王燕青 ，Md.Milon Mia，賈建宇 ，楊勝?gòu)?qiáng) ，白基成

（ 1. 太原理工大學(xué)機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院，精密加工山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山西太原030024；2. 哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江哈爾濱 150001 ）

隨著制造業(yè)的發(fā)展， 微型零件的需求日益增加，微細(xì)加工成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。 微細(xì)軸作為一種微刀具或微電極也是微細(xì)加工的重要產(chǎn)品。其中， 微細(xì)電火花加工技術(shù)因其具有無(wú)加工切削力、高精度、可加工難加工金屬材料及低能耗等特點(diǎn)，成為了微細(xì)加工領(lǐng)域中一種制造微細(xì)軸的重要方法。 常用的工藝有塊電極電火花磨削加工及線電極電火花磨削加工 （wire electrical discharge grinding，WEDG）。

對(duì)于傳統(tǒng)的塊電極電火花磨削加工方法，由于塊電極無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確的電極損耗補(bǔ)償，所制備的微細(xì)軸直徑一致性較差。 而塊電極電火花磨削切向進(jìn)給法實(shí)現(xiàn)了工具電極損耗的自動(dòng)補(bǔ)償，提高了所制備的微細(xì)軸的精度[1-2]。 該方法是在塊電極切向進(jìn)給法的基礎(chǔ)上， 通過一對(duì)相互絕緣的塊電極形成窄縫，令旋轉(zhuǎn)的微細(xì)軸毛坯通過該窄縫，并通過放電狀態(tài)檢測(cè)以放電頻率作為控制依據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整微細(xì)軸相對(duì)窄縫的位置，提高了塊電極電火花磨削的加工效率，而且簡(jiǎn)化了微細(xì)軸直徑的控制過程[3-4]。 但塊電極與微細(xì)軸放電時(shí)，有效加工面積大，加之電火花加工放電隨機(jī)性的特點(diǎn)，不利于實(shí)現(xiàn)更高精度的微細(xì)軸直徑控制。

對(duì)于WEDG， 微細(xì)軸與線電極之間為點(diǎn)放電，具有放電能量小、線電極不斷更新的特點(diǎn)，可更好地控制微細(xì)軸的直徑精度[5]。 線電極電火花磨削切向進(jìn)給法，進(jìn)一步提高了材料去除分辨率，使微細(xì)軸在磨削過程中的切深精度達(dá)到1 μm， 微細(xì)軸直徑的精度控制在2 μm 以內(nèi)[6]。在旋轉(zhuǎn)微細(xì)軸同側(cè)或雙側(cè)的不同水平面內(nèi)布置雙絲磨削的機(jī)構(gòu)，高水平面的線電極進(jìn)行粗磨削加工，低水平面內(nèi)的線電極進(jìn)行精磨削加工，有效提高了線電極電火花磨削微細(xì)軸的加工效率[7-8]。

此外，在線電極電火花磨削系統(tǒng)中，運(yùn)絲系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接影響了線電極在導(dǎo)向器弧頂位置相對(duì)導(dǎo)向器徑向的跳動(dòng)， 直接影響微細(xì)軸的直徑精度。 在設(shè)計(jì)運(yùn)絲系統(tǒng)時(shí)，導(dǎo)輪大小、導(dǎo)輪間距、線電極繞過導(dǎo)輪的包角以及線電極張力等均需進(jìn)行分析以指導(dǎo)實(shí)際結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[9]。 在線電極磨削加工過程中，運(yùn)絲策略、進(jìn)給策略以及放電參數(shù)的調(diào)節(jié)是微細(xì)軸直徑控制的關(guān)鍵[10-11]。

基于此，本研究中提出了鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工方法，旨在以雙線電極提高WEDG 加工效率及以切向進(jìn)給法提高材料去除分辨率的同時(shí)， 以鏡像雙絲所形成的窄縫對(duì)微細(xì)軸直徑的約束，實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)軸直徑的精確控制。

