趨于穩(wěn)定，可實現(xiàn)銑削環(huán)槽較理想的均勻連續(xù)加工。

3.2 微細電火花銑削加工效率試驗

在保證其他試驗條件不變的情況下，為了提高電火花微細銑削的加工效率，試驗將電極絲的規(guī)格從直徑0.15 mm逐步提高至直徑0.28 mm，可實現(xiàn)良好的加工效果，且能將加工時間從之前的8 min大幅縮減至3.2 min，見表2。

表2 改變電極規(guī)格的具體過程參數(shù)

經(jīng)過多組試驗發(fā)現(xiàn)，在實現(xiàn)等面積、等深度的同一加工目標時，電極絲截面積越大，則單層銑削深度應越小，加工時間越短，加工效果越好。但是，通過權衡本試驗樣件的實際加工尺寸和效率的各項要求，最終將電極直徑確定為中間值0.21 mm，且仍需進一步縮短該中間值對應的加工時間，故此時考慮進一步改進其他參數(shù)。

通過大量振動頻率試驗，得到保證質量前提下的最優(yōu)振動頻率為560 Hz。分析原因：振動頻率實現(xiàn)了放電間隙附近的電極與工件的間隙高頻動態(tài)改變，有助于建立和維持正常放電狀態(tài)，降低對伺服控制響應的苛刻要求[7]。電極與工件之間的振動頻率提高了放電脈沖利用率，將蝕除的加工屑及時排出，從而改善加工狀態(tài)、提高加工效率，最終將加工時間由4 min縮短為2 min（表3）。

試驗表明，通過電極直徑和振動頻率的優(yōu)化選擇，在保證加工精度的前提下，電火花銑削加工效率有了本質的提高。通過上述基礎工藝試驗和加工效率試驗，以本試驗樣件環(huán)槽加工為例，得到了電極直徑0.21 mm、伺服進給比70%、靈敏度10%、振動頻率560 Hz的微細電火花銑削最優(yōu)加工參數(shù)。經(jīng)反復試驗證明，該加工參數(shù)可行且加工穩(wěn)定。

3.3 油泵油嘴復雜微結構加工試驗

本試驗涉及的油泵油嘴復雜微結構包括環(huán)槽、錐度溝槽、十字槽、沉槽、微孔，其電火花加工參數(shù)見表4。其中，環(huán)槽是依據(jù)前述所得最優(yōu)參數(shù)進行加工；錐度溝槽是通過三層不同半徑、不同深度的環(huán)槽組合加工而成[8]；十字槽是通過直線槽的偶數(shù)層銑削加工而成（圖4）[9]；沉槽、微孔均是根據(jù)常規(guī)電火花微孔加工工藝完成[10]。

表3 改變振動頻率的具體過程參數(shù)

表4 微結構加工試驗參數(shù)

圖4 直線槽偶數(shù)層銑削軌跡

上述微結構的電火花銑削加工流程均依據(jù)第3.1～3.2節(jié)所述的微細電火花銑削加工質量和效率的工藝規(guī)律反復試驗所得。試驗中，通過兩套獨立且信息互通的機床數(shù)控系統(tǒng)，在精密伺服加工軸Z1上用直徑0.21 mm鎢電極加工環(huán)槽和錐度溝槽，加工時間3.85 min；在加工軸Z2上用直徑0.38 mm鎢電極加工十字槽和沉槽，加工時間2.85 min；在加工軸Z3上用直徑0.21 mm鎢電極加工直徑0.23 mm的微孔，加工時間0.3 min。Z1與Z2同時開始加工，Z2先加工完成；再換Z3與Z1同時加工，可將工件整體加工時間控制在4 min以內。

如圖5所示，銑削加工后的工件底面深度一致且無明顯對接痕；同心度＜0.01 mm；直徑0.4 mm沉槽的孔徑精度在±0.003 mm以內；直徑0.23 mm微孔的流量散差在±3%以內；表面粗糙度＜Ra0.8 μm；加工總用時＜4 min，各項加工指標全部滿足要求。

圖5 工件加工完成的整體銑削效果

4 結論

通過對油泵油嘴復雜微結構進行微細電火花銑削加工試驗和分析，得到如下結論：

（1）為保證電火花銑削面的平整度，必須合理規(guī)劃伺服比例與靈敏度之間的參數(shù)關系，保持加工放電間隙始終在正常范圍內，使伺服軸進給穩(wěn)定，電極損耗得到補償，從而實現(xiàn)微細電火花銑削的均勻連續(xù)加工。

（2）針對同等面積、同等深度的環(huán)槽，電極絲的截面積越大，則單層銑削深度越小，加工效果越好；合適的電極振動頻率，可提高放電脈沖利用率，將蝕除的加工屑及時排出，改善加工狀態(tài)，提高微細電火花銑削加工效率。

（3）微細電火花銑削加工工藝是在電火花微孔加工工藝的基礎上，通過更加精細合理地匹配電極規(guī)格、伺服比例、靈敏度、振動頻率等參數(shù)而形成的，并在油泵油嘴復雜微結構的高效加工難題上具有可行性。