1 鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削方法及裝置

鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削微細(xì)軸的加工原理見圖1。 微細(xì)軸夾持在旋轉(zhuǎn)主軸上隨著機(jī)床Z軸上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并沿著圖1 所示進(jìn)給方向切向進(jìn)入線電極A 和線電極B 所形成的窄縫中。為保證兩線電極同時(shí)與微細(xì)軸放電并產(chǎn)生相同的去除量，微細(xì)軸需沿兩線電極對(duì)稱中心線切向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)。

微細(xì)軸直徑隨著位置變化的過程見圖2。 微細(xì)軸毛坯的初始加工位置與雙側(cè)線電極的放電點(diǎn)位于雙側(cè)絲的包角范圍內(nèi)， 并同時(shí)與兩側(cè)線電極放電， 利用兩線電極所形成的窄縫約束微細(xì)軸直徑，窄縫寬度隨著切向進(jìn)給距離的增加而減小，在實(shí)際加工中可通過控制微細(xì)軸切向位置控制微細(xì)軸直徑。 依據(jù)切向進(jìn)給法進(jìn)給量-材料去除量的特點(diǎn)，隨著微細(xì)軸位置逐步接近雙絲弧頂， 單位進(jìn)給距離λ內(nèi)的微細(xì)軸直徑變化Δr 逐漸減小， 即磨削去除材料厚度越來越小，有利于實(shí)現(xiàn)對(duì)微細(xì)軸直徑的精確控制及提高多根微細(xì)軸的重復(fù)制作精度，并在加工過程中采用相互獨(dú)立的雙路電源，由于理論上而言雙絲放電面積是單絲放電面積的兩倍，有利于提高微細(xì)軸的加工效率。

在圖2 中，R 表示從導(dǎo)向器中心到導(dǎo)線電極弧頂和放電間隙的距離之和。 微細(xì)軸直徑從r0變化到rf的進(jìn)給距離為（λ1+…+λf）。 由 λ1到 λf的長(zhǎng)度變化可見，如果要達(dá)到相同的直徑加工深度，進(jìn)給距離需隨著微細(xì)軸直徑的減小而逐漸增大，特別是當(dāng)微細(xì)軸從 r2加工到 rf時(shí)， 在微細(xì)軸直徑上，λf將大于λ1，即 r0到 r1的進(jìn)給距離。 對(duì)于進(jìn)給距離與微細(xì)軸直徑的關(guān)系，有：

如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)裝置包括機(jī)械系統(tǒng)、電氣控制模塊、RC 模式脈沖電源、超純水循環(huán)系統(tǒng)及CCD在線檢測(cè)等輔助模塊；機(jī)械床身包括XYZ 三軸運(yùn)動(dòng)平臺(tái)、運(yùn)絲模塊、鏡像雙絲放電加工區(qū)及雙絲間隙調(diào)節(jié)模塊和主軸及位置微調(diào)模塊。

雙路 RC 電源原理見圖 4。 電壓在 0～200 V 范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，電容從5 pF～68 nF 分十檔，通過上位機(jī)控制繼電器實(shí)現(xiàn)電容選擇。 使用示波器及通過PCI 總線與上位機(jī)實(shí)現(xiàn)通訊的數(shù)據(jù)采集卡對(duì)極間電壓和電流信號(hào)進(jìn)行采集。 RC 模式電源的優(yōu)點(diǎn)是較容易獲得窄脈寬、 較低的單脈沖能量的連續(xù)脈沖，且不存在電弧維持電壓。

2 加工工藝及過程

在鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工過程中，為實(shí)現(xiàn)通過雙絲窄縫對(duì)微細(xì)軸直徑的約束，需保證微細(xì)軸的加工位置位于雙側(cè)線電極對(duì)稱中心線上。首先，在加工開始前進(jìn)行對(duì)刀過程，基于圖5 所示的接觸感知電路，根據(jù)微細(xì)軸與兩側(cè)線電極的接觸波形特征調(diào)整微細(xì)軸的位置，使其初始加工位置位于對(duì)稱中心線上。 當(dāng)接地微細(xì)軸與兩側(cè)處于高電平的線電極接觸時(shí)， 高速光耦導(dǎo)通，DTC32 IN 接收到低電平信號(hào)，根據(jù)接觸信號(hào)的波形特征隨即對(duì)微細(xì)軸位置進(jìn)行微調(diào)至兩路接觸感知的平均電壓差值小于一定的閾值，實(shí)現(xiàn)微細(xì)軸的對(duì)刀過程，對(duì)刀結(jié)束后的電壓波形見圖6。

其次，由于鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工裝置存在制造誤差及裝配誤差，雙側(cè)線電極所形成窄縫的中心線即微細(xì)軸的實(shí)際切向進(jìn)給路線并非直線。 基于CCD 機(jī)器視覺平臺(tái)，通過Matlab 程序?qū)λ臄z加工位置圖像進(jìn)行處理得出的雙側(cè)線電極加工位置邊界及微細(xì)軸的實(shí)際進(jìn)給路徑見圖。 其中， 圖7a 為雙側(cè)線電極及其所形成窄縫的CCD 照片，圖7b 為經(jīng)Matlab 程序處理后所得數(shù)據(jù)曲線。根據(jù)其進(jìn)給路徑曲線，在切向進(jìn)給的過程中在X 軸方向進(jìn)行微量補(bǔ)償。

此外，在加工過程中實(shí)時(shí)檢測(cè)線電極A、B 與微細(xì)軸的放電頻率，并進(jìn)行差值運(yùn)算后作為X 向運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)控制信號(hào)，實(shí)現(xiàn)微細(xì)軸在切向進(jìn)給路徑上的微調(diào)，進(jìn)一步確保微細(xì)軸位于兩側(cè)線電極所形成的窄縫的中心線上，以實(shí)現(xiàn)窄縫寬度對(duì)微細(xì)軸直徑的精確約束。

微細(xì)軸的毛坯直徑為500 μm、 目標(biāo)直徑小于100 μm，加工去除余量大。為提高加工效率、保證微細(xì)軸加工精度，將加工階段劃分為粗、半精、精加工三個(gè)階段。 粗加工選擇大放電能量以快速去除絕大多數(shù)的加工余量，但粗加工中放電能量較大，放電隨機(jī)性強(qiáng)，微細(xì)軸的直徑一致性較差。 半精加工主要目的在于改善粗加工后微細(xì)軸的直徑一致性，為精加工提供直徑一致性較好的微細(xì)軸。 精加工的主要目的在于將微細(xì)軸加工至目標(biāo)直徑以進(jìn)一步提高微細(xì)軸的直徑一致性。 因此不同加工階段放電量不同，粗磨階段單個(gè)脈沖放電能量大，中磨次之，精磨放電能量較小。 粗磨階段以Y 向大步長(zhǎng)、Z 向大進(jìn)給速度實(shí)現(xiàn)快速蝕除微細(xì)軸的加工余量；中磨階段以Y 向中等步長(zhǎng)、Z 向中等進(jìn)給速度較快速的蝕除材料且不至產(chǎn)生過切，并改善微細(xì)軸的直徑一致性；精磨階段以Y 向小步長(zhǎng)、Z 向小進(jìn)給速度、主要用于提高微細(xì)軸直徑一致性。 加工參數(shù)見表1。

表1 鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工參數(shù)

其中，雙側(cè)線電極在精加工過程中保持靜止的原因是，雙側(cè)線電極在運(yùn)行過程中的張力變化及振動(dòng)引起了雙側(cè)線電極加工位置在微細(xì)軸徑向的變化，并且由于微細(xì)軸旋轉(zhuǎn)，雙線電極的位置波動(dòng)導(dǎo)致微細(xì)軸直徑呈波動(dòng)量的兩倍變化。 在加工區(qū)域，為避免因線電極運(yùn)行在微細(xì)軸徑向發(fā)生抖動(dòng)，線電極在精加工過程中保持靜止。因微細(xì)軸在Y 方向上仍有進(jìn)給， 線電極與微細(xì)軸之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)，線電極的放電位置得以更新，以避免線電極的損耗對(duì)微細(xì)軸加工直徑的影響。

微細(xì)軸在加工過程中應(yīng)有兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)：一是沿著窄縫中心線的切向進(jìn)給；二是沿著Z 軸方向的上、下進(jìn)給。 前者實(shí)現(xiàn)了微細(xì)軸徑向材料的蝕除，后者實(shí)現(xiàn)了微細(xì)軸軸向材料的蝕除。 因此在鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工過程中，微細(xì)軸的進(jìn)給應(yīng)為切向與軸向進(jìn)給交替進(jìn)行（圖8）。但由于粗、半精、精加工三個(gè)階段的放電能量不同，且不同加工位置切向進(jìn)給單位距離后窄縫寬度變化不同，不同加工階段單位進(jìn)給距離的材料去除量不同，設(shè)置了各階段切向進(jìn)給步長(zhǎng)及Z 向進(jìn)給速度（表2）。

表2 各加工階段切向進(jìn)給步長(zhǎng)及Z 向進(jìn)給速度

3 加工結(jié)果及討論

鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工方法具有如下特點(diǎn)： 雙絲放電面積是單絲放電面積的兩倍，有利于提高微細(xì)軸加工效率；利用兩線電極所形成的窄縫約束微細(xì)軸直徑，提高重復(fù)制作的微細(xì)軸的直徑一致性。 對(duì)此，本文進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究。

圖9 是采用鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工方法和線電極電火花磨削切向進(jìn)給法加工黃銅材料微細(xì)軸的效率對(duì)比圖。其中，線條a、b、c 分別表示通過鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工的微細(xì)軸的最大、最小和平均直徑的變化曲線；線條d、e、f分別表示線電極電火花磨削切向進(jìn)給法加工的微細(xì)軸的最大、最小和平均直徑的變化曲線。 由于微細(xì)軸直徑在每個(gè)加工位置完成Z 向進(jìn)給后都存在偏差，本研究只統(tǒng)計(jì)了微細(xì)軸的最大和最小直徑的變化曲線。 當(dāng)微細(xì)軸的直徑被加工至50 μm 時(shí)，通過鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削方法加工的時(shí)間為44.78 min，而線電極電火花磨削切向進(jìn)給法的加工時(shí)間為78.17 min。 當(dāng)制備長(zhǎng)度1000 μm、目標(biāo)直徑40 μm 的微細(xì)軸時(shí)，鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削方法的加工效率是線電極電火花磨削切向進(jìn)給法的1.7 倍甚至更高。

以加工目標(biāo)直徑45 μm 的微細(xì)軸為例，對(duì)于鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工方法而言，可通過窄縫寬度來約束微細(xì)軸的直徑，隨著切向進(jìn)給距離的增加，窄縫縫寬度逐漸減小。 在導(dǎo)向器的弧形頂部區(qū)域即窄縫寬度最小的區(qū)域，隨著切向進(jìn)給距離的增加，窄縫寬度的變化最小。 為使微細(xì)軸的加工位置接近導(dǎo)向器圓弧頂部的區(qū)域，可將雙側(cè)線電極所形成的窄縫寬度值調(diào)整為40 μm，此時(shí)的窄縫寬度變化曲線見圖10。

微細(xì)軸的加工結(jié)果見圖11。采用鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削方法加工的微細(xì)軸，其目標(biāo)直徑為45 μm。對(duì)于鎢材料的微細(xì)軸而言，單根微細(xì)軸的直徑變化可控制在 1 μm 以內(nèi)（長(zhǎng)度 800 μm 以內(nèi)），重復(fù)加工的微細(xì)軸的直徑變化可控制在2 μm 以內(nèi)。

4 結(jié)束語(yǔ)

為提高微細(xì)軸的加工效率和精度，簡(jiǎn)化其直徑控制過程，本文提出了鏡像雙絲電火花線電極切向進(jìn)給磨削微細(xì)軸的加工方法，并開發(fā)了實(shí)現(xiàn)該方法的加工裝置，基于此還提出了加工策略并制定了加工工藝。 結(jié)果表明，鏡像雙絲切向進(jìn)給電火花磨削加工方法，以雙側(cè)線電極及雙路脈沖電源實(shí)現(xiàn)了微細(xì)軸加工效率的提高，以同平面內(nèi)雙側(cè)線電極所形成的窄縫約束微細(xì)軸直徑的策略簡(jiǎn)化了微細(xì)軸的直徑控制過程，并可高精度地重復(fù)制備微細(xì)軸。